中粉质壤土泥浆排水固结规律研究

杨 锋，张武俊，刘长涛，朱首军

（1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.陕西省水土保持局，陕西 西安710004；3.延安市志丹县水务局，陕西 延安717599）

黄土高原丘陵沟壑区是中国乃至世界水土流失最严重的地区，作为该区水土流失治理重要措施之一的淤地坝，在生态效益、社会效益和经济效益等方面均产生了显著作用［1－3］。

目前，中国淤地坝的修筑方式主要有水坠和碾压两种方式，其中水坠法具有工效高，利用时间长，效益高，投资少的特点［4－5］，使其得到了快速发展。水坠坝体的脱水固结是筑坝的关键［6］，而直接判别坝体泥浆脱水固结快慢的依据是坝体排水效果是否显著。为了加快坝体泥浆的脱水固结，在实践中采用无纺土工织物包裹聚乙烯微孔波纹管的排水系统，它是排水反滤的较佳结合［7－10］，因其具有施工方便，成本低廉，加速排水等特点而被广泛使用。此外，动力排水固结法在软土排水方面得到了成功而广泛的应用［11］。但坝体泥浆的排水规律研究较少，直接影响了坝体聚乙烯微孔波纹管道的合理布设。

本文通过研究泥浆排水固结随着泥浆土水比、填充高度的变化规律，为工程实践确定合理的排水措施，布设合理的排水管道结构提供重要的理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究供试土样取自延安市志丹县顺宁镇任坪村前拐沟村泥浆泵筑坝项目现场。泥浆泵筑坝是在水坠坝的基础上发展而成的一种新型筑坝工艺，是将土和水按一定的体积比例，经机械设备搅拌后所成的浆体用泥浆泵输送至坝面，脱水固结后所形成的泥浆坝。通过土工试验［12］测定，粒径小于0.005mm的土粒含量为18.81%，不均匀系数Cu为12.7，曲率系数Cc为2.0；最大干密度ρdmax和最优含水率ωop的均值μ 的95% 置信区间分别为［1.68，1.70g／cm3］和［15.83%，17.85%］；渗透系数为1.78×10－5cm／s；液限ωL为27.9，塑限ωP为18.9，塑性指数Ip为9.0。据《水坠坝技术规范》（SL302—2004）关于水坠坝土料分类的界定，当满足小于0.005mm的土粒含量∈［15%，20%］，液限ωL∈［26%，42%］，塑性指数IP∈［7%，17%］时为中粉质壤土，所以，本试验所采用的土壤为中粉质壤土，其粒径分布不均匀且级配良好，可以作为水坠坝的修筑土料（表1）。

表1 试验土料的物理性质

1.2 泥浆制备

本试验模拟泥浆泵现场筑坝泥浆，采用人工方式进行泥浆的制备，且每次搅拌泥浆的时间保持一致。采用烘干法测定土样含水量，按照公式（1）和（2）［4］计算配置不同土水比的泥浆时土样所需水的质量。

式中：Kn——泥浆土水比；rn——泥浆容重（g／cm3）；rd——土的干容重，可用土料自然状态的干容重或坝体设计时的干容重（g／cm3）；ω——土料的天然含水率；Gs——土料相对密度。

式中：ω0——泥浆含水率；rn——泥浆容重（g／cm3）；Gs——土料相对密度。

1.3 试验装置制作与安装

采用直径30cm的聚乙烯波纹管，分别截成50，100，150和200cm 4种高度，将其竖直固定在特制的铁皮桶中，铁皮桶底部边缘安装阀门；在铁皮桶内放置圆形铁支架，圆形支架与铁皮桶内壁紧贴。在波纹管一开口端包裹一层无纺土工布并用尼龙绳扎紧，再在无纺土工布外包裹钢丝网，并将此开口端向下套入铁皮桶中，竖立放置在支架上，铁皮桶内壁与波纹管外壁紧贴，并在铁皮桶与波纹管接缝处用透明胶带将其和波纹管密封，以防止蒸发。

1.4 充填泥浆与测定

配置土水比为1∶1，1.5∶1和2∶1的泥浆，将每一种土水比的泥浆分别充填在不同高度的聚乙烯波纹管中。为了减少误差，同一土水比泥浆在充填不同高度聚乙烯波纹管时，要求充填泥浆起止时间相同，一次性充填完毕，准确记录时间。聚乙烯波纹管顶部用塑料布加盖密封，防止水分蒸发损失和下雨时水分进入。

定期使用量筒对泥浆下渗水量和表层上析水量进行测定，用直尺（精度1.0mm）对泥浆的沉陷量进行测定。对泥浆初期下渗水量的测量时段为30min，随着下渗水量的逐渐减少，测量时段逐渐调整为6h。对泥浆表层析水量以及泥浆面的沉陷量测量时段为24h。当其中的3个试验泥浆上析水量和下渗水量同时为0时停止观测。

2 结果与分析

2.1 土水比和泥浆高度对排水量的影响

试验中泥浆水分分别通过表层析水和下渗两个途径排出。泥浆填筑完成后，在自重的作用下，土颗粒与水分进行重新分配，部分水分转移到泥浆体表层析出，即上析水；部分水分在自身重力和上层泥浆压力的双重作用下逐渐渗出，即下渗水。

由图1a可知，同一土水比的泥浆，随着填充高度的增加，其排水量亦增加。土水比为1∶1时，填充高度100，150，200cm的泥浆排水量分别是填充高度50cm排水量的2.0，3.0和3.9倍；土水比为1.5∶1时，分别是2.3，3.6，4.7倍；土水比为2∶1时，分别是2.1，3.4，5.3倍。由于泥浆填充越高，泥浆体积越大，泥浆含水量越多，相应排水量越大。同一泥浆充填高度下，土水比越小，其排水量越大。泥浆填充高度50cm时，土水比1∶1的泥浆排水量分别是土水比1.5∶1，2∶1的1.7和3.6倍；泥浆填充高度100cm时，分别是1.4和3.4倍；泥浆填充高度150cm时，分别是2.3和3.2倍；泥浆填充高度200cm时，分别是1.4和2.7倍。土水比越小，泥浆本身初始含水率越大，泥浆所含的自由水量越大，排出的水量也越多。

图1 不同土水比、泥浆高度与排水量的关系

由图1b可知，对于同一土水比，随着泥浆充填高度的增大，泥浆排水量占泥浆含水量的比例变化较小。土水比为1∶1时，4种泥浆高度下泥浆排水量占含水量的比例为50.64%～51.92%，平均51.48%；土水比为1.5∶1时，比例为36.12%～42.32%，平均39.99%；土水比为2∶1时，比例为19.28%～25.56%，平均21.82%。对于同一泥浆填充高度，土水比越大，其排出水占泥浆含水量的比例越小。泥浆充填高度为50cm时，土水比1∶1，1.5∶1和2∶1的泥浆其排出水的比例分别为51.56%，36.12%和19.28%；泥浆充填高度为100cm时，分别是51.82%，42.34%和20.35%；泥浆充填高度为150cm时，分别是51.92%，41.51%和22.10%；泥浆充填高度为200cm时，分别是50.64%，39.99%和25.56%。出现上述变化规律主要是土水比越小，泥浆初始含水率就越大，密度就越小，相应的浆体孔隙比就越大，浆体的透水性亦越大，水分容易排出。

由图1c可知，在泥浆的排水量中，前24h的排水量占总排水量的比例最大。在土水比为1∶1时，前24h排出水占总排水量的比例为84.26%～89.48%，平均87.33%；土水比为1.5∶1时，上述比例为77.77%～84.57%，平均81.80%；土水比为2∶1时，上述比例为 69.44% ～82.87%，平均75.79%。由于在泥浆的拌合过程中，彻底破坏了原状土结构，泥浆体开始受黏粒胶凝作用，胶结成稳定的团块，孔隙比大，开始时排水速度快，但随着泥浆的排水，浆体中的孔隙水压力将逐渐消散使孔隙变小，浆体越来越密实，其排水性能也相应的降低［13］。

根据土水比、泥浆高度与排水量的统计分析结果表明，对于同一土水比，其排水量和泥浆高度呈现线性关系，且相关性显著。回归分析结果如表2所示。

表2 排水量与泥浆高度回归关系

2.2 土水比和填筑高度对上析水量的影响

在试验过程中发现，泥浆充填后24h将表层析水排出后，随着时间的推进，泥浆表面不再有水分析出，即泥浆的上析水在泥浆充填后24h之内可以全部析出，并且在泥浆的表面形成了一个致密的泥皮。

由图2a可知，同一土水比，随着泥浆充填高度的增加，其上析水量也在增加。土水比为1∶1时，填充高度100，150，200cm的泥浆上析水量分别是填充高度50cm 时上析水量的2.4，3.9和5.4倍；土水比为1.5∶1时，分别是2.6，5.0，6.8倍；土水比为2∶1时分别是3.9，8.8，16.3倍。对于同一泥浆充填高度，土水比越小，其上析水量越大。泥浆填充高度50cm时，土水比1∶1的泥浆上析水量分别是土水比1.5∶1，2∶1的13.2和6.6倍；泥浆填充高度100cm时，分别是7.9和4.4倍；泥浆填充高度150cm时，分别是5.9和3.8倍；泥浆填充高度200cm时，分别是4.4和2.8倍。产生这一现象的原因与泥浆排水量变化规律的原因一样，即泥浆本身初始含水率大，泥浆所含的自由水的量大，上析的水量也就多。

图2 不同土水比、泥浆高度与上析水量的关系

由图2b可知，同一土水比，泥浆上析水量占排水量的比例随着泥浆充填高度的增加而增大。土水比为1∶1时，填充高度50，100，150，200cm 的泥浆上析水量占排水量的比例分别是52.24%，61.08%，68.26%和72.12%；土水比为1.5∶1时，比例分别是43.85%，49.02%，60.67% 和 64.37%；土 水 比 为2∶1时，比例分别是14.31%，26.72%，36.50%和43.91%。值得注意的是当土水比为2∶1，泥浆充填高度为50cm时，上析水量很少，仅为500ml，占总排水量的比例仅为14.31%。同一泥浆充填高度，泥浆上析水量占排水量的比例随着土水比的增大而减小。对于土水比为1∶1，1.5∶1的泥浆，初始含水较大，泥浆的密度较小，孔隙比较大，随着泥浆的排水，孔隙比变小，但变化率小，而对于土水比为2∶1的泥浆，初始泥浆的孔隙比较小，随着泥浆的排水，孔隙比变小，且变化率较大，孔隙比的迅速变小，使上析水量也相应迅速减少；此外，土水比为2∶1的泥浆，因其孔隙比较小，可以在泥浆表层较快的形成一层泥皮，泥皮具有明显的截渗作用［14］，从而阻碍了泥浆中水分的析出，使其上析水量占排水量的比例总体较小。

由图2c可知，同一土水比，泥浆上析水量占含水量的比例随着泥浆充填高度的增加而增大；对于同一泥浆充填高度，随着土水比的增大，其泥浆上析水量占含水量的比例减小。土水比为1∶1时，填充高度50，100，150，200cm泥浆的上析水量占含水量的比例分别是26.93%，31.65%，35.44%和36.52%；土水比为1.5∶1时，比例分别是15.84%，20.76%，25.18%和25.74%；土水比为2∶1时，比例分别是2.76%，5.44%，8.07%和11.23%。值得注意的是当土水比为2∶1，泥浆充填高度为50cm时，上析水量占含水量的比例就仅为2.76%，这说明在土水比较大时且泥浆充填高度较低时，泥浆表层析水较少，泥浆主要依靠下渗来排水。

根据泥浆高度与土水比、上析水量、上析水量占排水量的比例关系统计分析结果表明，对于同一土水比，其上析水量、上析水量占排水量比例与泥浆高度呈现线性关系，且相关性显著。回归分析结果如表3所示。

表3 泥浆高度与上析水量、上析水量占排水量比例的回归关系

2.3 土水比和填筑高度对下渗水量的影响

由图3a可知，同一土水比泥浆，下渗水量随着泥浆高度的增加而增加。土水比为1∶1时，填充高度100，150，200cm的泥浆下渗水量分别是填充高度50cm下渗水量的1.6，2.0和2.3倍；土水比为1.5∶1时，分别是2.1，2.5，3.0倍；土水比为2∶1时，分别是1.8，2.5，3.5倍。对于同一泥浆填充高度，下渗水量随着土水比的减小而增加。泥浆填充高度50cm时，土水比1∶1的泥浆下渗水量分别是土水比1.5∶1，2∶1的1.4和2.0倍；泥浆填充高度100cm时，分别是1.1和1.8倍；泥浆填充高度150cm时，分别是1.1和1.6倍；泥浆填充高度200cm 时，分别是1.1和1.3倍。下渗水量较上析水量明显减少。产生这一现象的原因与泥浆排水量变化规律的原因一样，即泥浆本身初始含水率大，泥浆所含的自由水的量大，下渗的水量也就多，而下渗水量的明显减少与泥浆较低的渗透性有关［15］。

图3 不同土水比、泥浆高度与下渗水量的关系

由图3b可知，对于同一土水比泥浆，下渗水量占排水量的比例随着泥浆高度的增加而减小。土水比为1∶1时，填充高度50，100，150和200cm泥浆的下渗水量占排水量的比例分别是47.76%，38.92%，31.74%和27.88%；土水比为1.5∶1时，比例分别是56.15%，50.98%，39.33%和35.63%；土水比为2∶1时，比 例 分 别 是 85.69%，73.28%，63.50% 和56.09%。随着泥浆填充高度的增加，底层泥浆在上层泥浆的重力作用下，泥浆内部孔隙变小，底层泥浆越来越密实，其下渗水量减小，占排水量的比例就越来越小。对于同一泥浆填充高度，下渗水量占排水量的比例随着土水比的增大而增大，且土水比为2∶1时，较其他两个土水比的比值增大迅速。对于土水比2∶1的泥浆，由于泥浆表层迅速的形成了一层泥皮，对上析水有截渗作用，泥浆中的水分只能在重力作用下以下渗为主，而土水比1∶1，1.5∶1的泥浆，表层泥皮形成较慢，上析水可以较顺畅的从表层排出，土水比2∶1的泥浆下渗水占排水量的比例较其余两个土水比的增大迅速。

由图3c可知，不同土水比泥浆之间其下渗水量占含水量的比例随着泥浆高度的增加，其变化较小。说明随着泥浆高度的增加，下渗水量受土水比的影响越来越小。因为泥浆本身渗透性就较低，此外，高度较小时，泥浆底层受到上层泥浆重力的作用较小，泥浆被压缩率较小，泥浆孔隙较大，再者，水分通过的距离较短，泥浆中水分下渗较快，而泥浆高度的增加，不仅使泥浆压缩率较大，泥浆孔隙减小，且水分通过距离也增大，导致不同土水比泥浆的下渗水量占含水量的比例趋于稳定，即变化不大。

根据泥浆高度与土水比、下渗水量、下渗水量占排水量的比例关系统计分析结果表明，对于同一土水比，其下渗水量、下渗水量占排水量的比例与泥浆高度呈现线性关系，且相关性显著。回归分析结果如表4所示。

表4 泥浆高度与下渗水量、下渗水量占排水量比例的回归关系

2.4 土水比和填筑高度对固结沉陷量的影响

泥浆的固结沉陷量是判断泥浆的脱水固结和排水性能好坏较为直观的依据之一，也是判断坝体固结变形的依据之一。浆体的固结沉陷过程实质是泥浆含水率减小，密度增大，孔隙水压力逐渐消散的过程。试验过程中，泥浆的水分一部分通过表层析出，一部分通过下渗排出，由此逐渐降低浆体含水率，孔隙水压力也逐渐消散，浆体最终脱水而固结。

由图4可知，对于同一土水比，泥浆的固结沉陷量随着泥浆填充高度的增加而增加；对于同一泥浆填充高度，泥浆的固结沉陷量随着土水比的增大而减小。这是因为泥浆体内含水量随着土水比的增加逐渐减小，相应的孔隙比逐渐减小，泥浆固结沉陷量也变小。由图4也可知，泥浆在前24h的沉陷量远大于之后几天的沉陷量。土水比1∶1时，泥浆前24h的固结沉陷量可达总固结沉陷量的90.91%～93.24%，平均92.10%；土水比1.5∶1时，可达81.70%～85.68%，平均83.27%；土水比2∶1时，可达77.10%～80.07%，平均78.37%；反映了泥浆的固结沉陷和排水主要集中在前24h，以后趋于稳定。

图4 不同土水比、泥浆高度与固结沉陷量的关系

3 结论

（1）同一土水比泥浆。排水量随着泥浆填充高度的增加而增大，泥浆排水量占泥浆含水量的比例随着土水比的增大而减小。泥浆的排水主要集中在前24h，可占总排水量的69.44%～89.48%；上析水量、上析水量占排水量的比例均随着泥浆填充高度的增加而增大，泥浆上析水量占泥浆含水量的比例随着土水比的增大而减小。泥浆的上析水在泥浆充填后的24h内全部析出；下渗水量随着泥浆高度的增加而增加，而下渗水量占排水量的比例则反之。随着泥浆充填高度的增加，土水比对下渗水量的影响越来越小；泥浆的固结沉陷量随泥浆充填高度的增加而增大，并且前24h内增长速率较快，随后趋于稳定。

（2）同一泥浆填充高度。排水量、泥浆排水量占含水量的比例均随着土水比的减小而增加；随着土水比的增加，上析水量、泥浆上析水量占排水量的比例以及泥浆上析水量占含水量的比例均减小；随着土水比的减小，下渗水量逐渐增加，而下渗水量占排水量的比例逐渐减小；泥浆的固结沉陷量随着土水比的增大而减小。泥浆前24h的固结沉陷量最大，可占总固结沉陷量的77.10%～93.24%。

目前，聚乙烯微孔波纹管道作为水坠坝坝体的排水系统已经在实践中得到广泛的应用，筑坝实践中对排水管网的布设形式有立体网状、束网状以及网状［8，16－18］。在软土地区，通过设置水平排水体 和竖直排水体组成空间网状排水体系，从而促使软土加速排水固结［19－20］。本研究发现，不同土水比、填充高度的泥浆排水固结有差异，这就要求在实际筑坝过程中根据实际情况有针对性的布设合理的排水措施，合理的排水管道结构。就本研究而言，泥浆土水比较小时，泥浆排水量大，且排水主要集中在前24h，并以上析水为主，因此，实际筑坝过程中，若筑坝泥浆土水比较小时，要注重充填泥浆的前期排水，且要加强布设泥浆表层排水措施，如在有管网排水措施时要增加竖向排水管的数量，及时将表层水排出，或者采用水泵对表层水进行抽排。当泥浆土水比较大、每次充填高度较小时，如当土水比为2∶1，泥浆充填高度为50cm时，下渗水量占总排水量的比例为85.69%，此时主要以下渗水为主，则在实际筑坝工程中可以考虑不布设表层析出水的排水措施，而要加强下渗水的排水措施，如增加横向、纵向排水管道数量。

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