黃河泥沙固化材料抗沖特性分析

張世安　吳嫡捷　袁崢等

關(guān)鍵詞：黃河泥沙；三維掃描；抗沖刷性能；固化劑摻量；沖刷時長；函數(shù)擬合

中圖分類號：ＴＶ４１；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０１．００７

引用格式：張世安，吳嫡捷，袁崢，等．黃河泥沙固化材料抗沖特性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１）：３９－４３．

０ 引言

黃河流域在保障國家經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)安全方面已做出巨大貢獻，然而伴隨經(jīng)濟的快速發(fā)展，黃河流域生態(tài)平衡屢遭破壞，應(yīng)對其加強水生態(tài)保護與修復工作，促進流域生態(tài)保護與高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展［１］ 。黃河河道淤積泥沙中礦物組成主要是石英、長石、方解石等，其化學組成除硅鋁外，其他組分含量大致為［２］ ＣａＯ＞Ｆｅ_２Ｏ_３＞ ＭｇＯ ＞ ＴｉＯ_２＞ ＭｎＯ， 有機質(zhì)含量為０． ４％ ～０．８％［３］ ，ｐＨ 值為７． ５ ～ ８． ５。泥沙顆粒主要為直徑０．００５～０．０７５ ｍｍ 的粉粒，粉粒含量一般高達８０％，黏粒含量不足２０％。這造成黃河泥沙可塑性和抗壓強度低，在工程應(yīng)用方面表現(xiàn)為難以與穩(wěn)定材料形成良好的物理化學聯(lián)結(jié)，限制了黃河泥沙在生土材料領(lǐng)域的應(yīng)用。壩體的抗沖刷性能對壩體的穩(wěn)定性和使用年限有著至關(guān)重要的意義，因此研究壩體材料的抗沖刷性能是大壩設(shè)計之初不可或缺的重要環(huán)節(jié)［４－６］ 。

多年來，很多學者對沖刷速率與土體物理力學參數(shù)的關(guān)系進行了大量研究，針對不同顆粒級配的黏性泥沙，在不同的淤積歷時條件下進行起動沖刷試驗，分析了沖刷速率與起動切應(yīng)力、淤積歷時、干密度、粒徑的關(guān)系［７］ ，發(fā)現(xiàn)沖刷速率與相對剩余切應(yīng)力成線性關(guān)系［８－９］ ，細顆粒泥沙沖刷速率與相對剩余切應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系且指數(shù)取值與泥沙和水流特性有關(guān)［１０－１１］ 。此外，從改進室內(nèi)沖刷試驗、提高材料強度、研發(fā)新型固化劑材料和提出防沖刷措施等方面也有很多相關(guān)的針對性研究，研究發(fā)現(xiàn)振動法成型試件的抗沖刷性能明顯優(yōu)于靜壓法成型試件的［１２］ ；摻入水泥、石灰、二灰、纖維和固化劑不僅可大幅提高穩(wěn)定土強度﹐還能改善其抗水毀性能［１３－１８］ ；采用不同沖刷試驗方法評估了無機結(jié)合料穩(wěn)定土的抗沖刷性能［１９－２３］ ；穩(wěn)定細粒土的抗沖刷性能與無側(cè)限抗壓強度的相關(guān)性較強﹐其沖刷損失隨著試件抗壓強度的增強呈線性減少的趨勢［２４－２６］ 。上述研究多基于公路工程水泥穩(wěn)定材料開展，其受力模式與大壩受力模式截然不同。本研究以室內(nèi)沖刷試驗為主，利用現(xiàn)代化智能設(shè)備及數(shù)值分析方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分析黃河泥沙資源利用和壩體材料沖蝕特性。

１ 試驗方法與試驗設(shè)備

１．１ 試驗方法

本研究以模擬試驗為主，數(shù)據(jù)分析為輔。建立明渠水槽并在進水口處安裝一個土樣槽，將制備好的試塊放入土樣槽，在土樣槽的上下游各布置一個測壓管，用電磁流量計控制流量。利用攪拌池將泥水混合物充分攪拌，通過水泵送至束水扁口，對土樣槽的試塊進行沖刷。利用三維激光掃描儀對沖刷后的試塊進行掃描，生成試塊表面的掃描圖，將試驗數(shù)據(jù)記錄于表格中，并制作成可以分析的對比圖樣。利用函數(shù)擬合的方法作出試塊表面的變化曲線，分析影響土樣抗沖刷性能的因素。根據(jù)試驗成果研究黃河泥沙基壩體材料抗沖刷性能的改良方案，并通過試驗驗證其改良性。

１．２ 試驗設(shè)備

本次試驗以黃河鄭州段干流采集的天然沙為試驗用沙，加入固化劑靜壓制備試塊。制備過程中使用的設(shè)備有ＨＪＷ－６０ 型單臥軸攪拌機、液壓機和壓力表。試驗設(shè)備整體布置如圖１ 所示。

結(jié)合本次試驗實際情況制定科學合理且具有可操作性的沖刷試驗方案。為更真實地模擬黃河高含沙水流的沖刷效果，依據(jù)近幾年《黃河泥沙公報》中潼關(guān)站多年平均含沙量設(shè)置含沙的射流水體，具體操作為利用多功能水泵機（參數(shù)見表１）將水、沙按照固定比例在攪拌池中混配并持續(xù)攪拌，保證沖刷時的含沙量穩(wěn)定在３５ ｋｇ／ ｍ^３。含沙水流由泥漿泵吸入供水管，經(jīng)過流量計，由束水扁口（參數(shù)見表２）射出，以極小的入射角度沖刷試驗板，水流再次進入攪拌池形成自循環(huán)系統(tǒng)。參考蔡蓉蓉等［２７］ 的試驗方案確定沖刷時間，將每組試塊均沖刷１０ ｈ 左右，期間每隔３０ ｍｉｎ 停泵１ 次。利用三維地形掃描儀（參數(shù)見表３）對沖蝕后的試塊進行全局掃描，從而獲得其表面高程數(shù)據(jù)。

１．３ 試塊制作與固化劑配合比設(shè)計

基于前期研究［２８］ ，不同摻量試塊及其成分配比見表４，其中固化劑配合比設(shè)計見表５，在調(diào)整固化劑摻量時，土和固化劑的總體質(zhì)量大致為４５ ｋｇ，添加的水在３～５ ｋｇ 范圍內(nèi)，如此可在壓制試塊時保證試塊的大小和密實度基本一致，提高對照試驗的可靠性。本次試驗試塊采取靜壓法制備，先將固定質(zhì)量的沙和固化劑進行過濾，保證制作后的試塊質(zhì)量均勻，然后按照預定的比例混合倒入攪拌機充分攪拌３０ ｍｉｎ。將攪拌均勻的混合物倒入壓模機中進行壓制，尺寸為５０ ｃｍ×５０ ｃｍ×１５ ｃｍ，將壓制的試塊取出用土工布遮蓋。試塊在實驗室進行無差別養(yǎng)護，室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境變化與外界自然條件一致。將制作完成的試塊靜置２４ ｈ后進行濕潤處理，即利用噴壺對土工布上包裹的試塊進行均勻灑水，時間控制在２ ｍｉｎ 左右，或使其表面有水珠凝結(jié)即可，用此方法每天進行３ 次（時間間隔相同）浸潤處理，持續(xù)進行２８ ｄ 完成整個養(yǎng)護過程。不同摻量試塊在沖刷試驗前表面并無明顯差別。

２ 試驗過程及結(jié)果

２．１ 試驗過程

為了模擬黃河的水流沖刷條件，本試驗采取渾水沖刷。在含沙量為３５ ｋｇ／ ｍ^３的渾水條件下，將設(shè)備通電，變電柜調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至３ ５００ ｒ／ ｍｉｎ，使流量穩(wěn)定在１８０ｍ^３／ ｈ、流速約１５ ｍ／ｓ 的條件下進行沖刷試驗，以５％摻量的試塊為例分析。

沖刷０．５ ｈ：圖２、圖３ 是５％摻量的試塊沖刷０.５ ｈ的表面及表面掃描圖，對比沖刷前表面可以看出，試塊表面沖刷出了十分明顯的凹槽，并伴隨大量的孔隙，此時的試塊力學性能已經(jīng)遭到了嚴重破壞，若應(yīng)用于實際工程當中，會出現(xiàn)重大的安全事故。因此，此摻量的試塊并不滿足實際工程建設(shè)的需求，應(yīng)尋找更高強度固化劑摻量的試塊。

沖刷２ ｈ：試塊已經(jīng)產(chǎn)生明顯的裂縫，表面孔隙更加密集，沖刷深度隨著沖刷時長的增加而加深，試塊受侵蝕情況嚴重。

沖刷３ ｈ：隨著沖刷時長的增加，試塊的裂縫逐漸增大，比沖刷２ ｈ 的試塊裂縫更寬更深，說明水流對此摻量的試塊影響較大，其抗沖刷性能較差。

沖刷４ ｈ：相比于沖刷３ ｈ，裂縫區(qū)域的顏色更深，裂縫的深度隨沖刷時長的增加而增加。

沖刷１０ ｈ：由圖４、圖５ 可知，裂縫的深度隨沖刷時長的增加而增加，裂縫區(qū)域的顏色隨沖刷時長的增加而加深。

２．２ 掃描結(jié)果分析

為更明顯地看到水流對試塊的影響趨勢，將掃描后的數(shù)據(jù)制作成辨識度更高的函數(shù)擬合曲線，并導入ＳＣＥＮＥ 軟件，選取試塊表面為研究區(qū)域，對其進行數(shù)據(jù)篩選，得出最大沖刷深度隨時間的累計變化量，見表６，繪制出關(guān)系曲線并擬合函數(shù)曲線，如圖６ 所示。

５％摻量試塊沖刷深度隨沖刷時間變化大致服從函數(shù)關(guān)系ｙ ＝２．２２３ ７ｘ^{０．１９０ ５}，其中Ｒ^２＝０．９６４ ５，說明在誤差允許范圍內(nèi)擬合函數(shù)與原始數(shù)據(jù)符合良好。根據(jù)擬合曲線分析，隨著沖刷時長的增加，累計最大沖刷深度逐漸增加并趨于平緩?？梢姡S著沖刷時長的增加，試塊的抗沖刷性能逐漸提高。如此可考慮在工程建設(shè)中，給予泥沙基壩體材料一定的沖刷彈性時間，沖刷一段時間后泥沙基壩體材料的抗沖刷性能更好。１０％摻量試塊沖刷深度隨沖刷時間變化曲線函數(shù)關(guān)系為ｙ ＝０．５７６ ２ ｌｎ ｘ＋１．５５０ ９，其中Ｒ^２＝０．８９４ ２，在沖刷前５ ｈ，累計最大沖深變化較快，后５ ｈ 逐漸趨于平緩，其曲線斜率變化說明沖刷５ ｈ 后的試塊抗沖刷能力優(yōu)于沖刷前５ ｈ 的。２０％摻量試塊沖刷深度隨沖刷時間變化曲線函數(shù)關(guān)系為ｙ ＝ ０． ３６７ ｌｎ ｘ ＋ ０．３７４ ２， 其中Ｒ^２＝０．９６４ １，在前２００ ｍｉｎ 累計最大沖深變化較快，之后逐漸趨于平緩，最大深度變化量較小。３０％摻量試塊沖刷深度隨沖刷時間變化曲線函數(shù)關(guān)系為ｙ ＝０．２１５ ５ ｌｎ ｘ＋０．２８２，其中Ｒ^２＝０．９１６ ２。４０％摻量試塊沖刷深度隨沖刷時間變化曲線函數(shù)關(guān)系為ｙ ＝０．１５６ ９ｘ^{０．４７６ ５}，其中Ｒ^２＝０．８１９ ３。

試驗結(jié)束后，經(jīng)測算本次試驗沖刷水流的含沙量約為３５ ｋｇ／ ｍ^３，其中泥沙密度采用的是慕明清等［２９］ 在黃河中游測區(qū)泥沙密度值試驗研究中的結(jié)果２ ７３０ ｋｇ／ ｍ^３。在此工況下，５％～４０％不同固化劑摻量經(jīng)近似１５ ｍ／ ｓ 的高速水流沖刷１０ ｈ 后的累計最大沖刷深度情況見表６，各摻量與累計最大沖刷深度變化曲線如圖７ 所示。分析可知，隨著固化劑摻量的提高，試塊的累計最大沖刷深度逐漸減小，在３０％摻量區(qū)域逐漸趨于平緩，說明在３０％摻量之后，固化劑對試塊抗沖刷性能的提升已沒有太大效果。因此，過多的摻加固化劑只會提高建造成本，對沖刷性能的提高沒有明顯效果。

３ 結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果和各摻量累計最大沖刷深度與時間變化曲線分析，對比含沙量為３５ ｋｇ／ ｍ３的渾水條件不同固化劑摻量和不同沖刷時長下試塊的沖刷程度，得出以下結(jié)論。

１）５％固化劑摻量的試塊沖刷０．５ ｈ 后已經(jīng)出現(xiàn)明顯的剝蝕沖刷現(xiàn)象，并出現(xiàn)大量孔洞，在水流沖擊下產(chǎn)生一條明顯的凹槽。隨著沖刷時間的延長，產(chǎn)生的凹槽逐漸加深，在沖刷２ ｈ 后，試塊出現(xiàn)裂縫，隨著沖刷時長的繼續(xù)增加，裂縫逐漸擴大直至徹底斷裂。

２）１０％固化劑摻量的試塊沖刷１ ｈ，其表面并未出現(xiàn)明顯的侵蝕現(xiàn)象，只在水流沖擊處出現(xiàn)塌陷并伴有細小孔洞，隨著沖刷時間的延長，塌陷深度逐漸加深，在沖刷１０ ｈ 后，塌陷深度達到最大值，但并未出現(xiàn)明顯的裂縫。相對于５％固化劑摻量的試塊，１０％摻量的試塊抗沖刷性能明顯提升，但還達不到工程實際需求。

３）２０％固化劑摻量的試塊沖刷２ ｈ 之內(nèi)，未出現(xiàn)明顯變化，２ ｈ 后水流沖擊造成的塌陷較為明顯，但相對１０％固化劑摻量的試塊，抗沖刷性能有所提升。直至沖刷１０ ｈ，試塊表面僅水流沖擊處侵蝕明顯。

４）３０％及４０％摻量的試塊沖刷１０ ｈ，均只出現(xiàn)輕微塌陷，并未受到嚴重侵蝕，其抗沖刷強度基本符合工程實際需求。

壩體材料沖蝕特性一直是困擾潰壩研究者的主要難題之一，本文將固化劑摻量作為控制因素進行土樣沖蝕特性試驗，根據(jù)不同工況下土樣試塊的沖刷特征分析其抗沖刷性能，認為固化劑摻量為３０％左右時抗沖刷性能最好。壩體材料在實際工程應(yīng)用中還需要滿足滲流、沉降、應(yīng)力應(yīng)變等多項指標，而固化劑摻量可能是影響這些指標的因素，因此后續(xù)的研究應(yīng)進行壩體材料性能綜合分析。

【責任編輯 張帥】