大伙房水库护坡土壤渗透影响因素研究

刘迎雪

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 抚顺 113006)

随着我国水利基础设施建设的不断发展，水库成为调控水资源的有效方式之一。做好水库的防渗措施，能够充分利用水资源，扩大农业灌溉面积与工业供给范围[1]。水库边坡防渗对地下水及地表水具有更加有效的调控作用，降低了因渗漏造成的溃坝塌坝事故的可能性。因此，提高水库护坡土的抗渗性已势在必行[2]。国内外学者对水库护坡土壤的渗透性做了大量科学探索，并取得了丰硕的成果。阙云等[3]对淤泥不同龄期的强度变化进行了研究，表明水泥掺入比对28d和90d强度的增长规律影响甚微；谌柳明等[4]探究了周围水压力对水泥土渗透性的影响规律，发现随着围压的增大渗透系数不断减小并趋于稳定；Mohamm ad等[5]研究表明黏土颗粒与水泥水化产物之间发生硬凝作用、离子交换等反应，能够有效提高土壤的整体稳定性。本文以大伙房水库护坡土为研究对象，通过室内渗透试验、压汞试验研究了龄期、水泥掺量、固化剂掺量等三种因素对土壤渗透性的变化规律，该研究成果及分析理论可以为水库规划建设提供一定的借鉴价值和理论依据。

1 试验材料与方法

大伙房水库总库容21.87亿m3，最大蓄水面积114km2，最大库容量为21.87亿m3，兴利库容12.76亿m3，水库最大水深37m，防洪库容11.82亿m3，水库东西长约35km、水面最窄处约0.3km，最宽处达4km，入库河流有社河、苏子河、浑河。试验用土为大伙房水库护坡黏土；水泥为P·O42.5水泥；固化剂为离子固化剂，主要成分为纳米级Al3+无机溶液；试验过程中用到的水均为自来水。

土样试件尺寸为50cm2×5cm的圆柱体，试件制作步骤如下：土样置于110℃的烘箱中烘干12h，碎土器破碎，过5mm细筛。将固化剂按照一定浓度进行配比并溶于水中，用玻璃棒将土与水搅拌均匀，密封静置24h；取出已接触均匀的土与水，加入一定量的水泥，并将其倒入套筒，用制样仪制样，并放置标准养护室养护至规定龄期，取出试件进行渗透系数指标测试[6- 7]。

为了研究各因素对边坡土壤渗透性的影响，设计10组不同配比的土样进行渗透、压汞试验分析，试验方案见表1。其中，试验配比通过代号进行表示，如S12G5Y7表示水泥掺量为12%，固化材料掺量为5%，养护期为7d。

2 结果分析

2.1 固化剂掺量对渗透系数的影响

不同固化剂掺量条件下的渗透试验曲线，如图1所示。可以看出，随着固化剂掺量的增加，渗透系数先增大后减小。对比分析可知，固化剂掺量小于1%时，随着固化剂掺量的增加，土壤的渗透系数不断增大。固化剂掺量为1%～3%时，渗透系数显著降低；固化剂的掺量为3%～5%时，土壤渗透系数降幅减缓。一方面土壤表面的钾、钠离子与铝离子发生交换，削弱了土壤颗粒的吸水能力；另一方面土壤颗粒表面的正离子与固化剂中的负离子发生中和反应，土壤颗粒表面的双电层结构遭到破坏，土壤表面迅速板化，结构趋于稳定。

表1 试验方案

图1 固化剂不同掺量室内渗透试验曲线

进汞曲线反映改良土的内部孔隙体积变化，固化剂不同掺量的进汞曲线如图2所示，对比发现，固化剂掺量较少时，颗粒间中孔、大孔增加，渗透系数增大；固化剂掺量为3%时，极微孔、微孔明显增多，表明由于水泥水化的抑制力，使得固化剂继续发生固化。固化剂掺量为5%时，中孔和大孔相对增多，但由于胶结物质堵塞了部分大孔隙，导致渗透系数不升反降。综合渗透系数和孔隙变化特征，发现固化剂掺量为3%时，能够有效改良土壤内部孔隙，使得土壤渗透系数显著降低。

2.2 水泥掺量对渗透系数的影响

不同水泥掺量条件下的渗透试验曲线如图3所示。可以看出，水泥掺量为6%～8%时，土壤的渗透系数降幅较大，减少率为11.49%；水泥掺量为8%～12%时，土壤的渗透系数降幅较小，减少率为10.35%。主要是由于水泥中的C3S和C3A与土中水发生水解反应，生成氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硅酸钙等微颗粒胶凝物质，堵塞了部分连通孔隙，导致渗透路径极大减少。同时，游离的铝离子、钙离子与土壤矿物表面吸附的钠离子、钾离子产生交换作用，土壤颗粒初步团粒化，土体结构更加密实。

图3 水泥不同掺量室内渗透试验曲线

水泥不同掺量的进汞曲线如图4所示，可以看出，随着水泥掺量的增加，进汞曲线位置不断降低，土壤粒径分布存在由大孔径向小孔径过渡趋势，表明水泥能有效改善土壤的孔隙形态。

图4 水泥不同掺量的进汞曲线

2.3 龄期对渗透系数的影响

图5 不同龄期的室内渗透试验曲线

不同龄期的进汞曲线如图6所示。对比可以看出，3d与7d龄期的进汞曲线存在部分交集，表明孔隙转化相对集中，土体内部反应比较剧烈。28d龄期的进汞曲线位置最低，表明随着龄期的增长，土壤空隙体积逐渐减小，土壤内部不断地进行物理化学反应，结构趋于密实，土壤渗透系数呈现明显的降低趋势。表明只要龄期得当，便能达到减小孔隙体积的目的。

图6 不同龄期的进汞曲线

2.4 微观孔隙分布情况

结合实测的孔隙分布规律以及土质特点，将土体微观孔隙划分为：大孔、中大孔、中小孔、小孔、微孔隙、极微孔隙六类[8]。其中，大孔隙的直径大于10000nm，主要为团粒间孔隙；中大孔隙直径为6000～10000nm，主要为团粒内孔隙；中小孔隙直径为3000～6000nm，存在少许颗粒间孔隙，部分为团粒内孔隙；小孔隙直径为300～3000nm，主要为颗粒间和团粒内孔隙；微孔隙直径为50～300nm，主要为颗粒间孔隙；极微孔隙直径小于50nm，主要为颗粒内孔隙。

通过压汞试验计算每组改良土的孔隙分布情况，孔隙率分布见表2。

表2 孔隙率分布表

由表2可以看出，固化剂掺量分别为1%与3%时，水泥与固化剂的抑制作用较小，土体内部的大中孔隙占比明显高于未掺固化剂；固化剂掺量为3%时，水泥与固化剂之间的抑制作用较大，土壤内部的大中孔隙占比最少，能有效减缓水化速度；而土壤和固化剂生成的胶结物质不断填充于孔隙，极微孔和微孔含量增多。水泥掺量由6%增加到8%时，对于极微孔和微孔影响甚小，中孔数量减少，小孔、大孔数量增多。水泥掺量为12%时，土壤内部小、中、大孔数量存在不同幅度的减小，极微孔和微孔数量明显增多。7d龄期之前，渗透系数减幅较小，对颗粒间和团粒内孔隙影响较大；7d龄期之后，对中、大孔隙影响较显著，渗透系数减幅较大。配比S8G3Y7的中孔、大孔含量少于配比S12G5Y7，而配比S8G3Y7的中孔、大孔含量大于配比S12G3Y7，表明12%掺量的水泥与3%掺量的固化剂之间存在较大的抑制作用，导致土体的中孔、大孔急剧减少。

结合表2可知，龄期的延长和水泥的增加使中孔、大孔的含量降低，渗透系数减小；固化剂为1%时，土壤内中孔、大孔的含量明显增多，渗透系数增大。土壤渗透系数与中孔、大孔孔隙率的相关性较高，过多元非线性回归分析，建立了孔隙间与渗透系数的函数关系：

k=11.40-12.03a-4.44b-20.17ab+11.68a2+23.85b2

(1)

式中，a—大孔孔隙率，%；b—中大孔孔隙率，%；k—渗透系数，e-6cm/s。

3 结论

以大伙房水库护坡土为研究对象，通过室内渗透试验、压汞试验研究了龄期、水泥掺量、固化剂掺量等三种因素对土壤渗透性的变化规律。研究表明：固化剂掺量对渗透系数量级影响幅度较小，当水泥掺量12%，固化剂掺量3%时土壤结构较密实，土壤内部中、大孔隙数量较少；水泥掺量对土壤孔隙结构、微观形貌及渗透系数的影响最大，水泥掺量越多，土体内部越密实，渗透系数越小；中大孔、大孔孔隙率与渗透系数之间的拟合函数能够有效反映内部孔隙形态变化趋势，研究成果能够为实际工程的渗流安全性评价提供理论支持。