志丹县泥浆泵筑坝土料的物理力学性质研究

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(志丹县水务局水保队， 陕西 志丹 717500)

志丹县地处黄土高原丘陵沟壑区，是陕西省水土流失严重的地区之一，淤地坝建设是治理水土流失、改善生态环境、增加农民收入的重要工程措施[1-2]。结合省水土保持局泥浆泵[3]筑坝技术试验研究项目，对志丹县前拐沟泥浆泵筑坝条件下所要求的土料物理力学性质进行测定，为泥浆泵筑坝提供理论依据。

1 项目区概况

试验坝位于志丹县顺宁镇任坪村保娃沟门流域的前拐沟，距县城10 km，属洛河二级支流，淤地坝控制流域面积1.75 km2，主沟道长2.5 km，沟道比降2.4%。该流域为典型的黄土丘陵沟壑第一副区，地貌由梁峁、沟坡、沟床三个单元组成。延定公路从流域沟口通过，沟口至坝址处有简易乡村道路。交通十分便利。

项目所在区域为大陆性季风气候，春季干旱少雨多风，夏季炎热多雨，秋季降温迅速，冬季雨雪稀少，光照充足。多年平均气温7.8 ℃，绝对最高气温37.4 ℃，最低气温-25.4 ℃，年均无霜期154 d，多年平均降水量511.8 mm，其中汛期6～9月份降雨量占全年降雨量的66%以上，最大年降雨量785.9 mm，沟道属季节性流水，多年平均侵蚀模数为17 000 t/km2·a。

2 实验内容及方法

2.1 筑坝土料取样方法

料场勘查时严格按照中华人民共和国国家标准《水利水电工程地质勘测规范》(GB 50487-2008)[4]执行；土样的采集、运送、管理按照中华人民共和国行业标准《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251-2000)[5]执行。

土料基本性质测定在西北农林科技大学水土保持实验室进行。

试验材料取自黄土丘陵沟壑区志丹县顺宁镇任坪前拐沟小流域。料场占地面积大，可用层深厚而稳定，结构简单，属“Ⅰ”类料场[1]。

取样方法：选择典型料场。首先铲除1 m厚的清基层，使表面的杂草、树根及腐殖质土和其它杂物彻底清除，然后以“S”型物探线布置5个探坑，探坑间距50 m，每个探坑分2层(用Nij表示第i号探坑的第j层，其中i=1，2，…，5；j=1，2。)取样，层间间距2 m。探坑借助人工完成，所有操作严格按照《原状土取样技术标准》(JGJ89-92)[6]要求实施，所用取土器为环刀，土层较为均匀，浅黄色，含有少量结核。

2.2 土料指标选取与测定

根据水利水电行业规范的相关要求和已建设水利工程的实践经验[7-8]，常规土工试验包括的指标有：土的工程分类、试样制备、渗透试验、颗粒分析试验、液塑限试验、击实试验、抗剪强度试验、固结试验等。据《水坠坝技术规范》(SL302-2004)[9]中关于筑坝土料宜进行的土工试验要求，并结合泥浆泵现场筑坝工艺，选取试样制备、土的工程分类、击实试验、渗透试验等指标，作为泥浆泵筑坝条件下的土工试验指标。

(1)试样制备。试样制备据《土工实验规程》[10](SL237-1999)进行。

(2)工程分类。采用激光粒度仪测定土料级配，采用液塑限联合测定仪测定土料的液塑限，其结果用于进行土的工程分类。

(3)击实试验。试验按《土工实验规程》(SL237-1999)，采用南京土壤仪器厂生产的JDS-1型数控电动标准击实仪进行试验，确定土料的最优含水率。

(4)渗透试验。试验按《土工实验规程》(SL237-1999)，采用南55型渗透仪变水头法进行试验。

每个试验取三个重复样，样品误差不超过5%(超过误差试验重做)，取三次试验结果的平均值作为最终结果。

3 结果与分析

3.1 土料的物理性质

现场土层较为均匀，浅黄色，含有少量结核，其主要物理性质见表1。

表1 试验土料的物理性指标

所采土样的颗粒组成分级为：平均粘粒含量18.95%，平均粉粒含量66.49%，平均砂粒含量14.56%，其中粘粒是指粒径小于0.005 mm的土壤组成颗粒。该土样的不同百分比含量粒径d10，d30，d60分别平均为0.0010 mm，0.016 mm，0.040 mm，不均匀系数Cu平均为12.61，曲率系数Cc平均为2.17。

由上述内容可知，志丹土壤粒径分布不均匀，且级配良好，土壤较大土粒间的孔隙可被较小土粒填充，容易被压实，可用于该区水坠坝的填筑材料。

3.2 土的工程分类

据《水坠坝技术规范》(SL302-2004)[9]关于水坠坝土料分类的界定，当满足小于0.005 mm的土粒含量∈[20，30]，液限WL小于26%，塑性指数IP≤7时为轻粉质壤土；当满足小与0.005 mm的土粒含量∈[15，20]，液限WL∈[26%，42%]，塑性指数IP∈[7，17]为中粉质壤土。由表1可知，该土料液限WL平均为27.98%，塑限WP平均为17.10%，塑性指数Ip平均为10.89。故该项目区的土样属于中粉质壤土。根据土的工程分类标准(GB/T50145-2007)[11]，当土样满足Ip≥0.73(ωL-20)和Ip≥7，且土样WL<50%，土样为低液限粉土。通过分析可知，该项目区的土样属于低液限粉土。

3.3 击实试验

通过击实试验数据分析确定出供试土样的最大干密度和最优含水率，见表2。

表2 试验土料的最大干密度和最优含水率

对最大干密度和最优含水率进行统计分析可知，土料的最大干密度均值μ的95%置信区间是[1.69，1.71]，最优含水率均值μ的95%置信区间是[14.56，15.32]，试验土样最大干密度、最优含水率相应的点估计值分别为1.70 g/cm3、 14.99%。

3.4 渗透试验

渗透试验采用TST-55型变水头土壤渗透仪进行测定，渗透试验结果见表3。对渗透系数进行统计分析可知，渗透系数的均值μ的95%置信区间分别是[3.79×10-5，4.78×10-5]，土样渗透系数相应的点估计值为4.32×10-5cm/s，由渗透系数值可知，水分穿过该土样土颗粒之间连通孔隙结构的速度较快，利于水分的排渗。

表3 试验土样的渗透系数

4 结论及建议

(1)该土料<0.005 mm的土粒含量为18.95%，土样的不同百分比含量粒径d10，d30，d60分别平均为0.0010 mm，0.016 mm，0.040 mm，不均匀系数Cu平均为12.61，曲率系数Cc平均为2.17。表明该土料粒径分布不均匀，且级配良好，是合适的水坠坝筑坝土料。

(2)该土料液限WL平均为27.98%，塑限WP平均为17.10%，塑性指数Ip平均为10.89，按水坠坝土料的分类界定属于中粉质壤土，根据工程分类标准属于低液限粉土。

(3)该土料的最大干密度均值μ的95%置信区间是[1.69，1.71]，最优含水率均值μ的95%置信区间是[14.56，15.32]，最大干密度、最优含水率相应的点估计值分别为1.70 g/cm3、 14.99%。

(4)该土料渗透系数的均值μ的95%置信区间分别是[3.79×10-5,4.78×10-5]，相应的点估计值为4.32×10-5cm/s，水分可以较快的穿过该土样土颗粒之间连通孔隙结构，利于水分的排渗。

通过对志丹县黄土土料物理力学性质的测定，结果表明该土料粒径分布不均匀，级配良好，渗透性较好，符合泥浆泵筑坝工艺对土料的要求，是适合的泥浆泵筑坝土料。

参考文献：

[1] 冉大川,罗全华,刘 斌,等.黄河中游地区淤地坝减洪减沙及减蚀作用研究[J].水利学报,2004,(10):7-13.

[2] 焦菊英,王万忠,李靖,等.黄土高原丘陵沟壑区淤地坝的淤地拦沙效益分析[J].农业工程学报,2003,19(6):302-306.

[3] 张秦岭.泥浆泵筑坝机械改进的实践.中国水土保持SWCC,2013, (2):11-12.

[4] GB 50487-2008，水利水电工程地质勘测规范[S].

[5] SL 251-2000，水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S].

[6] JGJ89-92，原状土取样技术标准[S].

[7] 刘成宇.土力学[M].北京:中国铁道出版社,1997.

[8] 张伯平,等.土力学与地基基础[M].西安:西安地图出版社,2001.

[9] SL302-2004，水坠坝技术规范[S].

[10] SL237-1999，土工试验规程[S].

[11] GB/T50145-2007，土的工程分类标准[S].