新型固化劑改良黃土抗沖刷性能試驗研究

張金良， 鄧偉杰， 李祿祿， 張廣禹， 蓋永崗

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室，河南 鄭州 450003)

黃土在我國陜西、青海、甘肅等西北部地區(qū)廣泛分布。天然黃土具有質(zhì)地松、顆粒細、強度低等特性，遇水后結構嚴重破壞[1]。黃河流經(jīng)上述省份后，攜帶大量泥沙而下，使得泥沙問題成為黃河的最突出問題。淤地壩在黃河流域淤地造田、滯洪攔沙等問題上發(fā)揮著重要作用[2-3]。然而，由于淤地壩為均質(zhì)土，抗沖刷性能不強，遇較大洪水時壩身易潰決，常帶來嚴重的洪水災害，極大地制約了淤地壩的發(fā)展[4-5]。近年來，隨著黃土固化劑的發(fā)展，在黃土中摻加不同類型固化劑以提高淤地壩抗沖刷性能已成為熱門課題[6,8]。張金良等[3]基于淤地壩新壩型結構、黃土固化新材料等，構建了高標準免管護淤地壩理論技術體系。楊小川[9]通過抗沖刷模型試驗，研究了生石灰、水泥和粉煤灰不同比例摻和對分散性土抗沖刷性能的提高效果，結果表明，1%生石灰、1%水泥和4%粉煤灰的組合提高分散性土抗沖刷性能的效果明顯。王銀梅等[10]利用邊坡頂端來流沖刷模型，研究了 SH 固化劑和固土植草相結合的方法加固黃土邊坡的抗沖刷性，發(fā)現(xiàn)SH 固化黃土坡面后，坡面徑流含沙量比黃土坡面的顯著減小。在土體抗沖刷試驗設備方面，許多學者也進行了研究，趙萬杰等[11]、樊俊杰等[12]、張強等[13]先后通過明渠水槽、環(huán)形水槽以及封閉有壓矩形管槽試驗，研究了黏性土的起動和沖刷特性。

上述研究中多以明渠水槽、環(huán)形水槽或封閉有壓矩形管槽進行試驗，難以提供試驗所需的流速和壓力，且制件存在標準化問題，進而限制了試驗的進行。本文針對上述問題，研發(fā)了一套新型的沖刷試驗設備，能夠提供不同的穩(wěn)態(tài)流速和恒定水壓，并可對流速和水壓進行實時監(jiān)測。采用該試驗裝置，重點研究了新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能以及齡期、壓實度和摻量對新型固化劑改良黃土抗沖刷性能的影響，以期對新型固化劑的改良效果做出評估，為進一步的工程應用提供參考依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

1.1.1 黃土

試驗用土樣取自山西省吉縣古賢工程壩址區(qū)黃土，黃土的最大干密度為1.74 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.0%，采用98.0%的壓實度，制樣干密度為1.71 g/cm3。各工況均按照此標準制備試樣(不同壓實度試驗除外)。

1.1.2 新型固化劑

研究中所用固化劑為自主研發(fā)的新型固化劑，其以礦渣、石膏為活性物質(zhì)，以水泥和成巖劑為堿性激發(fā)劑，固化劑外觀為灰色粉末狀，如圖1所示。

圖1 新型黃土固化劑

通過數(shù)次試驗，確定最優(yōu)配合比，黃土、固化劑、細砂按照 6∶3∶1 的比例摻和后，可明顯提高黃土的耐水性和水穩(wěn)定性。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，新型固化劑改良黃土的28 d無限側抗壓強度可以達到10 MPa以上，首次吸水后的吸水率隨齡期增長變化不大，30次凍融循環(huán)后強度損失率僅為20%左右，強度最小值仍遠大于素黃土強度。另外，該新型固結劑成本低廉，可大幅度降低工程費用。

1.2 試驗設備

筆者研制的抗沖刷試驗設備，主要包括沖刷試驗系統(tǒng)、循環(huán)供水系統(tǒng)、監(jiān)測測量系統(tǒng)、制樣附屬系統(tǒng)等，如圖2所示。該試驗設備能夠提供不同的穩(wěn)態(tài)流速和恒定水壓，對試樣進行長時間持續(xù)的沖刷，并可對流速和水壓進行實時監(jiān)測、對沖刷試驗過程進行觀察、對沖刷面積進行觀測、對沖刷質(zhì)量進行測量。

沖刷試驗系統(tǒng)包括漏斗狀進水段、圓筒狀試件套筒、漏斗狀出水段、密封圈和透水板等，能夠保證密封性，實現(xiàn)水流沿試件頂面預留縫隙進行沖刷的功能。循環(huán)供水系統(tǒng)包括水箱、數(shù)控變頻水泵、水泵穩(wěn)定器等，能持續(xù)提供0～40 m/s的沖刷流速。監(jiān)測測量系統(tǒng)包括電磁流量計、水壓力計等，可以監(jiān)測瞬時流量、累計流量以及水壓力。制樣附屬系統(tǒng)包括底座、成縫錐、上導土護環(huán)、固定螺栓、擊樣錘等，能夠制成中心預留長方形縫隙的標準抗沖刷試件，以保證制件質(zhì)量和試件標準化。

圖2 試驗儀器結構示意圖

試樣為圓柱體，結合土工試驗試樣尺寸及滲流試驗規(guī)范，制成的試件直徑為61.8 mm、高度為40 mm。試樣的沖刷縫隙為長方形，縫隙的截面積設計為其百分之一，即30 mm2。為保證試樣顆粒被沖蝕掉后能順利地被水流帶走，縫隙的尺寸為2 mm×15 mm(土壤顆粒粒徑一般小于0.5 mm，設置縫隙的最小尺寸為0.5 mm的4倍，即為2 mm)。

制好的抗沖刷試件安裝在沖刷試驗系統(tǒng)中，通過循環(huán)供水系統(tǒng)提供不同的穩(wěn)態(tài)流速和恒定水壓對試件進行沖刷，通過監(jiān)測測量系統(tǒng)對流速和水壓進行記錄。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗過程

1)制樣。試驗采用重塑黃土，按照一定的配方、密度、含水率，在制樣附屬系統(tǒng)內(nèi)制備長方形孔試樣，養(yǎng)護至試驗齡期，試驗前進行抽氣飽和。

2)裝樣。擦去試樣表面水分，稱其質(zhì)量并記錄，對試樣兩端進行拍照。將試樣推入圓筒狀試件套筒，并對上下端進行密封，擰緊螺栓。

3)試驗。啟動水泵，設定流速，每隔一段時間，拆卸試樣擦干表面稱其質(zhì)量、記錄并拍照。

1.3.2 試驗方案

為驗證新型固化劑摻入后對黃土抗沖刷性能的影響，設置了對照組，研究相同工況下素黃土與新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能。研究不同齡期、壓實度以及摻量對新型固化劑改良黃土抗沖刷性能的影響。具體試驗方案見表1，每組工況各進行3次試驗，取平均值作為結果進行分析。

表1 試驗工況

為評價新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能，定義沖刷流速V，縫隙內(nèi)水流的平均斷面流速，單位m/s，計算公式見式(1)。沖蝕率N為某一流速下，持續(xù)沖刷t小時后的質(zhì)量損失占原試件質(zhì)量的百分比，計算公式見式(2)?？箾_刷強度R為單位面積上沖蝕損失1 g試樣所需要的小時數(shù)，單位為(h·cm2)/g，計算公式見式(3)。最大抗沖刷流速Vmax，指試件在某一沖刷流速作用下，開始產(chǎn)生沖刷破壞的臨界速度，單位為m/s。

(1)

式中：Q為水循環(huán)系統(tǒng)流量，由流量計監(jiān)視器讀取，m3/h；a為試樣內(nèi)縫隙的截面積，cm2。

(2)

式中：M0為試樣沖刷前的質(zhì)量，g；Mt為某一流速下，試件持續(xù)沖刷t小時后的質(zhì)量，g。

(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(fā)生沖刷破壞后，縫隙的形狀不再規(guī)則，為了便于分析，這里認為沖刷過程中縫隙的表面積不變)，cm2；t為沖刷試樣的時間，h。

2 試驗與分析

2.1 新型固化劑改良黃土抗沖刷試驗

以素黃土摻30%新型固化劑作為試驗組，以素黃土作為對照組，均壓實至98%壓實度，并同條件養(yǎng)護28 d后進行試驗。

素黃土的抗沖刷能力較弱，在低沖刷流速、短時間作用下即發(fā)生沖刷破壞。因此，在試驗時設定沖刷流速恒為5 m/s，通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，歷時1.8 h素土試樣已被嚴重沖蝕，結果如圖3所示。圖4給出的是素黃土沖蝕率隨沖刷時間的變化關系。結合圖3和圖4可以看出：進行沖刷試驗時，素黃土在較短的時間(0.8 h)內(nèi)，就發(fā)生了沖蝕；沖蝕先從出水面開始，出水口首先沖蝕加大，進而向進水面發(fā)展；隨著沖蝕程度加深，下游面逐漸演變成漏斗狀剝離，進水面也受到剝蝕，程度弱于出水面；最終，素黃土試樣的出水口面積變?yōu)樵瓉淼?0倍左右，沖蝕率為21.5%。

圖3 素黃土抗沖刷試驗結果

圖4 素黃土沖蝕率隨沖刷時間變化關系

新型固化劑改良黃土在低沖刷流速、長時間作用下并未發(fā)生沖刷破壞，故試驗時不斷提高沖刷流速來觀察并確定新型固化劑改良黃土的抗沖刷效果，結果如圖5所示。圖6給出的是新型固化劑改良黃土沖蝕率隨沖刷時間變化關系。結合圖5和圖6可以看出：經(jīng)新型固化劑改良后的黃土，試樣的抗沖刷性能很強，能夠長時間抵抗水流沖刷而不發(fā)生沖蝕，從樣品表面觀察不到?jīng)_蝕，試樣的進、出水口面積幾乎不變；在沖刷流速為21 m/s時，沖刷2 h后，新型固化劑改良黃土的沖蝕率幾乎為零；隨著沖刷流速的不斷提高，新型固化劑改良黃土才發(fā)生微弱沖蝕，當沖刷流速提升為29.5 m/s，累積沖刷11 h后，新型固化劑改良黃土的最終沖蝕率僅為0.19%。

圖5 新型固化劑改良黃土抗沖刷試驗結果

圖6 新型固化劑改良黃土沖蝕率隨沖刷時間變化關系

為進一步分析新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能，圖7給出了素黃土和新型固化劑改良黃土抗沖刷效果對比圖。由圖7可知：素黃土的抗沖刷強度為0.6 (h·cm2)/g，最大抗沖刷流速為6.3 m/s;新型固化劑改良黃土的抗沖刷強度為296 (h·cm2)/g，最大抗沖刷流速為32.2 m/s，相比素土其抗沖刷強度提高了約492倍，故該新型固化劑對于提高黃土的抗沖刷性能具有明顯效果。

圖7 素黃土和新型固化劑改良黃土抗沖刷效果對比

2.2 不同齡期新型固化劑改良黃土抗沖刷試驗

養(yǎng)護齡期是研究固化劑性能的一個重要參數(shù)，素土中摻入固化劑，固化劑中的礦物元素與土起反應，形成新的結合體。為此，在固化劑摻量、壓實度相同的條件下，試驗研究了7、14、28 d 3種齡期新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能。試驗時設定沖刷流速為35 m/s，沖刷時間為8 h，試驗結束后分別計算各試件的沖蝕率和抗沖刷強度，試驗結果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著齡期的增長，試樣沖蝕率逐漸減小，抗沖刷強度不斷增大，但沖蝕率和抗沖刷強度隨齡期的變化呈非線性，14 d和28 d齡期新型固化劑改良黃土的沖蝕率和抗沖刷強度變化速率降低。由此可見，該新型固化劑能夠與土快速反應，短時間內(nèi)其抗沖刷性能就能得到很大提升。

圖8 不同齡期新型固化劑改良黃土沖蝕率、抗沖刷強度變化關系

2.3 不同壓實度新型固化劑改良黃土抗沖刷試驗

齡期、固化劑摻量相同時，新型固化劑改良黃土的干密度也會對其抗沖刷性能有一定的影響，試驗同樣在沖刷流速35 m/s、沖刷時間8 h的條件下進行，研究5種壓實度(90%、92%、94%、96%、98%)條件下新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能，試驗結果如圖9所示。從圖9可以看出：試件的沖蝕率隨著壓實度的提高而降低，抗沖刷強度隨壓實度的增大而增大；壓實度對新型固化劑改良黃土抗沖刷性能的影響較大，壓實度為96%的新型固化劑改良黃土的抗沖刷強度約為壓實度為90%的新型固化劑改良黃土的10倍；新型固化劑改良黃土抗沖刷強度隨壓實度的增長也呈非線性，在壓實度提高前期(90%提高到94%)，新型固化劑改良黃土抗沖刷強度提升不明顯，當壓實度提高到96%時，新型固化劑改良黃土抗沖刷強度明顯提升，而在壓實度提高后期(96%提高到98%)，新型固化劑改良黃土抗沖刷強度的提升又變得不明顯。

圖9 不同壓實度新型固化劑改良黃土沖蝕率、抗沖刷強度變化關系

2.4 不同摻量新型固化劑改良黃土抗沖刷試驗

齡期和壓實度相同時，新型固化劑的摻量會對改良黃土的抗沖刷性能產(chǎn)生影響。試驗同樣在沖刷流速35 m/s、沖刷時間8 h的條件下進行，研究3種摻量(10%、20%、30%)新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能，試驗結果如圖10所示。

圖10 不同摻量新型固化劑改良黃土沖蝕率、抗沖刷強度變化關系

從圖10可以看出：隨著新型固化劑摻量的增加，改良黃土的沖蝕率逐漸降低，抗沖刷強度逐漸增大，且抗沖刷強度與新型固化劑的摻量呈線性關系；當新型固化劑摻量較小時(10%)，改良黃土的抗沖刷性能已得到很大提升，當繼續(xù)增加新型固化劑摻量時，改良黃土的抗沖刷性能雖有提高，但提高幅度不明顯。如新型固化劑摻量從10%提高到30%后，改良黃土的抗沖刷強度從260 (h·cm2)/g提高到296 (h·cm2)/g，僅提高12.2%，與素黃土摻加10%新型固化劑后抗沖刷強度提高492倍相比，提高幅度并不明顯。可見，在考慮成本因素時，一味地增加固化劑的摻量是不經(jīng)濟的，而應結合具體的黃土特性，尋找最優(yōu)固化劑摻量。

3 結論

1)自主研發(fā)的抗沖刷試驗設備能夠提供不同的穩(wěn)態(tài)流速和恒定水壓，可以對試樣進行長時間持續(xù)的沖刷，并可對流速和水壓進行實時監(jiān)測，還可以對沖刷試驗過程進行觀察、對沖刷面積進行觀測、對沖刷質(zhì)量進行測量，能夠滿足土體抗沖刷試驗的研究要求。

2)與素黃土相比，新型固化劑改良黃土在流速大、沖刷時間長的情況下，沖蝕率依然小于素黃土?？梢姡?jīng)新型固化劑改良后的黃土其抗沖刷強度明顯提高。

3)新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能隨齡期的增長而增強，且與黃土反應迅速，短時間內(nèi)抗沖刷性能就得到了很大提升。

4)新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能隨其壓實度的增大而增強；在壓實度提高初期和后期，抗沖刷性能提高速率較慢；在壓實度提高中期，抗沖刷性能提高速率較快。

5)新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能隨新型固化劑摻量的增加而增強，且呈線性關系。當新型固化劑摻量較小時，改良黃土的抗沖刷性能已得到很大提升。

6)新型固化劑改良黃土的抗沖刷性能技術指標能夠滿足土壩過流而不潰決的要求，可用于淤地壩建設。