楊 鋒，張武俊，劉長(zhǎng)濤，朱首軍

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.陜西省水土保持局，陜西 西安710004；3.延安市志丹縣水務(wù)局，陜西 延安717599）

黃土高原丘陵溝壑區(qū)是中國(guó)乃至世界水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，作為該區(qū)水土流失治理重要措施之一的淤地壩，在生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益等方面均產(chǎn)生了顯著作用［1－3］。

目前，中國(guó)淤地壩的修筑方式主要有水墜和碾壓兩種方式，其中水墜法具有工效高，利用時(shí)間長(zhǎng)，效益高，投資少的特點(diǎn)［4－5］，使其得到了快速發(fā)展。水墜壩體的脫水固結(jié)是筑壩的關(guān)鍵［6］，而直接判別壩體泥漿脫水固結(jié)快慢的依據(jù)是壩體排水效果是否顯著。為了加快壩體泥漿的脫水固結(jié)，在實(shí)踐中采用無(wú)紡?fù)凉た椢锇垡蚁┪⒖撞y管的排水系統(tǒng)，它是排水反濾的較佳結(jié)合［7－10］，因其具有施工方便，成本低廉，加速排水等特點(diǎn)而被廣泛使用。此外，動(dòng)力排水固結(jié)法在軟土排水方面得到了成功而廣泛的應(yīng)用［11］。但壩體泥漿的排水規(guī)律研究較少，直接影響了壩體聚乙烯微孔波紋管道的合理布設(shè)。

本文通過(guò)研究泥漿排水固結(jié)隨著泥漿土水比、填充高度的變化規(guī)律，為工程實(shí)踐確定合理的排水措施，布設(shè)合理的排水管道結(jié)構(gòu)提供重要的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究供試土樣取自延安市志丹縣順寧鎮(zhèn)任坪村前拐溝村泥漿泵筑壩項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。泥漿泵筑壩是在水墜壩的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新型筑壩工藝，是將土和水按一定的體積比例，經(jīng)機(jī)械設(shè)備攪拌后所成的漿體用泥漿泵輸送至壩面，脫水固結(jié)后所形成的泥漿壩。通過(guò)土工試驗(yàn)［12］測(cè)定，粒徑小于0.005mm的土粒含量為18.81%，不均勻系數(shù)Cu為12.7，曲率系數(shù)Cc為2.0；最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率ωop的均值μ 的95% 置信區(qū)間分別為［1.68，1.70g／cm3］和［15.83%，17.85%］；滲透系數(shù)為1.78×10－5cm／s；液限ωL為27.9，塑限ωP為18.9，塑性指數(shù)Ip為9.0。據(jù)《水墜壩技術(shù)規(guī)范》（SL302—2004）關(guān)于水墜壩土料分類(lèi)的界定，當(dāng)滿(mǎn)足小于0.005mm的土粒含量∈［15%，20%］，液限ωL∈［26%，42%］，塑性指數(shù)IP∈［7%，17%］時(shí)為中粉質(zhì)壤土，所以，本試驗(yàn)所采用的土壤為中粉質(zhì)壤土，其粒徑分布不均勻且級(jí)配良好，可以作為水墜壩的修筑土料（表1）。

表1 試驗(yàn)土料的物理性質(zhì)

1.2 泥漿制備

本試驗(yàn)?zāi)M泥漿泵現(xiàn)場(chǎng)筑壩泥漿，采用人工方式進(jìn)行泥漿的制備，且每次攪拌泥漿的時(shí)間保持一致。采用烘干法測(cè)定土樣含水量，按照公式（1）和（2）［4］計(jì)算配置不同土水比的泥漿時(shí)土樣所需水的質(zhì)量。

式中：Kn——泥漿土水比；rn——泥漿容重（g／cm3）；rd——土的干容重，可用土料自然狀態(tài)的干容重或壩體設(shè)計(jì)時(shí)的干容重（g／cm3）；ω——土料的天然含水率；Gs——土料相對(duì)密度。

式中：ω0——泥漿含水率；rn——泥漿容重（g／cm3）；Gs——土料相對(duì)密度。

1.3 試驗(yàn)裝置制作與安裝

采用直徑30cm的聚乙烯波紋管，分別截成50，100，150和200cm 4種高度，將其豎直固定在特制的鐵皮桶中，鐵皮桶底部邊緣安裝閥門(mén)；在鐵皮桶內(nèi)放置圓形鐵支架，圓形支架與鐵皮桶內(nèi)壁緊貼。在波紋管一開(kāi)口端包裹一層無(wú)紡?fù)凉げ疾⒂媚猃埨K扎緊，再在無(wú)紡?fù)凉げ纪獍摻z網(wǎng)，并將此開(kāi)口端向下套入鐵皮桶中，豎立放置在支架上，鐵皮桶內(nèi)壁與波紋管外壁緊貼，并在鐵皮桶與波紋管接縫處用透明膠帶將其和波紋管密封，以防止蒸發(fā)。

1.4 充填泥漿與測(cè)定

配置土水比為1∶1，1.5∶1和2∶1的泥漿，將每一種土水比的泥漿分別充填在不同高度的聚乙烯波紋管中。為了減少誤差，同一土水比泥漿在充填不同高度聚乙烯波紋管時(shí)，要求充填泥漿起止時(shí)間相同，一次性充填完畢，準(zhǔn)確記錄時(shí)間。聚乙烯波紋管頂部用塑料布加蓋密封，防止水分蒸發(fā)損失和下雨時(shí)水分進(jìn)入。

定期使用量筒對(duì)泥漿下滲水量和表層上析水量進(jìn)行測(cè)定，用直尺（精度1.0mm）對(duì)泥漿的沉陷量進(jìn)行測(cè)定。對(duì)泥漿初期下滲水量的測(cè)量時(shí)段為30min，隨著下滲水量的逐漸減少，測(cè)量時(shí)段逐漸調(diào)整為6h。對(duì)泥漿表層析水量以及泥漿面的沉陷量測(cè)量時(shí)段為24h。當(dāng)其中的3個(gè)試驗(yàn)?zāi)酀{上析水量和下滲水量同時(shí)為0時(shí)停止觀測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土水比和泥漿高度對(duì)排水量的影響

試驗(yàn)中泥漿水分分別通過(guò)表層析水和下滲兩個(gè)途徑排出。泥漿填筑完成后，在自重的作用下，土顆粒與水分進(jìn)行重新分配，部分水分轉(zhuǎn)移到泥漿體表層析出，即上析水；部分水分在自身重力和上層泥漿壓力的雙重作用下逐漸滲出，即下滲水。

由圖1a可知，同一土水比的泥漿，隨著填充高度的增加，其排水量亦增加。土水比為1∶1時(shí)，填充高度100，150，200cm的泥漿排水量分別是填充高度50cm排水量的2.0，3.0和3.9倍；土水比為1.5∶1時(shí)，分別是2.3，3.6，4.7倍；土水比為2∶1時(shí)，分別是2.1，3.4，5.3倍。由于泥漿填充越高，泥漿體積越大，泥漿含水量越多，相應(yīng)排水量越大。同一泥漿充填高度下，土水比越小，其排水量越大。泥漿填充高度50cm時(shí)，土水比1∶1的泥漿排水量分別是土水比1.5∶1，2∶1的1.7和3.6倍；泥漿填充高度100cm時(shí)，分別是1.4和3.4倍；泥漿填充高度150cm時(shí)，分別是2.3和3.2倍；泥漿填充高度200cm時(shí)，分別是1.4和2.7倍。土水比越小，泥漿本身初始含水率越大，泥漿所含的自由水量越大，排出的水量也越多。

圖1 不同土水比、泥漿高度與排水量的關(guān)系

由圖1b可知，對(duì)于同一土水比，隨著泥漿充填高度的增大，泥漿排水量占泥漿含水量的比例變化較小。土水比為1∶1時(shí)，4種泥漿高度下泥漿排水量占含水量的比例為50.64%～51.92%，平均51.48%；土水比為1.5∶1時(shí)，比例為36.12%～42.32%，平均39.99%；土水比為2∶1時(shí)，比例為19.28%～25.56%，平均21.82%。對(duì)于同一泥漿填充高度，土水比越大，其排出水占泥漿含水量的比例越小。泥漿充填高度為50cm時(shí)，土水比1∶1，1.5∶1和2∶1的泥漿其排出水的比例分別為51.56%，36.12%和19.28%；泥漿充填高度為100cm時(shí)，分別是51.82%，42.34%和20.35%；泥漿充填高度為150cm時(shí)，分別是51.92%，41.51%和22.10%；泥漿充填高度為200cm時(shí)，分別是50.64%，39.99%和25.56%。出現(xiàn)上述變化規(guī)律主要是土水比越小，泥漿初始含水率就越大，密度就越小，相應(yīng)的漿體孔隙比就越大，漿體的透水性亦越大，水分容易排出。

由圖1c可知，在泥漿的排水量中，前24h的排水量占總排水量的比例最大。在土水比為1∶1時(shí)，前24h排出水占總排水量的比例為84.26%～89.48%，平均87.33%；土水比為1.5∶1時(shí)，上述比例為77.77%～84.57%，平均81.80%；土水比為2∶1時(shí)，上述比例為 69.44% ～82.87%，平均75.79%。由于在泥漿的拌合過(guò)程中，徹底破壞了原狀土結(jié)構(gòu)，泥漿體開(kāi)始受黏粒膠凝作用，膠結(jié)成穩(wěn)定的團(tuán)塊，孔隙比大，開(kāi)始時(shí)排水速度快，但隨著泥漿的排水，漿體中的孔隙水壓力將逐漸消散使孔隙變小，漿體越來(lái)越密實(shí)，其排水性能也相應(yīng)的降低［13］。

根據(jù)土水比、泥漿高度與排水量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，對(duì)于同一土水比，其排水量和泥漿高度呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，且相關(guān)性顯著?；貧w分析結(jié)果如表2所示。

表2 排水量與泥漿高度回歸關(guān)系

2.2 土水比和填筑高度對(duì)上析水量的影響

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，泥漿充填后24h將表層析水排出后，隨著時(shí)間的推進(jìn)，泥漿表面不再有水分析出，即泥漿的上析水在泥漿充填后24h之內(nèi)可以全部析出，并且在泥漿的表面形成了一個(gè)致密的泥皮。

由圖2a可知，同一土水比，隨著泥漿充填高度的增加，其上析水量也在增加。土水比為1∶1時(shí)，填充高度100，150，200cm的泥漿上析水量分別是填充高度50cm 時(shí)上析水量的2.4，3.9和5.4倍；土水比為1.5∶1時(shí)，分別是2.6，5.0，6.8倍；土水比為2∶1時(shí)分別是3.9，8.8，16.3倍。對(duì)于同一泥漿充填高度，土水比越小，其上析水量越大。泥漿填充高度50cm時(shí)，土水比1∶1的泥漿上析水量分別是土水比1.5∶1，2∶1的13.2和6.6倍；泥漿填充高度100cm時(shí)，分別是7.9和4.4倍；泥漿填充高度150cm時(shí)，分別是5.9和3.8倍；泥漿填充高度200cm時(shí)，分別是4.4和2.8倍。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因與泥漿排水量變化規(guī)律的原因一樣，即泥漿本身初始含水率大，泥漿所含的自由水的量大，上析的水量也就多。

圖2 不同土水比、泥漿高度與上析水量的關(guān)系

由圖2b可知，同一土水比，泥漿上析水量占排水量的比例隨著泥漿充填高度的增加而增大。土水比為1∶1時(shí)，填充高度50，100，150，200cm 的泥漿上析水量占排水量的比例分別是52.24%，61.08%，68.26%和72.12%；土水比為1.5∶1時(shí)，比例分別是43.85%，49.02%，60.67% 和 64.37%；土 水 比 為2∶1時(shí)，比例分別是14.31%，26.72%，36.50%和43.91%。值得注意的是當(dāng)土水比為2∶1，泥漿充填高度為50cm時(shí)，上析水量很少，僅為500ml，占總排水量的比例僅為14.31%。同一泥漿充填高度，泥漿上析水量占排水量的比例隨著土水比的增大而減小。對(duì)于土水比為1∶1，1.5∶1的泥漿，初始含水較大，泥漿的密度較小，孔隙比較大，隨著泥漿的排水，孔隙比變小，但變化率小，而對(duì)于土水比為2∶1的泥漿，初始泥漿的孔隙比較小，隨著泥漿的排水，孔隙比變小，且變化率較大，孔隙比的迅速變小，使上析水量也相應(yīng)迅速減少；此外，土水比為2∶1的泥漿，因其孔隙比較小，可以在泥漿表層較快的形成一層泥皮，泥皮具有明顯的截滲作用［14］，從而阻礙了泥漿中水分的析出，使其上析水量占排水量的比例總體較小。

由圖2c可知，同一土水比，泥漿上析水量占含水量的比例隨著泥漿充填高度的增加而增大；對(duì)于同一泥漿充填高度，隨著土水比的增大，其泥漿上析水量占含水量的比例減小。土水比為1∶1時(shí)，填充高度50，100，150，200cm泥漿的上析水量占含水量的比例分別是26.93%，31.65%，35.44%和36.52%；土水比為1.5∶1時(shí)，比例分別是15.84%，20.76%，25.18%和25.74%；土水比為2∶1時(shí)，比例分別是2.76%，5.44%，8.07%和11.23%。值得注意的是當(dāng)土水比為2∶1，泥漿充填高度為50cm時(shí)，上析水量占含水量的比例就僅為2.76%，這說(shuō)明在土水比較大時(shí)且泥漿充填高度較低時(shí)，泥漿表層析水較少，泥漿主要依靠下滲來(lái)排水。

根據(jù)泥漿高度與土水比、上析水量、上析水量占排水量的比例關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，對(duì)于同一土水比，其上析水量、上析水量占排水量比例與泥漿高度呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，且相關(guān)性顯著?；貧w分析結(jié)果如表3所示。

表3 泥漿高度與上析水量、上析水量占排水量比例的回歸關(guān)系

2.3 土水比和填筑高度對(duì)下滲水量的影響

由圖3a可知，同一土水比泥漿，下滲水量隨著泥漿高度的增加而增加。土水比為1∶1時(shí)，填充高度100，150，200cm的泥漿下滲水量分別是填充高度50cm下滲水量的1.6，2.0和2.3倍；土水比為1.5∶1時(shí)，分別是2.1，2.5，3.0倍；土水比為2∶1時(shí)，分別是1.8，2.5，3.5倍。對(duì)于同一泥漿填充高度，下滲水量隨著土水比的減小而增加。泥漿填充高度50cm時(shí)，土水比1∶1的泥漿下滲水量分別是土水比1.5∶1，2∶1的1.4和2.0倍；泥漿填充高度100cm時(shí)，分別是1.1和1.8倍；泥漿填充高度150cm時(shí)，分別是1.1和1.6倍；泥漿填充高度200cm 時(shí)，分別是1.1和1.3倍。下滲水量較上析水量明顯減少。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因與泥漿排水量變化規(guī)律的原因一樣，即泥漿本身初始含水率大，泥漿所含的自由水的量大，下滲的水量也就多，而下滲水量的明顯減少與泥漿較低的滲透性有關(guān)［15］。

圖3 不同土水比、泥漿高度與下滲水量的關(guān)系

由圖3b可知，對(duì)于同一土水比泥漿，下滲水量占排水量的比例隨著泥漿高度的增加而減小。土水比為1∶1時(shí)，填充高度50，100，150和200cm泥漿的下滲水量占排水量的比例分別是47.76%，38.92%，31.74%和27.88%；土水比為1.5∶1時(shí)，比例分別是56.15%，50.98%，39.33%和35.63%；土水比為2∶1時(shí)，比 例 分 別 是 85.69%，73.28%，63.50% 和56.09%。隨著泥漿填充高度的增加，底層泥漿在上層泥漿的重力作用下，泥漿內(nèi)部孔隙變小，底層泥漿越來(lái)越密實(shí)，其下滲水量減小，占排水量的比例就越來(lái)越小。對(duì)于同一泥漿填充高度，下滲水量占排水量的比例隨著土水比的增大而增大，且土水比為2∶1時(shí)，較其他兩個(gè)土水比的比值增大迅速。對(duì)于土水比2∶1的泥漿，由于泥漿表層迅速的形成了一層泥皮，對(duì)上析水有截滲作用，泥漿中的水分只能在重力作用下以下滲為主，而土水比1∶1，1.5∶1的泥漿，表層泥皮形成較慢，上析水可以較順暢的從表層排出，土水比2∶1的泥漿下滲水占排水量的比例較其余兩個(gè)土水比的增大迅速。

由圖3c可知，不同土水比泥漿之間其下滲水量占含水量的比例隨著泥漿高度的增加，其變化較小。說(shuō)明隨著泥漿高度的增加，下滲水量受土水比的影響越來(lái)越小。因?yàn)槟酀{本身滲透性就較低，此外，高度較小時(shí)，泥漿底層受到上層泥漿重力的作用較小，泥漿被壓縮率較小，泥漿孔隙較大，再者，水分通過(guò)的距離較短，泥漿中水分下滲較快，而泥漿高度的增加，不僅使泥漿壓縮率較大，泥漿孔隙減小，且水分通過(guò)距離也增大，導(dǎo)致不同土水比泥漿的下滲水量占含水量的比例趨于穩(wěn)定，即變化不大。

根據(jù)泥漿高度與土水比、下滲水量、下滲水量占排水量的比例關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，對(duì)于同一土水比，其下滲水量、下滲水量占排水量的比例與泥漿高度呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，且相關(guān)性顯著。回歸分析結(jié)果如表4所示。

表4 泥漿高度與下滲水量、下滲水量占排水量比例的回歸關(guān)系

2.4 土水比和填筑高度對(duì)固結(jié)沉陷量的影響

泥漿的固結(jié)沉陷量是判斷泥漿的脫水固結(jié)和排水性能好壞較為直觀的依據(jù)之一，也是判斷壩體固結(jié)變形的依據(jù)之一。漿體的固結(jié)沉陷過(guò)程實(shí)質(zhì)是泥漿含水率減小，密度增大，孔隙水壓力逐漸消散的過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中，泥漿的水分一部分通過(guò)表層析出，一部分通過(guò)下滲排出，由此逐漸降低漿體含水率，孔隙水壓力也逐漸消散，漿體最終脫水而固結(jié)。

由圖4可知，對(duì)于同一土水比，泥漿的固結(jié)沉陷量隨著泥漿填充高度的增加而增加；對(duì)于同一泥漿填充高度，泥漿的固結(jié)沉陷量隨著土水比的增大而減小。這是因?yàn)槟酀{體內(nèi)含水量隨著土水比的增加逐漸減小，相應(yīng)的孔隙比逐漸減小，泥漿固結(jié)沉陷量也變小。由圖4也可知，泥漿在前24h的沉陷量遠(yuǎn)大于之后幾天的沉陷量。土水比1∶1時(shí)，泥漿前24h的固結(jié)沉陷量可達(dá)總固結(jié)沉陷量的90.91%～93.24%，平均92.10%；土水比1.5∶1時(shí)，可達(dá)81.70%～85.68%，平均83.27%；土水比2∶1時(shí)，可達(dá)77.10%～80.07%，平均78.37%；反映了泥漿的固結(jié)沉陷和排水主要集中在前24h，以后趨于穩(wěn)定。

圖4 不同土水比、泥漿高度與固結(jié)沉陷量的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）同一土水比泥漿。排水量隨著泥漿填充高度的增加而增大，泥漿排水量占泥漿含水量的比例隨著土水比的增大而減小。泥漿的排水主要集中在前24h，可占總排水量的69.44%～89.48%；上析水量、上析水量占排水量的比例均隨著泥漿填充高度的增加而增大，泥漿上析水量占泥漿含水量的比例隨著土水比的增大而減小。泥漿的上析水在泥漿充填后的24h內(nèi)全部析出；下滲水量隨著泥漿高度的增加而增加，而下滲水量占排水量的比例則反之。隨著泥漿充填高度的增加，土水比對(duì)下滲水量的影響越來(lái)越??；泥漿的固結(jié)沉陷量隨泥漿充填高度的增加而增大，并且前24h內(nèi)增長(zhǎng)速率較快，隨后趨于穩(wěn)定。

（2）同一泥漿填充高度。排水量、泥漿排水量占含水量的比例均隨著土水比的減小而增加；隨著土水比的增加，上析水量、泥漿上析水量占排水量的比例以及泥漿上析水量占含水量的比例均減??；隨著土水比的減小，下滲水量逐漸增加，而下滲水量占排水量的比例逐漸減?。荒酀{的固結(jié)沉陷量隨著土水比的增大而減小。泥漿前24h的固結(jié)沉陷量最大，可占總固結(jié)沉陷量的77.10%～93.24%。

目前，聚乙烯微孔波紋管道作為水墜壩壩體的排水系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，筑壩實(shí)踐中對(duì)排水管網(wǎng)的布設(shè)形式有立體網(wǎng)狀、束網(wǎng)狀以及網(wǎng)狀［8，16－18］。在軟土地區(qū)，通過(guò)設(shè)置水平排水體 和豎直排水體組成空間網(wǎng)狀排水體系，從而促使軟土加速排水固結(jié)［19－20］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同土水比、填充高度的泥漿排水固結(jié)有差異，這就要求在實(shí)際筑壩過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)性的布設(shè)合理的排水措施，合理的排水管道結(jié)構(gòu)。就本研究而言，泥漿土水比較小時(shí)，泥漿排水量大，且排水主要集中在前24h，并以上析水為主，因此，實(shí)際筑壩過(guò)程中，若筑壩泥漿土水比較小時(shí)，要注重充填泥漿的前期排水，且要加強(qiáng)布設(shè)泥漿表層排水措施，如在有管網(wǎng)排水措施時(shí)要增加豎向排水管的數(shù)量，及時(shí)將表層水排出，或者采用水泵對(duì)表層水進(jìn)行抽排。當(dāng)泥漿土水比較大、每次充填高度較小時(shí)，如當(dāng)土水比為2∶1，泥漿充填高度為50cm時(shí)，下滲水量占總排水量的比例為85.69%，此時(shí)主要以下滲水為主，則在實(shí)際筑壩工程中可以考慮不布設(shè)表層析出水的排水措施，而要加強(qiáng)下滲水的排水措施，如增加橫向、縱向排水管道數(shù)量。

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