水利堤岸坡积土土水特性专题分析研究

(江西省大余县水利局，江西 大余 341500)

1 水利堤岸坡积土土水特征曲线简介

1.1 坡积土吸力组成

坡积土吸力主要是由坡积土的湿度决定的，湿度达到饱和状态时，坡积堤壤则失去了吸力。而当湿度小于100%时，坡积堤壤会产生吸力。因此，可根据坡积堤壤的湿度，确定坡积土的总吸力。

坡积土的总吸力主要由基质吸力与壤质渗透吸力构成。坡积土总吸力代表水利堤岸积土的自由能，而其中的基质的吸力则代表其自由能中的毛细部分，渗透吸力代表的是堤岸坡积土中自由能的溶质部分。

1.2 坡积土土水特征曲线特征

在试验过程中，向试件中外加一个吸力，通过吸力的附件点，最终确定干燥曲线的起点，然后逐步提高基质部分的附加吸力，在试件上逐渐提高气压，分别量取不同气压下的水位升高值和系统排水量。当附加的吸力达到最大值时，平衡整个系统压力，然后将实验堤壤进行烘干，最终测定实验坡积堤壤试件的含水比例，再根据测算的数值绘制曲线，得出特定水利堤岸坡积堤壤的基质吸力和含水率之间的曲线变化图，进而得出坡积土土水特征的干燥段数值。在整个干燥处理过程中，实验坡积堤壤的水分逐渐降低，其基质吸力也逐渐增加。干燥过程中，壤中水分逐步排出，以上情况，与落潮枯水期堤坝遇到的情况相似。因此，研究干燥段的坡积土堤壤基质吸力，有助于分析水利堤岸坡积土在枯水期的强度和水分变化情况。

完成干燥段试验后，再进一步研究浸湿段的吸力和含水率的变化情况。浸湿段是干燥过程的逆过程，整个浸湿过程中，堤壤的含水率逐步增加，导致堤壤的吸力逐步降低，同时逐步减小的还有仪器的气压值。在整个试件吸水过程中，需仔细观察水流量，当水流停止时，堤壤吸水率达到了饱和值，堤壤的含水率也达到了最大值，记录不同气压下堤壤的含水率，然后绘制出堤壤在浸湿段的土水特征曲线。通过对堤壤浸湿段的含水率分析，可以有效分析水利堤岸坡积土涨潮或者下雨时堤壤的稳定性。

在同一压力下的干燥段和浸湿段的堤壤吸力所对应的堤壤含水率是不同的，在两条曲线之间会出现一个“滞回环”，滞回环代表堤壤在吸水后的吸力变化有一定的滞后性，这种滞后性主要是由于三方面原因造成的：ⓐ堤壤在脱水和浸湿过程中，堤壤孔隙不同；ⓑ两个过程中堤壤和水的接触面夹角不同，土水黏结性也不同；ⓒ在脱水段堤壤中会有部分水泡黏结。具体的干燥段和浸湿段土水曲线如图1所示。

图1 堤壤在干燥段和浸湿段的土水特征曲线

1.3 坡积土吸力测量

在绘制坡积土的土水特征曲线过程中，首先要测量堤壤的基质吸力，并且测定在当前基质吸力下的含水率。测量堤壤基质吸力的方法有两种，一种是直接测定法，另一种是测量堤壤的总吸力。

1.3.1 总吸力量测方法

堤壤的总吸力测量是堤壤的基质吸力和渗透吸力测量的综合，堤壤的渗透吸力相对于堤壤湿度的变化并不大，因此只需要测定堤壤的总吸力，就能得到堤壤基质吸力的变化趋势。总吸力的测量一般可以分为两种方式，一种是测定水中的蒸汽压或者堤壤的相对湿度，在测量堤壤湿度时可以用湿度计直接测量，另一种方法是先用滤纸来吸收堤壤中的水分，让滤纸和堤壤达到吸力平衡，再测定滤纸中的湿度，从而得出堤壤的湿度值。

1.3.2 基质吸力量测方法

测量堤壤基质吸力的方法也分为直接法和间接法两种，基质吸力的测量数值等于孔隙气压力和孔隙水压力的压力差值。其中孔隙水压力能够用直接法获取，孔隙气压力等于常压或者实验施压值。国内外对于堤壤基质压力的测量一般都采用直接法，常用的为轴平移技术。所谓的轴平移技术就是采用高进气陶瓷板来达到水和气的隔离，这种高进气陶瓷板是一种高温陶瓷材料，上面有很多小孔，能够实现水气的阻隔，这种陶瓷板的孔越小，阻隔水气的性能就越好。当陶瓷板吸水的时候，水会在陶瓷板的表面形成一道水膜，阻隔空气进入，这时只要计量气压和水压的差值就能得到基质的吸力数值。

2 水利堤岸坡积土非饱和土水特征曲线

根据以上的实验方法进行实际测量，选取某案例坡岸进行土水特征分析，计算结果见下表。

根据计算结果绘制的基质吸力与含水量以及堤壤饱和度的土水特征曲线图如图2和图3所示。

试样基质吸力和堤壤饱和度、含水量关系表

图2 基于基质吸力与堤壤含水率的土水特征曲线

图3 基于基质吸力与堤壤饱和度的土水特征曲线

通过对比图2和图3可以看出本研究的水利堤岸坡积土具有以下特点：堤壤的基质吸力和堤壤的饱和度以及堤壤的含水量之间呈现线性相关关系，堤壤的含水量越高，堤壤的基质吸力越低，堤壤的饱和度越高，堤壤的基质吸力越低；堤壤的含水量与饱和度与堤壤的性质有直接关系，对于一些砂性土质来说，堤壤的含水量与堤壤饱和度之间并没有太大关系，这也说明取样地区的堤壤保水率很高。

3 水利堤岸坡积土孔隙特征分析

非饱和堤壤含水量和渗透能力都取决于堤壤的孔隙分布，要研究堤壤的孔隙特征需要使用电子显微镜对堤壤进行扫描。

3.1 电镜扫描方法

电镜扫描前要对堤壤进行预处理，主要是对堤壤进行抽真空，将堤壤中的水分抽离。在抽离水分的过程中，可能会破坏堤壤的孔隙，因此在抽真空前，先在通风阴凉处将样本干燥两周左右，再进行抽真空，在取样的时候，要用手掰取而不能用刀进行割取，以免破坏孔隙结构。 在本研究过程中，对案例坡积土、零载荷的坡积土以及重塑的淤泥进行了观测。

3.2 扫描分析结果

由于重塑的淤泥是人手捏成的，因此孔隙结构相对比较严密，也没有过多的孔隙，而零载荷下的坡积土孔隙就大得多，淤泥土中可以看到絮状结构，零载荷的坡积土孔隙孔径是重塑样本的近十倍，其中最小孔径为重塑样本淤泥的3倍。孔隙观测结果如图4～图9所示。

图4 坡积土微观结构电镜观测图

图5 坡积土的孔隙尺寸测量图

图6 零载荷试样土微观结构电镜观测图

图7 零载荷试样土孔隙尺寸测量图

图8 重塑淤泥土微观结构电镜观测图

图9 重塑淤泥土孔隙尺寸测量图

通过上述观测可以看出，坡积土中有很多孔隙存在，但是在饱和土中，由于含水量过高，孔隙被水分填满，当饱和土变为非饱和状态时，这些孔隙中的水分被空气代替，这个过程会导致水分脱去的过程更加曲折，也就使得水流在孔隙内的流经路程变长，堤壤的含水量逐步降低，堤壤的基质吸力也逐渐增大，堤壤的渗透率变小，通过电镜的微观观测可知：堤壤在重塑过程中，孔隙会变小，从而增强堤壤的保水能力。

4 水利堤岸岩质坡积土土水特征曲线拟合

采用VG模型对测量的数据进行拟合，通过有限元分析，得到土体分类中的CLay和Loam拟合参数，通过模型拟合得到坡积土的土水特征拟合曲线(如图10和图11所示)。

图10 基质吸力与含水量的拟合曲线

图11 基质吸力与饱和度的拟合曲线

5 结 论

本文利用水利堤岸坡积土样本，通过电镜扫描、堤壤干湿度测量以及有限元模拟拟合分析等方法，专题研究河堤坡积土土水特征曲线与堤壤含水量以及堤壤饱和的关系，探究河堤坡积土土水特性及规律。研究结论如下：水利堤岸坡积土的基质吸力与堤壤的含水量以及堤壤的饱和度成反比例线性相关性，堤壤的含水率越高，本研究中的水利堤岸坡积土的饱和度越大，而堤壤的基质吸力反而越小。本文研究成果，对实现和提升河堤水利工程功能性和牢固性，增强水利工程基质的未来运行寿命和使用安全，具有参考意义。