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黄河“揭河底”冲刷现象是复杂流态与边界条件下,水沙运移及河床调整反应的一种特殊现象。揭底冲刷往往导致河床强烈下切,有时一次洪峰可将河床冲深数米,使河床及水位大幅下降;同时冲刷作用往往引起河道主槽的迁徙,对河道沿岸工程造成严重破坏,给黄河防洪带来巨大压力。上世纪七十年代,“揭河底”现象就引起了国内外水利工作者的高度关注,并对此问题开展了大量的研究,也取得了一批研究成果。但由于“揭河底”现象发生的随机性较强,难以捕捉其发生前后水流状况的实时资料,加之受河流泥沙动力学基本理论研究水平的限制,使得“揭河底”冲刷问题的研究还不够深入,难以满足现实黄河治理开发决策的需要。
本文通过开展黄河“揭河底”冲刷现象原型河床胶泥层的相关土工试验,对胶泥层的物理力学特性进行探讨;并利用实验数据分析胶泥层泥沙粒径级配、含水率等物理指标与其抗剪强度、抗折强度的关系,为研究揭底冲刷现象发生的水沙指标提供理论依据。本文的主要研究内容有:
(1)分析探讨“揭河底”冲刷河段淤积物的形成机理;
(2)根据揭底河段胶泥块的形成机理,对从揭底原型河段取回的土样进行重塑(将原型河床胶泥块碾碎,放入容器中加水搅拌,使泥沙絮凝沉积,通过风干形成胶泥层,用环刀制样),对重塑试样进行直剪试验,探讨抗剪强度和颗粒级配、含水率的关系;
(3)对重塑的不同颗粒级配的胶泥层土样,进行粒度和粒形分析;
(4)对重塑胶泥试样进行抗折强度试验,并分析抗折强度和胶泥块颗粒级配、含水率的关系。
论文通过理论探讨和实验数据分析,取得如下成果:
(1)对于颗粒较细的胶泥质土而言,球形度集中在0.6-1.0之间,且无较大差别。
(2)直剪实验参数粘聚力在含水率11%-14%范围内出现峰值,峰值后粘聚力和内摩擦角都随含水率的增加呈线性降低趋势,但含水率对粘聚力的影响远大于对内摩擦角的影响程度。随着中值粒径的增大,极细泥沙颗粒的减少,粘聚力随含水率增加而降低的趋势减缓。
(3)随含水率的增加重塑胶泥土样的抗折强度呈下降趋势。在中值粒径14μm~18μm范围内,抗折强度回归方程一次项系数与其对应的泥沙颗粒级配中值粒径的拟合曲线出现峰值;峰值点之前,重塑胶泥层的抗折强度随含水量增加而降低的趋势随土样中值粒径的增大(即极细颗粒的减少)逐渐明显;峰值点之后,随中值粒径的进一步增大,重塑胶泥层的抗折强度随含水量增加而降低的趋势逐渐变缓。