黃河泥沙固化材料抗沖特性分析

張世安　吳嫡捷　袁崢等

關鍵詞：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濟發展及生態安全方面已做出巨大貢獻，然而伴隨經濟的快速發展，黃河流域生態平衡屢遭破壞，應對其加強水生態保護與修復工作，促進流域生態保護與高質量可持續發展［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，在工程應用方面表現為難以與穩定材料形成良好的物理化學聯結，限制了黃河泥沙在生土材料領域的應用。壩體的抗沖刷性能對壩體的穩定性和使用年限有著至關重要的意義，因此研究壩體材料的抗沖刷性能是大壩設計之初不可或缺的重要環節［４－６］ 。

多年來，很多學者對沖刷速率與土體物理力學參數的關系進行了大量研究，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力、淤積歷時、干密度、粒徑的關系［７］ ，發現沖刷速率與相對剩余切應力成線性關系［８－９］ ，細顆粒泥沙沖刷速率與相對剩余切應力成指數關系且指數取值與泥沙和水流特性有關［１０－１１］ 。此外，從改進室內沖刷試驗、提高材料強度、研發新型固化劑材料和提出防沖刷措施等方面也有很多相關的針對性研究，研究發現振動法成型試件的抗沖刷性能明顯優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合料穩定土的抗沖刷性能［１９－２３］ ；穩定細粒土的抗沖刷性能與無側限抗壓強度的相關性較強﹐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。本研究以室內沖刷試驗為主，利用現代化智能設備及數值分析方法對試驗數據進行處理，分析黃河泥沙資源利用和壩體材料沖蝕特性。

１ 試驗方法與試驗設備

１．１ 試驗方法

本研究以模擬試驗為主，數據分析為輔。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，將試驗數據記錄于表格中，并制作成可以分析的對比圖樣。利用函數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備有ＨＪＷ－６０ 型單臥軸攪拌機、液壓機和壓力表。試驗設備整體布置如圖１ 所示。

結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，依據近幾年《黃河泥沙公報》中潼關站多年平均含沙量設置含沙的射流水體，具體操作為利用多功能水泵機（參數見表１）將水、沙按照固定比例在攪拌池中混配并持續攪拌，保證沖刷時的含沙量穩定在３５ ｋｇ／ ｍ^３。含沙水流由泥漿泵吸入供水管，經過流量計，由束水扁口（參數見表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系統。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據。

１．３ 試塊制作與固化劑配合比設計

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計見表５，在調整固化劑摻量時，土和固化劑的總體質量大致為４５ ｋｇ，添加的水在３～５ ｋｇ 范圍內，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，先將固定質量的沙和固化劑進行過濾，保證制作后的試塊質量均勻，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護，室內溫度、濕度等環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即可，用此方法每天進行３ 次（時間間隔相同）浸潤處理，持續進行２８ ｄ 完成整個養護過程。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，將設備通電，變電柜調節轉速至３ ５００ ｒ／ ｍｉｎ，使流量穩定在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遭到了嚴重破壞，若應用于實際工程當中，會出現重大的安全事故。因此，此摻量的試塊并不滿足實際工程建設的需求，應尋找更高強度固化劑摻量的試塊。

沖刷２ ｈ：試塊已經產生明顯的裂縫，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，裂縫區域的顏色隨沖刷時長的增加而加深。

２．２ 掃描結果分析

為更明顯地看到水流對試塊的影響趨勢，將掃描后的數據制作成辨識度更高的函數擬合曲線，并導入ＳＣＥＮＥ 軟件，選取試塊表面為研究區域，對其進行數據篩選，得出最大沖刷深度隨時間的累計變化量，見表６，繪制出關系曲線并擬合函數曲線，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關系ｙ ＝２．２２３ ７ｘ^{０．１９０ ５}，其中Ｒ^２＝０．９６４ ５，說明在誤差允許范圍內擬合函數與原始數據符合良好。根據擬合曲線分析，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。可見，隨著沖刷時長的增加，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關系為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關系為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關系為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關系為ｙ ＝０．１５６ ９ｘ^{０．４７６ ５}，其中Ｒ^２＝０．８１９ ３。

試驗結束后，經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］ 在黃河中游測區泥沙密度值試驗研究中的結果２ ７３０ ｋｇ／ ｍ^３。在此工況下，５％～４０％不同固化劑摻量經近似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 結論

根據試驗結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，得出以下結論。

１）５％固化劑摻量的試塊沖刷０．５ ｈ 后已經出現明顯的剝蝕沖刷現象，并出現大量孔洞，在水流沖擊下產生一條明顯的凹槽。隨著沖刷時間的延長，產生的凹槽逐漸加深，在沖刷２ ｈ 后，試塊出現裂縫，隨著沖刷時長的繼續增加，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，其表面并未出現明顯的侵蝕現象，只在水流沖擊處出現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，未出現明顯變化，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用中還需要滿足滲流、沉降、應力應變等多項指標，而固化劑摻量可能是影響這些指標的因素，因此后續的研究應進行壩體材料性能綜合分析。

【責任編輯 張帥】