新型淤地壩固化土表面動水沖刷試驗研究

摘 要：【目的】為解決淤地壩壩身過流難題，需要通過試驗研究判定固化土表面的抗沖蝕特性?！痉椒ā楷F階段，固化土表面動水沖刷試驗還沒有相應的設備和方法標準。因此，通過研發固化土表面動水沖刷試驗設備，制定固化土表面動水沖刷試驗方法，對新型淤地壩固化土進行試驗研究。【結果】結果表明，新型固化劑含量為10%的固化黃土，其表面可承受30 m/s的水流沖刷，證明新型淤地壩壩體具有較好的抗沖蝕能力?！窘Y論】試驗研究表明，固化土表面的抗沖蝕特性可以通過沖蝕起動流速、某流速下的沖蝕率及表面沖蝕強度進行判斷，研究成果可以作為固化土抗沖蝕特性的評價標準。

關鍵詞：淤地壩；固化土；表面抗沖蝕；試驗設備；新型固化劑

中圖分類號：TV698.2" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0036-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.008

Experimental Study on Dynamic Water Scrubbing on the

Surface of New Silt Dam Solidification Soil

ZHANG Guangyu" "DU Weichang

（Jianghe Anlan Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： [Purposes] In order to overcome the problem of silt dam overflow， it is necessary to determine the surface resistance of solidified soil to crushing through experimental research. [Methods] At the current stage， there are no corresponding equipment and method standards for water rushing tests on the surface of the solidified soil. Therefore， through the research and development of the surface hydrodynamic scouring test equipment of the solidified soil， the test method of the surface of the solidified soil was formulated， and the experimental research was carried out on the solidified soil of the new silt dam. [Findings] The results show that the surface of solidified loess with 10% of new type solidifying agent can withstand the erosion of 30 m/s current， which proves that the new type silt dam has better anti-erosion ability. [Conclusions] Experimental research shows that the anti-erosion characteristics of the surface of hardened soil can be judged by the starting velocity of erosion， the erosion rate at a certain velocity and the surface erosion intensity，which can be used as the evaluation standard of the anti-erosion properties of hardened soil.

Keywords： silt dams; solidified soil; surface resistance to erosion; testing equipment; new types of curing agent

0 引言

黃河泥沙問題突出，建設淤地壩可以調節洪水徑流，減輕水患災害，攔蓄溝道泥沙，是防治水土流失的重要工程措施之一。但由于淤地壩是均質土壩結構，土體的抗沖蝕能力極低，一旦遭遇超標準洪水就有漫壩潰壩風險。為了解決淤地壩病險問題，降低管護壓力，針對淤地壩的研究逐漸深入。張金良等［1］構建了高標準免管護淤地壩理論技術體系，研發了新型黃土固化劑［2］用于壩體防護，使淤地壩穿上“防護衣”，大大提高了壩體的抗沖蝕能力，解決了淤地壩壩身過流難題。

以往采用水溶性高分子聚合物［3-5］或由幾種固體顆?；旌隙傻墓袒瘎?，6］固化黃土，且針對固化黃土的質量暫無統一的測試方法。在新材料、新技術應用于工程之后，固化土表面抗沖刷能力有多大提升，需要配套的試驗設備、試驗方法和評價標準進行檢驗檢測，這種試驗體系也應適用于溢洪道、泄洪洞等其他工程實體表面承受高速水流沖刷的沖蝕特性研究。此前一些學者對土體抗沖刷試驗進行了大量的研究。王彥東等［7］研究了沖刷對崩滑堆積體的影響。馬建軍等［8］對樁基受沖刷失穩進行了研究。段海澎等［9］研究了不同邊坡巖性的沖刷破壞模式。安寧等［10］研究了加筋黃土的抗侵蝕性能。李娜等［11］進行了土石結合部的接觸沖刷試驗，得出滲透水流平行穿過兩種透水性差別較大的土體時接觸帶土體顆粒的移動規律，以解決潛在工程地質災害。王兆耀等［12］通過水槽試驗及數值模擬研究海洋工程大直徑單樁在波流作用下的局部沖刷特性，指出了局部沖刷的空間發展規律及沖刷穩定狀態。趙高文等［13］研究了不同密度的滑坡堰塞壩漫頂潰決特性，指出密度不同壩體潰決形式與進展過程不同。裴向軍等［14］利用斜坡水槽試驗研究指出，用改性鈉羧甲基纖維素（簡稱改性CMC）溶液拌和原狀土表層形成的固化層可對土質斜坡起到加固、防滲與抗沖蝕作用。還有一些學者從試驗樣品、試驗設備、試驗方法等方面對土體表面抗沖刷試驗［15-17］進行了研究，取得了一定的研究成果。但對于固化土而言，其土體表面沖刷并沒有一個明確的定義，也沒有統一的試驗設備、試驗方法和評價標準等。

高標準免管護淤地壩采用新型固化劑固化土，使固化黃土的表面抗沖蝕能力大大增強，解決了淤地壩壩身過流難題。因此，為研究判定固化土表面的抗沖蝕特性，結合滲透變形試驗的方法標準，本文研發了專用的固化土表面抗沖蝕試驗設備，通過大量試驗得到了固化土表面抗沖蝕試驗方法，并提出了固化土抗沖蝕特性的評價標準。最后，通過抗沖蝕試驗，驗證采用新型固化劑的淤地壩壩體的抗沖蝕能力。

1 試驗設計

1.1 研究思路

滲流的形式可以歸納為穿過試樣內部的滲透和試樣表面的沖刷兩種，具體如圖1所示。

穿過試樣內部的滲透分為單一滲透和復合滲透。單一滲透為一種試樣在壓力水頭作用下的滲透變形；復合滲透為多種試樣組合體在壓力水頭作用下的滲透變形，當試樣層面與滲透方向垂直時形成反濾，當試樣層面與滲透方向平行時形成接觸沖刷。

試樣表面的沖刷水流方向不定，沖刷水流V可分解為水平沖刷VH和垂直頂沖VV，頂沖VV可繼續分解為徑向水平沖刷V1。因此，水平沖刷是表面沖刷的基本形式。

水平沖刷試驗一般采用斜坡水槽，利用水槽的坡度提升沖刷流速。但水槽的坡度是有限的，所能提供的最大沖刷流速有限，坡面上流速亦不均勻，適用于沖刷流速不大的試驗。改性土、固化土、水泥需要很大的流速才能發生沖蝕，且需要把水槽加上蓋，以增大壓力差產生較大流速沖刷水流。但加蓋水槽提高沖刷流速的效果有限，隨著水頭的提升，水槽加蓋密封難度增加，很容易沿密封膠條及管件連接處漏水。另外，在長方形水槽內制樣也有難度，邊角部位壓實密度往往欠佳，由于需要預留一個臨空面作為沖刷表面，表面壓實密度往往比土體內部要小，土體壓實不均勻。

將水槽沿蓋板進行鏡像處理，可省去二者之間的蓋板，沖刷的表面“移入”土體之間，成為一條縫隙，同樣水流增加了一倍的沖刷效果，如圖2所示。同時避免了沖刷水流與蓋板之間復雜的邊界條件。為使表面沖刷的邊界條件更趨簡化，進一步收縮沖刷表面的寬度，使沖刷表面的縫隙“移入”土體內部，帶來的好處是利于制樣。為便于設備的加工制造、安裝止水，將方形水槽簡化為圓形。

試樣尺寸選擇接近規范標準，考慮試樣最大顆粒直徑的尺寸影響以及高壓力水頭作用下的止水形式，選用滲透環刀作為試樣的筒身段。

1.2 試驗設備

固化土表面抗沖刷試驗設備包括表面沖刷試驗儀、循環供水系統、監測測量系統、制樣器等。該儀器能夠提供不同恒定水壓下的穩態流速，對試樣進行長時間持續的沖刷，并可對流速和水壓進行實時監測，對沖刷進程實時觀察，對沖蝕面積、質量進行測量。

循環水系統包括容量為2 m3的水箱、數控變頻水泵。數控變頻水泵的頻率調節范圍為0～50 Hz，通過變頻調節，可以提供每小時0～5 m3的流量，保持0～100 m的水頭壓力，針對該試驗儀器，持續提供0～40 m/s的沖刷流速。水泵連接一個穩壓罐，以保證循環供水系統壓力穩定，將供水管道串聯流量計，可以實時監測供水流量大小。

表面沖刷試驗儀如圖3所示。其進水段設置一個測壓閥，用以連接壓力表。儀器分3段通過法蘭連接，采用O形橡膠圈止水。進水段設計為漏斗狀以使水流平順，通過快插接頭連接進水口，進水段設置快速接頭測量進口水壓，壓力表連接電子開關，可自動控制水泵開關，實現過壓保護；試樣為圓筒狀，內嵌標準滲透試驗環刀（內徑61.8 mm、高40 mm），環刀通過上端的O形橡膠圈止水。試樣兩端設置透水板以固定試樣；出水段與進水段同樣設計成漏斗狀，以使出水口水流平順。最終，出水口水流流回水箱，形成循環水流。

制樣器由底座、環刀、壓環、連接螺栓、成縫楔、導筒、壓錘、擊錘組成。成縫楔斷面尺寸為2 mm×15 mm，高80 mm，頂部長邊削角。底座中心設置2.4 mm×15.4 mm的垂直縫隙，成縫楔從中穿過。壓錘中心對應設置2.4 mm×15.4 mm的垂直縫隙，成縫楔可以從中穿入。由制樣器制成的試樣直徑為61.8 mm，高為40.0 mm，縫隙尺寸為2 mm×15 mm。

1.3 試驗方法

沖刷流速v為縫隙內水流的平均斷面流速，見式（1）。沖蝕率N為某一流速下，持續沖刷t小時后的質量損失占原試件質量的百分比，見式（2）?？箾_蝕強度R為1 cm2面積上沖蝕損失1 g試樣所需要的小時數，（h·cm2）/g，見式（3）。最大抗沖蝕流速Vmax指試件在該流速沖刷作用下，開始產生沖蝕破壞的臨界速度，m/s。

[v=2.778Qa]" " " " " " " " "（1）

式中：Q為水循環系統流量，由流量計監視器讀取，m3/h；a為試樣內縫隙的截面積，cm2。

[N=M0-MtM0]" " " " " " " " " （2）

式中：M0為試樣沖刷前的質量，g；Mt為某一流速下，試件持續沖刷t小時后的質量，g。

[R=S?tM0-Mt]" " " " " " " " " （3）

式中：S為試樣縫隙的受水沖刷面積，即縫隙的表面積，由于試件發生沖刷破壞后，縫隙的形狀不再規則，為了便于分析，假設沖刷過程中縫隙的表面積不變，cm2；t為沖刷試樣的時間，h。

出射流速為沖刷水流突然脫離沖刷表面形成的流速。百努里方程見式（4）。其中，[Pr]為進口的水頭高度H，m，出射流速v2見式（5）。

[Z1+p1r+u212g=Z2+p2r+u222g]" " （4）

[v2=v2+2gH]" " " " " " " "（5）

1.4 判定標準

土體在表面沖刷作用下是否發生沖蝕，主要取決于兩個因素，一是沖刷水流速度的大小，二是沖蝕率，即單位面積、單位時間內的質量損失。沖蝕率的另外一種表達方式是抗沖蝕強度，即單位面積上沖蝕損失一定質量（1 g）所需的小時數。依據表面沖刷試驗研究成果，材料的抗沖蝕能力強弱劃分為四級，即強沖蝕、較強沖蝕、弱沖蝕、不沖蝕。材料抗沖蝕能力分級及參數范圍見表1。

2 工程應用

高標準免管護淤地壩采用新型固化劑固化土，本節對素土黃土和固化黃土分別進行了表面抗沖刷對比試驗。素土黃土取自山西省吉縣古賢工程壩址區，物性指標為最大干密度為1.74 g/cm3，最優含水率為17.0%，壓實度為98.0%對應的干密度為1.71 g/cm3。固化黃土采用黃河設計院研發的新型黃土固化劑與上述素土黃土按照一定比例配合而成。固化黃土表面抗沖刷試驗的變量組合見表2。

2.1 素土黃土與固化黃土的表面沖刷試驗對比

壓實度為98%的素土黃土與固化黃土進行表面沖刷試驗的結果見表3，其中固化黃土的固化劑含量m=30%，壓實度η=98.0%，齡期t=7 d。素土黃土隨時間的沖蝕變化情況如圖4所示，固化黃土隨時間的沖蝕變化情況如圖5所示。

由表3可知，素土黃土在0.47 m的水頭作用下會產生5.36 m/s的沖刷流速，出射流速為6.16 m/s，該流速下的沖蝕率為1.626 g/h·cm2，抗沖蝕強度為0.6 h·cm2/g。由圖4可知，1.5 h內，試樣受到嚴重沖蝕，縫隙擴展約10倍；固化黃土采用多級水頭逐級沖刷，每級水頭沖刷2.0 h，無沖蝕時增大水頭繼續沖刷，末級水頭85.58 m，沖刷流速34.70 m/s，出射流速為53.68 m/s，該流速下沖蝕率為0.003 g/h·cm2，抗沖蝕強度為810.2 h·cm2/g。由圖5可知，試樣末級經歷2.0 h沖刷后，縫隙無太大變化，試樣未受沖蝕。通過試驗對比可知，素土黃土在流速5.36 m/s的水流沖刷下，1.5 h受到嚴重沖蝕，而固化黃土在流速34.70 m/s的水流沖刷下，沖刷2.0 h未被沖蝕。由此可知，固化黃土的抗沖蝕性能遠高于素土黃土。

2.2 不同固化劑摻量的固化黃土表面沖刷試驗對比

采用多級水頭逐級沖刷不同固化劑摻量下固化黃土的表面，每級水頭沖刷1～2 h，無沖蝕變化時，增大水頭繼續沖刷，發生沖蝕時，以該級水頭繼續沖刷，試驗結果見表4，其中固化黃土的壓實度η=98.0%，齡期t=7 d。不同固化劑摻量下固化黃土表面隨時間沖蝕變化情況如圖6所示。由表3和圖6綜合分析可知，固化黃土的抗沖蝕能力隨著固化劑含量的增加而提高，當固化劑含量提高到30%時，在34.70 m/s的流速下亦不發生沖蝕。并且，當試樣發生沖蝕時，出口端比進口端沖蝕更嚴重，其主要原因是出射流速突然增大。

2.3 不同壓實度的固化黃土表面沖刷試驗對比

不同壓實度下固化黃土的表面沖刷試驗結果見表5，其中固化黃土的固化劑含量m=30%，齡期t=7 d。由表5可知，試樣的沖刷流速大于35 m/s，沖蝕率均小于0.05 g/h·cm2，抗沖蝕強度均大于20 h·cm2/g，隨著壓實度增大，抗沖蝕強度明顯增大。

3 結論

①本研究明確了土體表面沖刷與其他滲流破壞形式的區別，對于解決具體的工程問題有了針對性的技術。

②本研究立足于對土體表面沖刷破壞問題的評價，研發了專用的試驗設備，通過大量試驗與對比分析，形成了土體表面抗沖刷試驗方法。

③為促進該項試驗技術的應用與推廣，提出了土體表面抗沖蝕特性的判定標準，即量化了土體表面抗沖刷試驗的結果。

④本研究對新型淤地壩固化黃土進行了土體表面沖刷試驗研究，結果表明，摻加10%固化劑后的素土黃土，其抗沖蝕特性大大提高；固化黃土的抗沖蝕特性隨著固化劑摻量、齡期、壓實度的增加而增大，其中固化劑摻量的影響最大。新型淤地壩壩體表面可以承受30 m/s的水流沖刷。

⑤土體表面沖刷試驗技術可以用來評價河底土體沖刷、河道岸坡沖刷、土壩壩身過流沖刷等，在工程實踐中具有廣闊的應用前景。

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