土質密度法應用于河湖底泥分層的可行性研究

柴志勇，王 冰

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 引言

底泥是河湖庫塘等水域底部淤積土的總稱，主要為淤泥土。淤泥土類是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積或伴有生物化學作用形成的黏性土，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0[1]。當河湖庫塘淤積量較大時，將直接影響水環(huán)境質量、行洪能力和通航安全，需要對底泥進行探測調(diào)查，摸清各層底泥分布情況，從而為底泥生態(tài)清淤工作提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

參照相關規(guī)范要求，目前淤泥性土的劃分主要取決于含水率和孔隙比2 個指標。其中，含水率是指土體中自由水質量與烘干后土粒質量的比值；孔隙比是指土體空隙總體積與固體顆粒的總體積之比。根據(jù)《疏浚與吹填工程設計規(guī)范》[2]中疏浚巖土分類指標，河湖底泥可分為浮泥、流泥和淤泥，其分類指標詳見表1。

根據(jù)《港口巖土工程地質勘察規(guī)范》[3]中淤泥性土分類，將河湖底泥細分為淤泥質土、淤泥和流泥，其分類指標詳見表2。

表2 淤泥性土質分類

2 原理與方法

目前我國最常用的底泥調(diào)查技術為聲波探測法[4]。其原理是利用普通回聲測深儀向水底發(fā)射低頻聲波信號，聲波到達水底后，部分聲波被反射而另一部分聲波將穿透水底。反射回波的信號強度取決于水底沉積層的密度變化。這種密度變化被定義為“密度梯度”。反射信號的幅度大小是由反射層的密度梯度確定的，密度梯度越大，反射信號越強。由于聲波的反射和密度梯度之間的關系是已知的，即每一次反射都是因為密度的梯度變化引起的，這樣就可以對密度的梯度進行定量化處理。

目前底泥分層的主要依據(jù)是含水率和孔隙比，這兩項指標無法通過聲波探測法直接獲取，需要對泥樣進行土工試驗后處理獲取，不能實現(xiàn)實時分層。基于此，提出了基于土質密度法對河湖底泥進行分層的新方法。具體方法為：根據(jù)項目需求采用取樣器在工作區(qū)域內(nèi)均勻取泥樣，將泥樣均勻分層后進行土工試驗，確定密度、含水率、孔隙比等特征值。根據(jù)測區(qū)底泥樣品試驗數(shù)據(jù)建立密度與含水率、密度與孔隙比之間的數(shù)學關系，根據(jù)表1 與表2中的浮泥、流泥、淤泥的含水率與孔隙比界值進行密度反算，獲取各底泥樣品分層的密度界值，從而為該區(qū)域內(nèi)底泥合理分層及底泥調(diào)查設備的密度標定提供依據(jù)。

3 試驗案例

以上海市青浦區(qū)淀山湖區(qū)域為測試地點，對本文提出的基于土質密度對河湖底泥進行分層新方法的可行性進行驗證。

3.1 底泥取樣

在淀山湖區(qū)域內(nèi)均勻布設146 個取樣點，采用重力柱狀取樣器進行底泥取樣，利用切片對底泥樣品進行切割。為保證底泥分層精度，每5 cm 作為1 個切割單元，切分后放入定制鋁盒容器，最終獲得1 694組底泥樣品。

3.2 底泥樣品物理指標測定

（1）密度測定。樣品運到實驗室后首先進行密度測定，密度按照下式計算：

式中：ρ0為樣品密度值（g/cm3）；m為鋁盒和樣品整體重量（g），由天平秤重獲取；ml為鋁盒容器質量（g）；Vl為鋁盒容器體積（cm3）。

（2）含水率測定。密度測定完成后，將底泥樣品在105～110 ℃的恒溫下烘至恒量，烘干后，通過下式計算得到底泥樣品的含水率。

式中：m0為泥樣濕重（g）；md為泥樣干重（g）。

（3）孔隙比測定。孔隙比具體計算步驟如下[5]。

先根據(jù)已知的泥樣含水率ω計算每個泥樣土體飽和重度γ：

再根據(jù)上面計算得出的土體飽和重度γ與含水率ω計算土粒比重ds：

式中：γ為土體飽和重度（kN/m3）；γw為水的自重（kN/m3），取9.8 kN/m3。

最后，根據(jù)計算得出的土粒比重ds、土體密度ρ及含水率ω計算得出各泥樣的孔隙比e：

式中：ρw為4 ℃下純蒸餾水的密度（g/cm3），取1.0 g/cm3；其余變量含義同上。

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

以最小二乘法為擬合準則，使用相應最佳的擬合函數(shù)對密度與含水率、孔隙比三者之間進行了函數(shù)擬合，擬合結果如下。

（1）含水率與密度關系。以含水率為自變量，以密度為因變量，采用對數(shù)函數(shù)擬合最佳，擬合相關系數(shù)為0.874 7，含水率與密度函數(shù)關系曲線如圖1 所示，函數(shù)關系式為：

圖1 含水率與密度函數(shù)關系曲線

（2）孔隙比與密度關系。以孔隙比為自變量，以密度為因變量，采用線性函數(shù)擬合最佳，擬合相關系數(shù)為0.925 3，孔隙比與泥樣密度函數(shù)關系曲線如圖2所示，函數(shù)關系式為：

圖2 孔隙比與泥樣密度函數(shù)關系曲線

3.4 密度界值計算

（1）以含水率為分類基準。參照表1 中底泥以含水率為分類基準，定義含水率大于150%的為浮泥，含水率在85%~150%的為流泥，含水率在55%~80%的為淤泥。將150%、85%、55%三個含水率分界值輸入式（1）得到各泥層相對應的密度界值，結果詳見表3。

表3 淤泥性土質分類

從計算結果可以看出，依據(jù)《疏浚與吹填工程設計規(guī)范》的分類標準，淀山湖區(qū)域浮泥與流泥密度分界值為1.32 g/cm3，流泥與淤泥的密度分界值為1.51 g/cm3，淤泥與淤泥質土的密度分界值為1.67 g/cm3。

（2）以孔隙比為分類基準。參照表2 中底泥以孔隙比為分類基準，定義孔隙比大于或等于2.4的為流泥，孔隙比位于1.5～2.4 的為淤泥。按照此分類標準，將各分層孔隙比界值帶入式（2）得到密度的分界值，結果詳見表4。

表4 淤泥性土質分類

依據(jù)《港口巖土工程地質勘察規(guī)范》的分類標準，淀山湖區(qū)域流泥與淤泥密度分界值為1.49 g/cm3，淤泥與淤泥質土的密度分界值為1.71 g/cm3。

3.5 密度界值確定

以上2 種分類計算結果總結如下：浮泥與流泥密度分界值為1.32 g/cm3，流泥與淤泥的分層密度界值分別為1.51、1.49 g/cm3，淤泥與淤泥質土的分層密度界值分別為1.67、1.71 g/cm3。淀山湖區(qū)域底泥分層密度界值，詳見表5。

表5 淀山湖區(qū)域淤泥性土質分層的密度界值

4 結論與展望

本文以上海市青浦區(qū)淀山湖區(qū)域底泥為研究對象，通過湖區(qū)底泥取樣試驗，獲取了大量底泥樣品的密度、含水率及孔隙比等物理特性數(shù)值，采用最小二乘法原理的擬合方法，建立密度與含水率、密度與孔隙比函數(shù)關系。將規(guī)范分類指標界值代入計算公式最終獲取淀山湖區(qū)域浮泥、流泥、淤泥及淤泥質土之間的密度界值，為整個淀山湖區(qū)域底泥分層及密度法在河湖底泥調(diào)查技術中的應用提供了依據(jù)。

通過本文的試驗與論證，證明了以土質密度法對河湖底泥分層這一新方法的可行性與實用性。通過對區(qū)域內(nèi)進行部分底泥取樣，反算得出各分層底泥的密度界值，為全區(qū)域底泥調(diào)查提供準確的密度法分層標定依據(jù)，從而實現(xiàn)河湖底泥快速、實時分層，進而獲取各分層底泥的淤積厚度、淤積總量，為河湖生態(tài)清淤工作提供了技術支撐。