水库黏性淤积土的抗冲性能分析

黏性土冲刷是一个十分复杂和有待研究解决的困难问题。前人的研究成果表明，不同性质的土体及试验环境都可能对抗冲性能有所影响。为使试验成果应用于水库枢纽改建工程，和分析研究水槽子水库泥沙问题，我们在以礼河水槽子水库现场进行了观测和淤积物取样试验，并与其他河流的土样进行对照。

图3　水槽子水库淤积物组成分布

图4　水槽子水库库容损失过程

（一）试验土样特性与试验方法

取自水槽子水库坝前区的黏性淤积物颗粒组成如图5。这种淤积物在水库内及三、四级电站调节池广泛分布，是坝前与滩地淤积物中的主体。该类试验土样与其他两种对照试验土样的土力学特性如表2所示。

图5　水槽子水库黏性淤积土颗粒分析曲线

表2　抗冲性试验土样特性

对照表2与表1可知，用于试验的黏性土样中值粒径与设计采用之悬沙中值粒径相当，而试验用土之中值粒径比如图3所示之坝前淤积物的平均粒径还细些。

土样抗冲刷试验在泥沙所14m水槽内进行，水槽底坡坡度为0.05，槽宽为0.5m。试验土样放入槽底中央的长×宽×深分别为31cm×17cm×2.3cm用塑料板制成的试样盒内，槽底用同种塑料板铺砌，试验土样保持与槽底齐平。流量由量水堰测定，水深用测针测量。

试验土样的干容重范围为0.64～0.98g/cm3。不同容重的土样均用搅拌机调匀后，仔细放置于试验盒内，移入槽底试验部位后即放水试验，并逐级加大流量，至土样发生明显冲刷破坏为止。

（二）试验成果(www.xing528.com)

在抗冲试验中观察到所有试验土样均呈结构性破坏，成块地被冲离，不发生泥沙单颗粒启动或与之类似的现象。

整理试验资料，得到发生冲刷破坏时的床面剪切力τ0（g/cm2）与土样干容重γ（g/cm3）间的关系如图6所示。

图6　τ0—γ的关系

τ0与γ的关系可表示为以下形式

式中：α、β为常数。对于水槽子水库黏性淤积土的试验结果，幂指数β≈5；当取试验点据的上包线时，α≈0.7。即

图6中显示，几种黏性土样的τ0随干容重而变化的趋势是一致的，每种土样的试验点各自集中在一条直线附近。对不同的淤积物，在干容重相同的情况下，抗冲剪力可相差数倍。试验结果充分说明，不同性质的黏性淤积土之间，抗冲性会有很大差异。

唐存本研究了浮泥和淤泥起动［1］，得出公式为

式中：c=0.00029g/cm；d为泥沙粒径，cm；σ、σ0分别为淤积物容重及稳定容重，一般均取1.6 g/cm3。

图7表明，水槽子水库淤积物抗冲剪力试验的结果，比按式（3）计算的结果大得多。可见公式（3）尚难以用于描述水库黏性淤积物的冲刷特性。

为校验同一种黏性淤积土的原状土样和搅拌均匀塑制的土样间抗冲剪力的差别，曾用山西汾河水库淤积原状土样和该种土料搅拌塑制的土样进行冲刷对比试验，二者间不仅冲刷呈结构性破坏的现象相似，而且在具有相同的干容重时，二者的抗冲剪力也相近，原状土样的抗冲剪力略小，见图8。因为经人工搅拌后，天然状态下沉积土体内部的层理薄弱面被消除，使得搅拌塑制土样的抗冲剪力不低于原状土样的抗冲剪力。