大伙房水庫護坡土壤滲透影響因素研究

劉迎雪

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113006)

隨著我國水利基礎設施建設的不斷發展，水庫成為調控水資源的有效方式之一。做好水庫的防滲措施，能夠充分利用水資源，擴大農業灌溉面積與工業供給范圍[1]。水庫邊坡防滲對地下水及地表水具有更加有效的調控作用，降低了因滲漏造成的潰壩塌壩事故的可能性。因此，提高水庫護坡土的抗滲性已勢在必行[2]。國內外學者對水庫護坡土壤的滲透性做了大量科學探索，并取得了豐碩的成果。闕云等[3]對淤泥不同齡期的強度變化進行了研究，表明水泥摻入比對28d和90d強度的增長規律影響甚微；諶柳明等[4]探究了周圍水壓力對水泥土滲透性的影響規律，發現隨著圍壓的增大滲透系數不斷減小并趨于穩定；Mohamm ad等[5]研究表明黏土顆粒與水泥水化產物之間發生硬凝作用、離子交換等反應，能夠有效提高土壤的整體穩定性。本文以大伙房水庫護坡土為研究對象，通過室內滲透試驗、壓汞試驗研究了齡期、水泥摻量、固化劑摻量等三種因素對土壤滲透性的變化規律，該研究成果及分析理論可以為水庫規劃建設提供一定的借鑒價值和理論依據。

1 試驗材料與方法

大伙房水庫總庫容21.87億m3，最大蓄水面積114km2，最大庫容量為21.87億m3，興利庫容12.76億m3，水庫最大水深37m，防洪庫容11.82億m3，水庫東西長約35km、水面最窄處約0.3km，最寬處達4km，入庫河流有社河、蘇子河、渾河。試驗用土為大伙房水庫護坡黏土；水泥為P·O42.5水泥；固化劑為離子固化劑，主要成分為納米級Al3+無機溶液；試驗過程中用到的水均為自來水。

土樣試件尺寸為50cm2×5cm的圓柱體，試件制作步驟如下：土樣置于110℃的烘箱中烘干12h，碎土器破碎，過5mm細篩。將固化劑按照一定濃度進行配比并溶于水中，用玻璃棒將土與水攪拌均勻，密封靜置24h；取出已接觸均勻的土與水，加入一定量的水泥，并將其倒入套筒，用制樣儀制樣，并放置標準養護室養護至規定齡期，取出試件進行滲透系數指標測試[6- 7]。

為了研究各因素對邊坡土壤滲透性的影響，設計10組不同配比的土樣進行滲透、壓汞試驗分析，試驗方案見表1。其中，試驗配比通過代號進行表示，如S12G5Y7表示水泥摻量為12%，固化材料摻量為5%，養護期為7d。

2 結果分析

2.1 固化劑摻量對滲透系數的影響

不同固化劑摻量條件下的滲透試驗曲線，如圖1所示。可以看出，隨著固化劑摻量的增加，滲透系數先增大后減小。對比分析可知，固化劑摻量小于1%時，隨著固化劑摻量的增加，土壤的滲透系數不斷增大。固化劑摻量為1%～3%時，滲透系數顯著降低；固化劑的摻量為3%～5%時，土壤滲透系數降幅減緩。一方面土壤表面的鉀、鈉離子與鋁離子發生交換，削弱了土壤顆粒的吸水能力；另一方面土壤顆粒表面的正離子與固化劑中的負離子發生中和反應，土壤顆粒表面的雙電層結構遭到破壞，土壤表面迅速板化，結構趨于穩定。

表1 試驗方案

圖1 固化劑不同摻量室內滲透試驗曲線

進汞曲線反映改良土的內部孔隙體積變化，固化劑不同摻量的進汞曲線如圖2所示，對比發現，固化劑摻量較少時，顆粒間中孔、大孔增加，滲透系數增大；固化劑摻量為3%時，極微孔、微孔明顯增多，表明由于水泥水化的抑制力，使得固化劑繼續發生固化。固化劑摻量為5%時，中孔和大孔相對增多，但由于膠結物質堵塞了部分大孔隙，導致滲透系數不升反降。綜合滲透系數和孔隙變化特征，發現固化劑摻量為3%時，能夠有效改良土壤內部孔隙，使得土壤滲透系數顯著降低。

2.2 水泥摻量對滲透系數的影響

不同水泥摻量條件下的滲透試驗曲線如圖3所示。可以看出，水泥摻量為6%～8%時，土壤的滲透系數降幅較大，減少率為11.49%；水泥摻量為8%～12%時，土壤的滲透系數降幅較小，減少率為10.35%。主要是由于水泥中的C3S和C3A與土中水發生水解反應，生成氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等微顆粒膠凝物質，堵塞了部分連通孔隙，導致滲透路徑極大減少。同時，游離的鋁離子、鈣離子與土壤礦物表面吸附的鈉離子、鉀離子產生交換作用，土壤顆粒初步團粒化，土體結構更加密實。

圖3 水泥不同摻量室內滲透試驗曲線

水泥不同摻量的進汞曲線如圖4所示，可以看出，隨著水泥摻量的增加，進汞曲線位置不斷降低，土壤粒徑分布存在由大孔徑向小孔徑過渡趨勢，表明水泥能有效改善土壤的孔隙形態。

圖4 水泥不同摻量的進汞曲線

2.3 齡期對滲透系數的影響

圖5 不同齡期的室內滲透試驗曲線

不同齡期的進汞曲線如圖6所示。對比可以看出，3d與7d齡期的進汞曲線存在部分交集，表明孔隙轉化相對集中，土體內部反應比較劇烈。28d齡期的進汞曲線位置最低，表明隨著齡期的增長，土壤空隙體積逐漸減小，土壤內部不斷地進行物理化學反應，結構趨于密實，土壤滲透系數呈現明顯的降低趨勢。表明只要齡期得當，便能達到減小孔隙體積的目的。

圖6 不同齡期的進汞曲線

2.4 微觀孔隙分布情況

結合實測的孔隙分布規律以及土質特點，將土體微觀孔隙劃分為：大孔、中大孔、中小孔、小孔、微孔隙、極微孔隙六類[8]。其中，大孔隙的直徑大于10000nm，主要為團粒間孔隙；中大孔隙直徑為6000～10000nm，主要為團粒內孔隙；中小孔隙直徑為3000～6000nm，存在少許顆粒間孔隙，部分為團粒內孔隙；小孔隙直徑為300～3000nm，主要為顆粒間和團粒內孔隙；微孔隙直徑為50～300nm，主要為顆粒間孔隙；極微孔隙直徑小于50nm，主要為顆粒內孔隙。

通過壓汞試驗計算每組改良土的孔隙分布情況，孔隙率分布見表2。

表2 孔隙率分布表

由表2可以看出，固化劑摻量分別為1%與3%時，水泥與固化劑的抑制作用較小，土體內部的大中孔隙占比明顯高于未摻固化劑；固化劑摻量為3%時，水泥與固化劑之間的抑制作用較大，土壤內部的大中孔隙占比最少，能有效減緩水化速度；而土壤和固化劑生成的膠結物質不斷填充于孔隙，極微孔和微孔含量增多。水泥摻量由6%增加到8%時，對于極微孔和微孔影響甚小，中孔數量減少，小孔、大孔數量增多。水泥摻量為12%時，土壤內部小、中、大孔數量存在不同幅度的減小，極微孔和微孔數量明顯增多。7d齡期之前，滲透系數減幅較小，對顆粒間和團粒內孔隙影響較大；7d齡期之后，對中、大孔隙影響較顯著，滲透系數減幅較大。配比S8G3Y7的中孔、大孔含量少于配比S12G5Y7，而配比S8G3Y7的中孔、大孔含量大于配比S12G3Y7，表明12%摻量的水泥與3%摻量的固化劑之間存在較大的抑制作用，導致土體的中孔、大孔急劇減少。

結合表2可知，齡期的延長和水泥的增加使中孔、大孔的含量降低，滲透系數減小；固化劑為1%時，土壤內中孔、大孔的含量明顯增多，滲透系數增大。土壤滲透系數與中孔、大孔孔隙率的相關性較高，過多元非線性回歸分析，建立了孔隙間與滲透系數的函數關系：

k=11.40-12.03a-4.44b-20.17ab+11.68a2+23.85b2

(1)

式中，a—大孔孔隙率，%；b—中大孔孔隙率，%；k—滲透系數，e-6cm/s。

3 結論

以大伙房水庫護坡土為研究對象，通過室內滲透試驗、壓汞試驗研究了齡期、水泥摻量、固化劑摻量等三種因素對土壤滲透性的變化規律。研究表明：固化劑摻量對滲透系數量級影響幅度較小，當水泥摻量12%，固化劑摻量3%時土壤結構較密實，土壤內部中、大孔隙數量較少；水泥摻量對土壤孔隙結構、微觀形貌及滲透系數的影響最大，水泥摻量越多，土體內部越密實，滲透系數越小；中大孔、大孔孔隙率與滲透系數之間的擬合函數能夠有效反映內部孔隙形態變化趨勢，研究成果能夠為實際工程的滲流安全性評價提供理論支持。