水庫(kù)大壩筑壩土料的人工配水試驗(yàn)初探

成小勇

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

西北黃土地區(qū)氣候一般較為干旱，好多地方土層的天然含水率遠(yuǎn)低于最優(yōu)含水率。土層、土料含水率過(guò)低則不易碾壓密實(shí)，為了解決水利水電工程筑壩用黃土土料含水率偏低的問(wèn)題，可對(duì)其進(jìn)行人工配(浸)水，提高其含水率。土料配水試驗(yàn)就是探索切合實(shí)際、經(jīng)濟(jì)的人工浸水的方法、方案，以及水分滲入深度和用水量問(wèn)題，找出浸水后土料的待滲期、最佳開(kāi)采時(shí)段，為設(shè)計(jì)及后期施工提供土料配水的基礎(chǔ)資料和較為實(shí)際的理論依據(jù)。

土料配水試驗(yàn)技術(shù)受地質(zhì)土體條件影響，尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可遵循。筆者根據(jù)親歷的南溝門(mén)水庫(kù)及亭口水庫(kù)兩個(gè)工程的土料配水試驗(yàn)，主要以亭口水庫(kù)的畦灌法為例，淺談?dòng)嘘P(guān)配水試驗(yàn)過(guò)程及對(duì)試驗(yàn)的看法。

1 工程實(shí)例

1.1 地質(zhì)概況

亭口水庫(kù)工程位于陜西長(zhǎng)武縣，屬渭北黃土高原溝壑區(qū)，多年平均降雨量596.2mm，蒸發(fā)量為1016.7mm。大壩設(shè)計(jì)為均質(zhì)土壩，需用筑壩土料317.8萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)選用的土料天然含水率平均值僅為13.3%～14.4%，小于土料的最優(yōu)含水率（16.2%～16.6%）和塑限（18.3%～18.8%），不滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

土料配水試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不可逆轉(zhuǎn)，一旦試驗(yàn)開(kāi)始，其結(jié)果不是人力可以改變的，因此，試驗(yàn)前需要對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程作一個(gè)較為詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)，與施工組織設(shè)計(jì)同理。

亭口水庫(kù)結(jié)合地形布置了4個(gè)試驗(yàn)坑，擬按不同的注水量進(jìn)行注水。試驗(yàn)坑間距為15m，開(kāi)口面積采用了5m×5m。大型挖掘機(jī)的立面開(kāi)挖高度一般為4m，因此，滲水深度按4m～5m設(shè)計(jì)。注水量是按土壤孔隙率計(jì)算出飽和含水率，再以此為基礎(chǔ)減去天然含水率求得，后分四個(gè)量級(jí)進(jìn)行注水，四個(gè)量級(jí)分別為飽和含水率所求水量的100%、90%、80%、70%。求得各試驗(yàn)坑注水量：S1 為 30.05m3；S2 為 27.05m3；S3 為 24.04m3；S4 為 21.04m3。

表1 各試驗(yàn)坑成果匯總表

表2 各試驗(yàn)坑地層統(tǒng)計(jì)表

表3 試驗(yàn)方法和注水量

待滲期以計(jì)劃注水量全部注入試坑開(kāi)始，通過(guò)水分下滲、蒸發(fā)后使土料含水率達(dá)到最優(yōu)或可開(kāi)采上壩的過(guò)程。亭口水庫(kù)土料的最優(yōu)含水率為16.2%～16.6%，塑限為18.3%～18.6%。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)挖拉運(yùn)過(guò)程中水分損失按2%～3%考慮，因此認(rèn)為在開(kāi)挖深度內(nèi)土層含水率達(dá)到21%時(shí)，土料可以開(kāi)采上壩，即待滲期結(jié)束而可開(kāi)采期開(kāi)始?？紤]開(kāi)采、拉運(yùn)過(guò)程中水分損失的因素，認(rèn)為含水率降至19%時(shí)，土料處于可用或不可用的臨界狀態(tài)，可開(kāi)采期結(jié)束，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康模山Y(jié)束試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

做好工藝設(shè)計(jì)后，試驗(yàn)按設(shè)計(jì)的工序進(jìn)行：試坑開(kāi)挖、d然含水率測(cè)定→計(jì)算注水量→注水→待滲、檢查孔取樣→綜合分析評(píng)價(jià)→結(jié)束試驗(yàn)。

按計(jì)劃注水量注水后，各試驗(yàn)坑進(jìn)入待滲期，開(kāi)始造孔取樣測(cè)試含水率變化，取樣間隔時(shí)間一般為7d～10d。取樣孔從坑中心以圓環(huán)狀向外輻射，每0.5m深度取土樣一組，每次取樣深度至水分下滲的干濕分界以下1m（滲界以下保證2組土樣）。

1.4 分析評(píng)價(jià)

不同試坑注水后坑底土體含水率變化如圖1。

從曲線圖可以看出，在注水完成后45d～50d時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)坑4m內(nèi)土料含水率平均值已降至21%，也就是原設(shè)計(jì)所確定的待滲期結(jié)束的含水率，而進(jìn)入可開(kāi)采期。分別在第 84d～99d 時(shí)，S1、S2、S4試驗(yàn)坑含水率降至19%，已到設(shè)計(jì)開(kāi)采含水率下限。S3試驗(yàn)坑在第105天時(shí)含水率為19.3%，也就是說(shuō)可開(kāi)采期>58天，代表性不強(qiáng)。參考各試驗(yàn)坑成果匯總表1及地層統(tǒng)計(jì)表2。成果表明，各試坑在注水后50天均進(jìn)入可開(kāi)采期，而結(jié)束時(shí)控制在85d～90d為宜。

2 對(duì)土料配水試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)

通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)工作，筆者現(xiàn)就試驗(yàn)中的幾個(gè)主要問(wèn)題談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

2.1 試驗(yàn)方法及注水量計(jì)算方式

配水試驗(yàn)方法分畦灌法和溝灌法兩種。畦灌法的設(shè)計(jì)理念是分塊分片整平料場(chǎng)后進(jìn)行筑畦，對(duì)其進(jìn)行大面積灌水，使水分下滲達(dá)到目的；溝灌法是在料場(chǎng)按一定間距挖成溝槽進(jìn)行灌水，通過(guò)溝槽內(nèi)水的側(cè)向滲透和垂直下滲達(dá)到目的。表2是南溝門(mén)水庫(kù)和亭口水庫(kù)使用的試驗(yàn)方法和注水量計(jì)算方式。從表3可以看出畦灌法優(yōu)于溝灌法，而按飽和含水率分級(jí)動(dòng)態(tài)計(jì)算注水量的方法相對(duì)精確。

2.2 注水量計(jì)算公式的分析采用

注水量計(jì)算是試驗(yàn)中最關(guān)鍵的問(wèn)題，按飽和含水率計(jì)算注水量的公式如下：

S=m2·h·[（n·0.8－ω）÷100]·x+cs

式中，s——注水量，m3；

m2——試驗(yàn)面積，m2；

h——計(jì)劃入滲深度，m；

n——天然孔隙率，%；

ω——天然含水量，m3；

x——飽和含水率的級(jí)數(shù)，100%為1，90%為 0.9……。

cs——側(cè)滲量，m3，cs=L·Sl

L——試驗(yàn)坑四邊總長(zhǎng)，m；

sl——每米側(cè)滲量。

另外，上式中的孔隙率乘以0.8是認(rèn)為飽和度達(dá)80%時(shí)即為飽和狀態(tài)。

2.3 關(guān)于側(cè)滲量

根據(jù)黃土特性，黃土垂直下滲和側(cè)向滲透相差懸殊，南溝門(mén)試驗(yàn)中垂直下滲為7.5m時(shí)，側(cè)滲僅1.5m左右；亭口水庫(kù)溝灌法垂直下滲不超過(guò)3m，側(cè)向滲透沒(méi)有超過(guò)1.5m，畦灌法下滲深度達(dá)4.9m時(shí)，而側(cè)向滲透還是沒(méi)有超過(guò)1.5m。側(cè)滲只產(chǎn)生在試驗(yàn)坑的周邊向外的一定范圍，如果概略的認(rèn)為是一個(gè)定數(shù)的話，則每米范圍內(nèi)側(cè)滲量的估算公式為：

式中，sl——每米側(cè)滲量，m3；

ωz——側(cè)滲含水率實(shí)測(cè)值，%；

ω——天然含水率，%；

ρd——天然干密度；

l——側(cè)滲寬度，m；

h——計(jì)算深度，m。

根據(jù)亭口試驗(yàn)注水后的實(shí)際情況，側(cè)滲范圍大致為1.3m，按上式計(jì)算出每米長(zhǎng)度內(nèi)側(cè)滲損失的水分約為0.23m3，總側(cè)滲量約為4.72m3。而實(shí)際施工中，隨著注水面積增加，側(cè)滲的入滲比會(huì)逐漸縮小。

2.4 注水量分級(jí)和側(cè)滲量計(jì)算的必要性

不管計(jì)算公式怎么精確，總是試驗(yàn)性的，實(shí)際中并沒(méi)有兩個(gè)條件完全相同的工程。因此，注水量只有在掌握了大的范圍，再按不同的注水量分級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)、合理選擇，才能做到科學(xué)、經(jīng)濟(jì)。對(duì)于側(cè)滲量的計(jì)算。如果不提前進(jìn)行側(cè)滲范圍實(shí)驗(yàn)，就只能憑經(jīng)驗(yàn)取值或忽略不計(jì)了，只有在試驗(yàn)完成后才能較為準(zhǔn)確的計(jì)算，雖然這時(shí)對(duì)于試驗(yàn)來(lái)說(shuō)已意義不大，但在后期施工大面積注水時(shí)是必須考慮的一個(gè)因素。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，土料配水試驗(yàn)受到不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的特性影響，差異比較大，滲透性、土料粘粒含量、土料親水性、顆粒級(jí)配等等，在整個(gè)配水過(guò)程均會(huì)對(duì)其最終成果有影響。因而，總結(jié)配水試驗(yàn)規(guī)律，仍不是所有土體配水的標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)依據(jù)不同土體特點(diǎn)、地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，在前期通過(guò)試驗(yàn)最終確定。陜西水利