黄河下游游荡段原状土物理力学测试

□赵万杰 许琳娟 董伟军

（1华北水利水电大学；2黄河水利委员会黄河水利科学研究院）

0 引 言

众所周知，河道的边界条件是河流发展形成一定河型的首要条件，其边界条件一般指河流地貌形态、河道比降、沉积物组成等。从已有的文献资料来看，国内外很多学者对此进行了研究，也有学者用床沙粒径、河床物质粘土的含量描述河岸与河床的稳定性。钱宁教授在分析古河道变迁中的河型转化时，记录了许多河流不同时期由于河床组成的不同，河型发生转化的例子。如：马兰比吉河，由于河槽中粉砂、粘土含量的增加使河型从古代的游荡型转化为现在的弯曲型河流。古科罗拉多河，当河槽中的粉砂、粘土含量由70%减小到2%～10%时，河流弯曲系数减小到1.30 左右。据J.M.Coleman 报道，孟加拉国的布拉马普特拉河由于袭夺了由大量细颗粒泥沙河岸的提斯塔河道，而发展为游荡型河流。中国钱塘江流域，由于从闸口道澉浦的河床和滩地物质主要由细砂和粉砂组成，形成了游荡型河流。Duan等、Olsen、夏军强等学者通过对传统水沙模型的拓展，利用二维及三维数值模型模拟概化河道的河床演变及河道形态的发展过程。所有这些，都很好地说明河型的形成对于流域特性的依赖性，河床土壤的物理力学特性是不可忽视的。

但是，至今研究河床物质组成及其力学特性对河床演变规律的影响还不深入。河床演变强度与水沙条件、河床边界条件等因素有关，河床演变主要研究河流的边界在水流作用下的变化，这种变化实质上反映了组成边界的物质的冲刷、搬运和沉积过程，特别是对黄河下游这样平原地区的游荡性河道，河床的组成物质主要是粉砂和细砂，这种缺乏粘性的细泥沙颗粒，在一般中水流量下就能够大量运动。黄河下游某些河段由俗称为“胶泥”形成的河岸，抗冲能力极强，水流极易在此形成畸形河湾。因此，研究河床物质组成及其力学特性对河床演变影响的意义重大。

1 土样选取与分类

在黄河干流上，峡谷型河段转变为冲积型河段的过渡段首部是白鹤工程，从白鹤工程向下直到铁谢工程，其河床物质的组成由砂卵石逐渐过渡为沙质，直到逯村工程上首，河床底部仍有砂卵石层；逯村工程的下古街断面向下，床沙中值粒径范围为0.10～0.25 mm，泥沙颗粒组成较细，可动性较大，为典型的游荡段。在逯村工程及其以下河段选择了十个典型断面进行取样，分别为：逯村工程上首、逯村工程下首、开仪工程上首、化工工程上首、大玉兰工程上首、下古街断面、花园镇工程、叩马、赵沟工程上延、马峪沟。

根据《土工试验规程》对土类进行划分，表1 是砂土分类表，依据细粒含量、类别以及粗粒组的级配对砂土进行分类，图1是细颗粒土分类图，依据三角坐标对其进行划分。

2 土层结构分析

为了分析研究河床物质构造及其力学特性，选择游荡段的典型断面进行现场钻孔取样，通过室内试验对土样的物理力学指标进行了测量，利用现场静力触探试验等，获得了河岸的分层现象及其不同土层的特性的具体情况。白鹤工程至伊洛河河口段的滩岸土质较为松软，主要由洪水过后泥沙沉积形成，由于来水区域的不同，造成了滩岸土质的不同，可以分为单一图纸滩岸和混合土质滩岸。单一土质滩岸没有明显的分层结构，其中一种情况为非粘性土滩岸，主要由中值粒径D50＞0.10 mm的砂及砂砾组成，另一种情况为粘性土滩岸，主要由中值粒径D50＜0.10 mm 的细砂、粉粒、粘粒和胶粒组成；而混合土滩岸的分层现象很明显，或为简单的二元结构：上部为粒径较细的粘性土，下部为粒径较粗的非粘性土，或为多元结构：表现为粘土与非粘土互层现象。由前面所选取的典型断面的测试结果可知，白鹤工程至伊洛河河口河段的滩岸中，大部分为混合滩岸，个别为粘性土滩岸、非粘性土滩岸。

表1 砂土分类表

图1 细颗粒土分类图

3 土样物理力学特性

根据粘粒含量的多少对土样进行排序依次为粉质粘土、粉质壤土、砂壤土、细砂、中砂、粗砂，由图2 可知，黄河下游游荡段原状土的干密度、粘聚力随粘粒含量的减小而增大，而土体其它参数随粘粒含量的减小而减小。正如普遍所知的那样，粘粒含量越高，土体的透水性越差、渗透系数越小，在典型断面所取土样都是由泥沙沉积形成的，天然状态下，土体都是由饱和含水率逐渐降低，但由于粘粒含量高，透水性小而吸水能力强，在沉积条件下，粘粒含量高的土样表现出饱和含水率高，含水率下降慢的特性，而粘粒含量低的土样表现出饱和含水率低，含水率下降快的特点，最后呈现出了含水率随粘粒含量的增大而增大的现象；干密度与含水率的变化情况不同，粘粒含量越高，土样的含水率越高，而干密度反而越小；孔隙比是土体结构特征的指标参数，一般来说，随着孔隙比的增大，土体越疏松，压缩性越高，粘粒含量越高，含水率越大，干密度越小，土体空隙率越大，土体有较大的可塑性，压缩系数越大；相比于粘粒的比表面，砂粒的比表面要小很多，其表面力及影响范围与其重量和尺寸相比可忽略，因而，粘土具有较强亲水性，砂土的亲水性弱，不具塑性，由于毛细压力的存在而显示假粘聚力。

图2 白鹤至伊洛河河口游荡段土体物理力学参数变化关系图

图3描述了原状土液限含水率随粘粒含量的变化情况，土体的液限含水率随粘粒含量增大而增大，也就是说粘粒含量高的土体，在较大的含水率情况下，仍处于塑性状态，具有一定的抗冲能力；粘粒含量较小的土体，因其具有较低的液限含水率，当含水率较高时，土体会丧失其强度而处于流动状态，抗抗冲刷的能力较低，容易起动；砂土的颗粒较粗，亲水性较弱，土体遇水很容易进入流动状态，抗冲刷能力弱。可见含水率是土体力学性质的重要影响因素，含水率对不同土体的的影响程度不同，砂土由于其没有可塑性，遇水容易分散；而粘土在含水率较高的状态下，仍然具有一定的强度，对河势的演变具有一定影响。

图3 白鹤至伊洛河河口段土体的粘粒含量与液限含水率关系图

4 结论与展望

从现场钻孔取样及室内土工试验可知，本段河床的组成物质以细砂为主，遇水易分散，明确了形成游荡性河势的基本条件之一，同时了解了各个典型断面的土层及其力学性质。

根据粘粒含量的多少，各类沉积土分别呈现出不同的物理力学特性，但其各项物理力学指标又呈现出一定的规律，干密度、粘聚力随粘粒含量的减小而增大，含水率、孔隙比、压缩系数、液限含水率呈减小的趋势。粘粒含量高的土体在较高的含水率情况下，依然具有塑性和强度，而砂土没有可塑性，遇水容易分散。

河床的土质组成及其物理力学特性与河床演变有着密切的关系，但由于其复杂性，需要逐步做更加详细而深入的工作。特别是与河床演变有着最密切关系的滩岸崩塌问题，在加强现场原位观测、积累资料的基础上，有必要在室内进行大比尺的试验研究，逐步加深对滩岸崩塌机理的认识。