新型固化剂改良黄土抗冲刷性能试验研究

张金良， 邓伟杰， 李禄禄， 张广禹， 盖永岗

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室，河南 郑州 450003)

黄土在我国陕西、青海、甘肃等西北部地区广泛分布。天然黄土具有质地松、颗粒细、强度低等特性，遇水后结构严重破坏[1]。黄河流经上述省份后，携带大量泥沙而下，使得泥沙问题成为黄河的最突出问题。淤地坝在黄河流域淤地造田、滞洪拦沙等问题上发挥着重要作用[2-3]。然而，由于淤地坝为均质土，抗冲刷性能不强，遇较大洪水时坝身易溃决，常带来严重的洪水灾害，极大地制约了淤地坝的发展[4-5]。近年来，随着黄土固化剂的发展，在黄土中掺加不同类型固化剂以提高淤地坝抗冲刷性能已成为热门课题[6,8]。张金良等[3]基于淤地坝新坝型结构、黄土固化新材料等，构建了高标准免管护淤地坝理论技术体系。杨小川[9]通过抗冲刷模型试验，研究了生石灰、水泥和粉煤灰不同比例掺和对分散性土抗冲刷性能的提高效果，结果表明，1%生石灰、1%水泥和4%粉煤灰的组合提高分散性土抗冲刷性能的效果明显。王银梅等[10]利用边坡顶端来流冲刷模型，研究了 SH 固化剂和固土植草相结合的方法加固黄土边坡的抗冲刷性，发现SH 固化黄土坡面后，坡面径流含沙量比黄土坡面的显著减小。在土体抗冲刷试验设备方面，许多学者也进行了研究，赵万杰等[11]、樊俊杰等[12]、张强等[13]先后通过明渠水槽、环形水槽以及封闭有压矩形管槽试验，研究了黏性土的起动和冲刷特性。

上述研究中多以明渠水槽、环形水槽或封闭有压矩形管槽进行试验，难以提供试验所需的流速和压力，且制件存在标准化问题，进而限制了试验的进行。本文针对上述问题，研发了一套新型的冲刷试验设备，能够提供不同的稳态流速和恒定水压，并可对流速和水压进行实时监测。采用该试验装置，重点研究了新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能以及龄期、压实度和掺量对新型固化剂改良黄土抗冲刷性能的影响，以期对新型固化剂的改良效果做出评估，为进一步的工程应用提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

1.1.1 黄土

试验用土样取自山西省吉县古贤工程坝址区黄土，黄土的最大干密度为1.74 g/cm3，最优含水率为17.0%，采用98.0%的压实度，制样干密度为1.71 g/cm3。各工况均按照此标准制备试样(不同压实度试验除外)。

1.1.2 新型固化剂

研究中所用固化剂为自主研发的新型固化剂，其以矿渣、石膏为活性物质，以水泥和成岩剂为碱性激发剂，固化剂外观为灰色粉末状，如图1所示。

图1 新型黄土固化剂

通过数次试验，确定最优配合比，黄土、固化剂、细砂按照 6∶3∶1 的比例掺和后，可明显提高黄土的耐水性和水稳定性。经试验发现，新型固化剂改良黄土的28 d无限侧抗压强度可以达到10 MPa以上，首次吸水后的吸水率随龄期增长变化不大，30次冻融循环后强度损失率仅为20%左右，强度最小值仍远大于素黄土强度。另外，该新型固结剂成本低廉，可大幅度降低工程费用。

1.2 试验设备

笔者研制的抗冲刷试验设备，主要包括冲刷试验系统、循环供水系统、监测测量系统、制样附属系统等，如图2所示。该试验设备能够提供不同的稳态流速和恒定水压，对试样进行长时间持续的冲刷，并可对流速和水压进行实时监测、对冲刷试验过程进行观察、对冲刷面积进行观测、对冲刷质量进行测量。

冲刷试验系统包括漏斗状进水段、圆筒状试件套筒、漏斗状出水段、密封圈和透水板等，能够保证密封性，实现水流沿试件顶面预留缝隙进行冲刷的功能。循环供水系统包括水箱、数控变频水泵、水泵稳定器等，能持续提供0～40 m/s的冲刷流速。监测测量系统包括电磁流量计、水压力计等，可以监测瞬时流量、累计流量以及水压力。制样附属系统包括底座、成缝锥、上导土护环、固定螺栓、击样锤等，能够制成中心预留长方形缝隙的标准抗冲刷试件，以保证制件质量和试件标准化。

图2 试验仪器结构示意图

试样为圆柱体，结合土工试验试样尺寸及渗流试验规范，制成的试件直径为61.8 mm、高度为40 mm。试样的冲刷缝隙为长方形，缝隙的截面积设计为其百分之一，即30 mm2。为保证试样颗粒被冲蚀掉后能顺利地被水流带走，缝隙的尺寸为2 mm×15 mm(土壤颗粒粒径一般小于0.5 mm，设置缝隙的最小尺寸为0.5 mm的4倍，即为2 mm)。

制好的抗冲刷试件安装在冲刷试验系统中，通过循环供水系统提供不同的稳态流速和恒定水压对试件进行冲刷，通过监测测量系统对流速和水压进行记录。

1.3 试验设计

1.3.1 试验过程

1)制样。试验采用重塑黄土，按照一定的配方、密度、含水率，在制样附属系统内制备长方形孔试样，养护至试验龄期，试验前进行抽气饱和。

2)装样。擦去试样表面水分，称其质量并记录，对试样两端进行拍照。将试样推入圆筒状试件套筒，并对上下端进行密封，拧紧螺栓。

3)试验。启动水泵，设定流速，每隔一段时间，拆卸试样擦干表面称其质量、记录并拍照。

1.3.2 试验方案

为验证新型固化剂掺入后对黄土抗冲刷性能的影响，设置了对照组，研究相同工况下素黄土与新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能。研究不同龄期、压实度以及掺量对新型固化剂改良黄土抗冲刷性能的影响。具体试验方案见表1，每组工况各进行3次试验，取平均值作为结果进行分析。

表1 试验工况

为评价新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能，定义冲刷流速V，缝隙内水流的平均断面流速，单位m/s，计算公式见式(1)。冲蚀率N为某一流速下，持续冲刷t小时后的质量损失占原试件质量的百分比，计算公式见式(2)。抗冲刷强度R为单位面积上冲蚀损失1 g试样所需要的小时数，单位为(h·cm2)/g，计算公式见式(3)。最大抗冲刷流速Vmax，指试件在某一冲刷流速作用下，开始产生冲刷破坏的临界速度，单位为m/s。

(1)

式中：Q为水循环系统流量，由流量计监视器读取，m3/h；a为试样内缝隙的截面积，cm2。

(2)

式中：M0为试样冲刷前的质量，g；Mt为某一流速下，试件持续冲刷t小时后的质量，g。

(3)

式中：S为试样缝隙的受水冲刷面积，即缝隙的表面积(由于试件发生冲刷破坏后，缝隙的形状不再规则，为了便于分析，这里认为冲刷过程中缝隙的表面积不变)，cm2；t为冲刷试样的时间，h。

2 试验与分析

2.1 新型固化剂改良黄土抗冲刷试验

以素黄土掺30%新型固化剂作为试验组，以素黄土作为对照组，均压实至98%压实度，并同条件养护28 d后进行试验。

素黄土的抗冲刷能力较弱，在低冲刷流速、短时间作用下即发生冲刷破坏。因此，在试验时设定冲刷流速恒为5 m/s，通过试验观察发现，历时1.8 h素土试样已被严重冲蚀，结果如图3所示。图4给出的是素黄土冲蚀率随冲刷时间的变化关系。结合图3和图4可以看出：进行冲刷试验时，素黄土在较短的时间(0.8 h)内，就发生了冲蚀；冲蚀先从出水面开始，出水口首先冲蚀加大，进而向进水面发展；随着冲蚀程度加深，下游面逐渐演变成漏斗状剥离，进水面也受到剥蚀，程度弱于出水面；最终，素黄土试样的出水口面积变为原来的10倍左右，冲蚀率为21.5%。

图3 素黄土抗冲刷试验结果

图4 素黄土冲蚀率随冲刷时间变化关系

新型固化剂改良黄土在低冲刷流速、长时间作用下并未发生冲刷破坏，故试验时不断提高冲刷流速来观察并确定新型固化剂改良黄土的抗冲刷效果，结果如图5所示。图6给出的是新型固化剂改良黄土冲蚀率随冲刷时间变化关系。结合图5和图6可以看出：经新型固化剂改良后的黄土，试样的抗冲刷性能很强，能够长时间抵抗水流冲刷而不发生冲蚀，从样品表面观察不到冲蚀，试样的进、出水口面积几乎不变；在冲刷流速为21 m/s时，冲刷2 h后，新型固化剂改良黄土的冲蚀率几乎为零；随着冲刷流速的不断提高，新型固化剂改良黄土才发生微弱冲蚀，当冲刷流速提升为29.5 m/s，累积冲刷11 h后，新型固化剂改良黄土的最终冲蚀率仅为0.19%。

图5 新型固化剂改良黄土抗冲刷试验结果

图6 新型固化剂改良黄土冲蚀率随冲刷时间变化关系

为进一步分析新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能，图7给出了素黄土和新型固化剂改良黄土抗冲刷效果对比图。由图7可知：素黄土的抗冲刷强度为0.6 (h·cm2)/g，最大抗冲刷流速为6.3 m/s;新型固化剂改良黄土的抗冲刷强度为296 (h·cm2)/g，最大抗冲刷流速为32.2 m/s，相比素土其抗冲刷强度提高了约492倍，故该新型固化剂对于提高黄土的抗冲刷性能具有明显效果。

图7 素黄土和新型固化剂改良黄土抗冲刷效果对比

2.2 不同龄期新型固化剂改良黄土抗冲刷试验

养护龄期是研究固化剂性能的一个重要参数，素土中掺入固化剂，固化剂中的矿物元素与土起反应，形成新的结合体。为此，在固化剂掺量、压实度相同的条件下，试验研究了7、14、28 d 3种龄期新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能。试验时设定冲刷流速为35 m/s，冲刷时间为8 h，试验结束后分别计算各试件的冲蚀率和抗冲刷强度，试验结果如图8所示。从图8可以看出，随着龄期的增长，试样冲蚀率逐渐减小，抗冲刷强度不断增大，但冲蚀率和抗冲刷强度随龄期的变化呈非线性，14 d和28 d龄期新型固化剂改良黄土的冲蚀率和抗冲刷强度变化速率降低。由此可见，该新型固化剂能够与土快速反应，短时间内其抗冲刷性能就能得到很大提升。

图8 不同龄期新型固化剂改良黄土冲蚀率、抗冲刷强度变化关系

2.3 不同压实度新型固化剂改良黄土抗冲刷试验

龄期、固化剂掺量相同时，新型固化剂改良黄土的干密度也会对其抗冲刷性能有一定的影响，试验同样在冲刷流速35 m/s、冲刷时间8 h的条件下进行，研究5种压实度(90%、92%、94%、96%、98%)条件下新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能，试验结果如图9所示。从图9可以看出：试件的冲蚀率随着压实度的提高而降低，抗冲刷强度随压实度的增大而增大；压实度对新型固化剂改良黄土抗冲刷性能的影响较大，压实度为96%的新型固化剂改良黄土的抗冲刷强度约为压实度为90%的新型固化剂改良黄土的10倍；新型固化剂改良黄土抗冲刷强度随压实度的增长也呈非线性，在压实度提高前期(90%提高到94%)，新型固化剂改良黄土抗冲刷强度提升不明显，当压实度提高到96%时，新型固化剂改良黄土抗冲刷强度明显提升，而在压实度提高后期(96%提高到98%)，新型固化剂改良黄土抗冲刷强度的提升又变得不明显。

图9 不同压实度新型固化剂改良黄土冲蚀率、抗冲刷强度变化关系

2.4 不同掺量新型固化剂改良黄土抗冲刷试验

龄期和压实度相同时，新型固化剂的掺量会对改良黄土的抗冲刷性能产生影响。试验同样在冲刷流速35 m/s、冲刷时间8 h的条件下进行，研究3种掺量(10%、20%、30%)新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能，试验结果如图10所示。

图10 不同掺量新型固化剂改良黄土冲蚀率、抗冲刷强度变化关系

从图10可以看出：随着新型固化剂掺量的增加，改良黄土的冲蚀率逐渐降低，抗冲刷强度逐渐增大，且抗冲刷强度与新型固化剂的掺量呈线性关系；当新型固化剂掺量较小时(10%)，改良黄土的抗冲刷性能已得到很大提升，当继续增加新型固化剂掺量时，改良黄土的抗冲刷性能虽有提高，但提高幅度不明显。如新型固化剂掺量从10%提高到30%后，改良黄土的抗冲刷强度从260 (h·cm2)/g提高到296 (h·cm2)/g，仅提高12.2%，与素黄土掺加10%新型固化剂后抗冲刷强度提高492倍相比，提高幅度并不明显。可见，在考虑成本因素时，一味地增加固化剂的掺量是不经济的，而应结合具体的黄土特性，寻找最优固化剂掺量。

3 结论

1)自主研发的抗冲刷试验设备能够提供不同的稳态流速和恒定水压，可以对试样进行长时间持续的冲刷，并可对流速和水压进行实时监测，还可以对冲刷试验过程进行观察、对冲刷面积进行观测、对冲刷质量进行测量，能够满足土体抗冲刷试验的研究要求。

2)与素黄土相比，新型固化剂改良黄土在流速大、冲刷时间长的情况下，冲蚀率依然小于素黄土。可见，经新型固化剂改良后的黄土其抗冲刷强度明显提高。

3)新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能随龄期的增长而增强，且与黄土反应迅速，短时间内抗冲刷性能就得到了很大提升。

4)新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能随其压实度的增大而增强；在压实度提高初期和后期，抗冲刷性能提高速率较慢；在压实度提高中期，抗冲刷性能提高速率较快。

5)新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能随新型固化剂掺量的增加而增强，且呈线性关系。当新型固化剂掺量较小时，改良黄土的抗冲刷性能已得到很大提升。

6)新型固化剂改良黄土的抗冲刷性能技术指标能够满足土坝过流而不溃决的要求，可用于淤地坝建设。