水下坝体基础填土饱和度研究及工程应用

朴春红

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

水下坝体基础填土饱和度研究及工程应用

朴春红

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

饱和度系数主要是通过含水率转换得到,但是对于长期处在水环境侵泡的坝体来说,采取烘干的方式进行取样计算含水率,获取的数据不准确,含水率的值比真实值大,导致饱和度计算不精确。深入研究土体颗粒之间水的分布情况,并发现饱和度偏高是由于试验中水分散失引起。利用土力学理论知识,建立饱和土的二项体模型,对饱和度和结合水关系进行定量研究。

填土;饱和度;弱结合水;二相体系模型

饱和度是土体试验中一个非常重要的数据，对于注浆和基坑回填工程［1］具有非常重要的意义。经过长期的实验发现，填土中含有大量的亲水物质，这些物质的某些物理性质将会影响饱和度。以注浆为例，根据饱和度可以更加容易的判断出建筑是否被成功的加固。正常情况下，饱和度不能大于1，但是在实际操作中发现，饱和度大于1的情况［3］比比皆是。因此之前的试验方法不能够用于实际操作中，本文将在这方面进行深入分析研究。

1 水土相互作用

1.1 土粒周围结合水分布特点

在基坑工程中，经常进行回填处理，回填的土往往是带有电性的，并且与水接触后，附近的液体就会被电离，与填土构成双电层，在同性相斥，异性相吸的规律作用下，带有相同电荷的土粒将会分离。距离不断的增大，并且土中空隙内外的液体浓度相同时，空隙扩展停止，形成一个扩散层。根据物理知识可知，这个扩散层可以用下述表达式表示:

式中:φ为扩散层中离土粒表面距离为x处的电位，单位:V;φ0为土粒表面电位，单位:V;K为扩散层厚度参数，单位:L/c m。

土颗粒之间的引力大小不但受到电荷的大小的影响，还受距离的影响，一般是成反比的关系。然后为了计算方便以及修正精确度，加入相关系数ξ［4］。所以，可以把水、土粒之间受力简化成:f= ξ*f0，式中:f为水、土粒间作用力，N;ξ为引力系数;f0为水、土粒间作用力基准值。ξ的计算值见表1。

表1 ξ取值

根据表1我们可以得到，随着空隙的不断增大，土粒和水分子之间的吸引力不断减小，当扩散层达到一定的数值时，这个吸引力将会逐渐趋于一个常数。

2 饱和度计算

2.1 基本公式

填土中的弱结合水的饱和度利用现行的方法无法直接进行试验测得，在实际生产生活中，通过土力学中所学到的知识，可以通过已知量推导未知量。利用本文研究，孔隙比可以利用其他相关数据推导获得，这样对于土中弱结合水的饱和度影响最大的一个因素就变成了土的重力水的含水量。

式中:Sr为土的饱和度;w为含水率;ρ为密度，g·c m-3;ds为土粒相对密度，g·c m-3。

结合物理和数学的相关知识，不难得出结论:影响饱和度最大的一个因素是含水量。

2.2 饱和度相关参数

在研究的过程中，我们把土试样视为完全饱和，并通过下面的模型进行分析。如图1所示。

假设选取土的试验的体积为单位量，也就是1，并且土中空隙都被水充满，不含有任何气体;假设测试含水率的试验中，由Vw为土中水的体积，土中蒸发出的水的体积为Vj，并且剩余土的体积是Vs;对应于自由水、弱结合水、土粒和土的密度分别为:ρw、ρj、ds、ρ。

式中:Vv为空隙体积，c m-3;Vj为蒸发的水的体积，c m-3;Vs剩余土的体积，c m-3;ρw自由水密度，g·c m-3;ρj弱结合水密度，g·c m-3;ds土粒密度，g·c m-3;ρ土自然密度，g·c m-3。

考虑部分散失的弱结合水时，土的含水率w定义为:

这样可以解出VV、Vj、Vs，从而推出自由水的含水率公式w0以及弱结合水含水率公式wj:

3 饱和度修正意义

3.1 数据资料

我国对坝体抗击洪水的防护标准有着明确的强度规定，因此对于辽宁省内的一些堤坝需要进行重新加固。但是由于堤坝修筑年代久远，一些基本数据已经流失，需要重新对堤坝进行实地检测。选取恒仁水坝进行分析，结果见表2，堤坝的地基的主要材料为粘性土，并且土中的孔隙比明显偏大，干密度却比标准要小，弱结合水的饱和度大于1。按照现有标准，这段堤坝已经不能再进行工作，但是在特大洪水中，这段堤坝不仅能够发挥抗洪功能，并且起到了最关键的作用。按照本文的研究结果，对土试样的物理标准进行重新测定，结果见表3。

表2 大堤土工试验成果表

表3 修正后大堤土样指标表

3.2 修正结果讨论

3.2.1 饱和度与弱结合水关系

根据实验数据计算得知，弱结合水的含量见表2。而饱和度和弱结合水的关系如图2所示，从图中很明显可以发现弱结合水和饱和度之间存在着非常精确的函数关系，由此可以解释为什么饱和度的实际测量值远远大于理论值。

图2 饱和度和弱结合水之间的关系图

3.2.2 孔隙比与弱结合水关系

由图3和图4可知，弱结合水的溢出现象和图中的孔隙比有着一定的关系，原因是填土中存在着一定量的弱结合水，因此实际计算出的孔隙比将大于实际数值，并且孔隙比的结果和弱结合水的含量成正相关。

图3 孔隙比与结合水关系图

图4 孔隙比差值与弱结合水关系图

4 工程应用

4.1 工程概况

本溪桓仁东方红水电站位于深度比较厚的覆盖层面上，在基础上面主要是利用混凝土防渗墙。轴线的总长度为260m，墙体的厚度为0.9m，可以设置的最大的深度为56m，两侧边坡部分所嵌入的基本的岩石将达到1m。在加固过程中进行了注浆，根据前面的讨论，我们从坝体底部采取的试样进行了试验。

4.2 土中亲水矿物或有机质含量判定

由于亲水矿物的特殊性质或者有机物的特殊物理性质，使得含水量监测变得十分困难，因为这些特性会增强土吸附水的能力，从而无法得出正确的实验数据。运用本文的成果，则原先计算出的含水量大小也会受到相应因素的影响，表现为含水量变大，见表4和图5，主要是因为吸附在土颗粒上的水与土颗粒脱离，融入到原有的水中。

4.3 注浆施工效果判别

根据对完全饱和土的分析发现，在完全饱和土中空隙非常大，但是这并不影响土粒之间的连接，反而由于这一特性让压力能够更加快速的传递，将浓浆注入到地层中的时候，需要依据这个对压力和流速进行控制，如果控制不好压力和流速则会严重影响注浆效果，影响施工。由于吸浆能力的不同，在完全饱和土劈裂后，我们需要迅速的更换浆液，并根据对完全饱和土的分析来有计划地改变浆液的成分。

表4 土样指标表

图5 饱和度分析后对比曲线

5 结语

水工建筑修建的地基不同，将会使得计算的得到的受力不同，导致选取的基础就会存在差异，通过试验研究发现，弱结合水的饱和度以及干密度等之间存在一定的关系，但是由于试验中受到一些不可抗拒因素的影响，致使试验结果有一定的偏差。根据土、水相互作用性质，分析土颗粒周围结合水分布特点，指出浸水大堤填土试样饱和度偏高的原因在于烘干试验中有部分弱结合水逸出。根据经典土力学理论，对饱和度与弱结合水含量间的关系进行定量分析，判读水中是否有亲水物质，并在本溪恒仁东方红水电站工程中成功进行应用。

［1］侯继祥.堤基渗透破坏机理及控制方法探讨［J］.水利规划与设计，2015(07).

［2］马晓丽，李德祥，钱志文.堤坝防渗设计在水利工程中的应用［J］.水利规划与设计，2015(10):99-101.

［3］蔡江东，姜振泉，朱术云.山东某矿深部黏性土饱和度修正及其工程意义［J］.能源技术与管理，2009(01):96-98.

［4］蔡江东，姜振泉.浸水大堤黏性土填筑质量判别［J］.人民黄河，2008(09):18-19+21.

T U 43

B

1008-1305(2016)05-0106-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.037

2015-11-20

朴春红(1985年—)，女，工程师。