水泥掺入砂质土壤入渗性能影响的试验研究

2020-06-08薛少欣薛万来

陕西水利 2020年1期

薛少欣，薛万来

（1.河北工程大学水利水电学院,河北邯郸 056000；2.北京市水科学技术研究院,北京 100048）

水资源是经济发展的基本要素，在生产生活中发挥着非常重要的作用。随着人口增长、生态环境恶化，工农业用水技术落后，浪费严重，造成水资源日益短缺。我国的生态基流问题更加突出，生态用水严重的流域河流甚至出现断流等现象，生态系统遭到破坏[1,2]。为保证河湖生态健康，维护河流生态系统，在水资源有限的条件下，必要时需要进行减渗措施。

目前，水泥土已在道路工程、管道工程、减渗工程、护坡工程等建筑工程中得到了广泛的应用。与水泥土比较经济、施工便捷、减渗性能，抗冻、抗压性能良好有密切的关系。侯永峰等[3]通过室内试验研究了水泥土的渗透性与水泥掺入比、时间及外掺材料间的关系，发现在满足工程需要的前提下，10%左右的水泥掺比是最经济的，且在水泥土中掺加外加剂，例如粉煤灰、石灰等，可有效减少水泥土的渗透系数；张雷等[4]对上海地区淤泥质黏土水泥土进行了室内渗透性能试验，研究发现随着水泥掺入量的增加，水泥土的渗透系数呈现减小趋势，且渗透系数随着龄期的增加而减小，但减小幅度逐渐下降；朱崇辉等[5]通过室内试验研究了不同干密度、水泥掺量和龄期对水泥土渗透性能影响的大小，研究表明，干密度是影响水泥土渗透系数的最重要的原因，水泥掺量、龄期的改变也是因为改变了水泥土的干密度，从而改变了渗透系数。上述方法均通过在土壤中掺加水泥并养护至规定龄期、待其性能稳定后再进行试验，但直接将水泥与土壤掺混，注水测定其渗透性能的研究相对较少。本文通过在室内进行一维垂直入渗试验，模拟河道渗透过程，通过铺设减渗层，以期达到减少渗透的效果。

1 材料与方法

为研究水泥和砂土在不同配比、不同容重情况下对砂质土壤减渗效果的影响，在室内进行一维垂直入渗试验。

1.1 供试材料

试验用土为砂土，取自永定河下游大兴区阎家铺村附近，分层进行颗粒组成分析，每层20 cm，共10层，见表1。粒径在0.25 mm～0.5 mm的颗粒在99%以上，去除植物根系、石块等大杂物，风干、磨细，过2 mm筛；水泥选用市售钻石牌型号为P·O42.5的普通硅酸盐水泥。

表1 砂土颗粒组成分析

1.2 试验设备

试验装置为自制的室内渗流装置，由试验土柱和供水系统组成。供水系统为内径5 cm的马氏瓶，控制恒定水头，自动供水，设置进水口和出水口，外壁贴有刻度线，用于记录入渗水量。土柱为内径10 cm，高50 cm的有机玻璃柱，设置进水口和出水口。试验装置见图1。

图1 室内渗流装置示意图（尺寸单位：cm）

1.3 试验方法

室内进行一维土柱垂直入渗试验，按照试验确定的配合比将砂土和水泥混合均匀，按设计土壤密度分层装土、压实，每层5 cm，层间抛毛。土柱底部填筑5 cm的反滤层，土层高度为20 cm，3 cm的砂砾料充当保护层。侧壁涂抹凡士林，防治水流沿侧壁渗漏。试验设置恒定水头为40 cm，设置的不同水泥掺量为 8%、10%、20%、30%，不同的容重为 1.6 g/cm3、1.8 g/cm3，每组做3个平行对照。依据由密到疏的原则，记录马氏瓶液面下降刻度。当入渗达到相对稳定出水时，关掉马氏瓶进水口阀门，结束试验。

2 结果与分析

2.1 不同水泥掺量下对砂土渗透系数的影响

在相同容重为1.6 g/cm3，水头为40 cm的前提条件下，设计了不同水泥配比，水泥土的掺量为10%、20%、30%，图2是不同水泥配比情况下渗透系数随时间变化趋势图。

图2 渗透系数随时间变化规律曲线图

从图2可以明显看出：水泥土的渗透系数随时间的延长逐渐减小，抗渗能力逐渐增强，表明水泥对砂质土壤确有减渗效果。水泥可达到减渗的效果主要是因为水泥本身水化物的胶结作用、离子的交换反应以及水泥水化时产生的Ca(OH)2与土中活性物质发生的硬凝反应[6]。

在入渗初始阶段，特别是在40 h内，水泥掺量10%时，渗透系数从1.60×10-3cm/s降低到1.5×10-4cm/s，降低了90%；水泥掺量为20%时，渗透系数从8×10-4cm/s降低到2×10-5cm/s，降低了97%；水泥掺量为30%时，渗透系数从6×10-4cm/s降低到7×10-6cm/s，降低幅度达到98%以上。随着水泥掺量的增多，渗透系数降低较快，即水泥对砂土的初始入渗率影响明显。水泥水化初期，土中的大孔隙较多，随着水化反应的进行，水化产物填充了土颗粒表面及颗粒之间的大孔隙，单位时间内通过土体截面的水量减少，使水泥土的渗透系数大幅度降低。水化反应产生的Ca(OH)2也可以Ca2+、OH-的形式存在，在试验开始阶段，土颗粒就开始吸收土样中的CaO，Ca(OH)2难以满足土样对CaO的吸收量，致使水泥土中的孔隙水可能处于不饱和状态[7]。

当水泥水化产生的水化产物已经基本将土柱中的大孔隙填满时，随着水泥水化反应的进行，土柱的渗透系数越来越低，且降低的速度逐渐趋于平缓。水泥水化反应产生的Ca(OH)2与土中的活性物质之间发生的硬凝反应，已经在砂土表面形成了一层密实的硬化层，致使水泥胶体与砂土颗粒之间更加紧密的固结[8]。当水泥掺量较少时，达到稳定入渗的时间较长，当水泥掺量达到20%和30%时，达到稳定入渗时间已看不出明显差异。水泥掺量10%时，在80h基本达到稳定入渗；水泥掺量为20%、30%时，基本达到稳定入渗的时间分别为24 h、18 h。

采用幂函数F=k·t-n对渗透系数和时间进行拟合，拟合情况见表2。F为渗透系数（10-5cm/s），t为入渗时间，k、n为入渗参数。

表2 水泥不同掺量下渗透系数与时间关系拟合情况

从表2可以看出，采用幂函数进行拟合效果均较好，且随着水泥掺量的增多，n值逐渐增大，表明土壤渗透系数随时间递减的越快。

2.2 不同水泥掺量下对砂土入渗能力的影响

土壤入渗能力可通过累积入渗量进行分析[9]。选取相同容重1.6 g/cm3，相同入渗水头40 cm，分析不同水泥掺量下对砂土入渗能力的影响，图3为不同水泥配比情况下累积入渗量随时间的变化趋势线。

图3 累积入渗量随时间变化规律曲线图

在各处理中，随着时间的增加，累积入渗量逐渐增大，在入渗初期增长较快，随着入渗时间的增长，累积入渗量的增长幅度逐渐变缓。试验开始阶段10 h时，各处理的累积入渗量分别为3200 mL、1140 mL、686 mL；入渗基本达到稳定63 h时，各处理的累积入渗量分别为9119 mL、2060 mL、981 mL，与10 h时相比，累积入渗量分别增大了2.8倍、1.8倍、1.4倍。可见，水泥掺量的增加，可明显降低水泥土的累积入渗量。

采用考斯加可夫（Kostiakov）入渗公式I=γtα对累积入渗量和时间进行拟合，I为累积入渗量，α为入渗指数，γ为入渗系数，t为入渗时间。

表3 水泥不同掺量下累积入渗量与时间关系拟合情况

采用Kostiakov模型进行拟合，拟合结果均较好。γ为开始时段内的渗透量，呈减小趋势；α为累积入渗量的衰减程度，随着水泥掺量的增多，α逐渐减少，表明累积入渗量的衰减程度逐渐减小，渗透速度随时间减小的程度也变小。

2.3 不同容重对土壤减渗效果的影响

入渗水头为40 cm时，水泥掺量8%和10%时，在不同土壤容重(1.6 g/cm3、1.8 g/cm3)下土壤渗透系数随入渗历时的变化，见图4、图 5。

图4 水泥掺量8%时渗透系数随时间变化曲线图

图5 水泥掺量10%时渗透系数随时间变化曲线图

入渗初期20 h，水泥掺量为8%，容重为1.6 g/cm3、1.8 g/cm3两个处理的土壤渗透系数分别为4.2×10-4cm/s、1×10-4cm/s，容重为1.8 g/cm3水泥土比容重为1.6 g/cm3的水泥土入渗系数降低了76%；水泥掺量为10%，容重为1.6 g/cm3、1.8 g/cm3两个处理的土壤渗透系数分别为3.2×10-4cm/s、5.4×10-5cm/s，容重为1.8 g/cm3水泥土比容重为1.6 g/cm3的水泥土入渗系数降低了83%。水泥掺量8%条件下入渗达到基本稳定状态为50 h时，容重为1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的渗透系数分别为1.6×10-4cm/s、4.9×10-5cm/s,渗透系数降低了69%。水泥掺量为10%条件下入渗达到基本稳定状态为40 h时，容重为 1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的渗透系数分别为 1.5×10-4cm/s、4.3×10-5cm/s,渗透系数降低了71%。明显看出，土壤容重对水泥土的渗透影响性较大，随着容重的增加，水泥土中的孔隙度随之减少，导水率逐渐减小，使得水泥土的渗透系数也减小。