淺析南岸干渠預浸水耗水量計算

付 強

1 工程概況

南岸干渠工程承擔著擬建灌區152.51萬畝的灌溉用水任務，其中自流灌區面積93.75萬畝，揚水灌區面積58.76萬畝。總干渠設計輸水流量74 m3/s，加大輸水流量85 m3/s。年引水量9.7億m3(不考慮總干渠損失，灌區灌溉需水量9.17億 m3)。總干渠起自南岸干渠分水樞紐，沿烏孫山北坡腳西行，以隧洞方式穿越低山丘陵區，全長163.96 km。

南岸總干渠沿線分布約20 km渠道所處地層巖性為風積黃土，土層均一，厚度較大，上部具濕陷性。根據科研及初步設計階段黃土物理力學性試驗成果，黃土主要物理力學指標為:液限24%～31.5%，平均26.6%、塑限15.5%～17.9%，平均 16.77%、塑性指數9.1～13.6，平均9.8、粘粒含量10%～20%，平均 13.9%，天然含水量一般在2.9%～11.4%范圍內，滲透系數平均值為 1.36×10-4。

2 濕陷性黃土特性

根據GB 50287-99水利水電工程地質勘察規范，工程區黃土屬非自重濕陷性場地，在200 kPa壓力下，黃土的濕陷量為504 mm，濕陷等級為Ⅱ(中等);在100 kPa壓力下(大于渠道實際附加壓力)，黃土的濕陷量為235.5 mm，濕陷等級為Ⅰ(輕微)。由室內濕陷試驗和現場原位載荷濕陷試驗成果分析，黃土濕陷性系數是隨埋深的增大而減小的，而濕陷起始壓力則隨埋深的增大而增加，作為渠道工程，其附加荷載較小，黃土濕陷性采用100 kPa壓力下的濕陷性系數判別，確定試驗段濕陷層與非濕陷層界限深度為5 m。

3 濕陷性渠基處理方法選取

濕陷性黃土地基處理的目的是消除黃土的濕陷性，同時提高地基的承載能力。常用的方法有:浸水法、強夯法、灰土擠密樁法和翻夯法等。各種處理方法都有其適用范圍，局限性和優缺點。如下:浸水法能夠處理濕陷層厚度大于10 m的自重濕陷性黃土，對于非自重性黃土，若不施加附加應力，使飽和黃土所受到的附加應力與上覆土體自重之和大于其濕陷起始壓力，則不能起到消除濕陷性的作用;強夯法消除濕陷性黃土層的有效深度為3 m～7 m，土的天然含水量宜低于塑限含水量1%～3%，天然含水量低于10%或大于塑限含水量3%時，宜對土進行增濕或晾曬;灰土擠密樁法一般處理5 m～15 m的黃土層，當土的含水量低于12%時，宜進行增濕處理;強夯法是黃土高原地區常用的處理方法之一。

在本工程中，如采用預浸水法投入273萬元，灰土擠密法需投入7 430萬元;黃土翻夯法需投入2 215萬元。通過方案及經濟投入比較，采用預浸水法施工可以模擬渠道運行時的滲漏對渠基的影響消除隱患，保障渠道安全，因此本工程濕陷性黃土處理采用預浸水法。

4 預浸水試驗

根據黃土渠道類型及濕陷特性，進行了預浸水試驗。并得出以下結論及建議:1)工程區黃土渠道為非自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅰ級～Ⅱ級，試驗段黃土的物理力學性質及濕陷等級與前期勘探資料相吻合;2)預浸水后，黃土渠道均出現不同程度的濕陷變形，其中，挖方渠道濕陷變形量小于3 cm;半填渠道濕陷變形量小于20 cm，同時渠堤(坡)出現縱向沉降裂縫，表明采取預浸水法處理對本工程區濕陷性黃土渠道具有明顯的效果;3)挖方渠段預浸水后黃土含水量增加，由于無附加荷載的作用，干密度孔隙比、壓縮模量及抗剪強度指標與預浸水前無實質性變化;而濕陷性系數有明顯減小的趨勢，表明通過預浸水處理可減小工程區黃土濕陷性，且渠道經過防滲和排水等工程措施，實際運行時，難以達到預浸水試驗的工況，因此，預浸水法可作為本工程濕陷性黃土渠道處理的措施之一;4)預浸水后，渠堤產生的縱向沉降裂縫，為黃土在飽和的過程中，在剖面上呈近鉛直的楔形，且切割深度僅限于非飽和區，若達到飽和，裂縫自行愈合，對渠道運行安全無大的影響，可考慮浸水后采取夯壓等處理措施;5)通過本次試驗初步成果，挖方渠段的浸水周期為不小于45 d，半填渠段的浸水周期應不少于60 d;相應的預浸水耗水量為:挖方段約19.0萬m3/km;填方段(含砂礫石填筑渠段)約15.2萬m3/km;6)預浸水結束后，應立即將渠內余水抽干，在無大的降雨環境下，一般需晾曬30 d后，可進行下一步工序;7)建議施工中，應保持預浸水面在渠堤面以下60 cm左右，以使渠基黃土能在浸水周期內達到飽和;在注水口應設防沖設備，以防水對渠道的沖蝕;8)預浸水結束后的晾曬過程中，渠底及渠坡均出現深約70 cm，張開寬2 cm～4 cm的干縮縫，建議渠道開挖時應留一定厚度的保護層。

5 預浸水水量計算

5.1 預浸水理論計算水量

預浸水耗水量可按照下式進行計算:

其中，K為未襯砌渠道的土壤滲透系數，m/d;b為渠底寬度，b=4.292 m;h為渠道水深，h=6.02 m;γ1為渠坡側向毛管滲吸修正系數，由《渠道防滲工程技術》查得 γ1=1.2;hv為考慮土壤毛管滲吸影響后的渠道水深，m;m為邊坡系數，m=2;Hk為毛細管水最大上升高度，可根據土壤情況由《渠道防滲工程技術》查得 Hk=1.5 m;L為單位預浸水渠道長度，km;T為預浸水時間，s。

根據土料試驗資料，渠道挖方平均土料滲透系數K=1.53×10-4cm/s，填方渠道平均土料滲透系數 K=1.472×10-4cm/s。根據渠道防滲工程技術規范可得:

挖方段浸水45 d耗水量為:

渠道滲漏量w1=254.2 m3/m;

保持預浸水水位的水量w2=98.323 m3/m;

蒸發量w3=30.27 m3/m;

挖方段浸水45 d耗水量為w1+w2+w3=382.8 m3/m。

填方段渠道浸水60 d耗水量為:

渠道滲漏量w1=326.08 m3;

保持預浸水水位的水量w2=98.323 m3;

蒸發量w3=40.36 m3/m;

挖方段浸水60 d耗水量為w1+w2+w3=464.8 m3/m。

5.2 預浸水試驗水量

根據對南岸干渠濕陷性黃土挖方、填方、半挖半填段進行預浸水試驗，得出預浸水水量主要通過兩條途徑獲得:1)每天觀測注水管道上的固定水表計量，但注水過程中，施工單位同時用該注水管道進行其他的用水作業，并且多次出現機械及水表故障造成注水停止，注水量觀測的不連續，誤差較大;2)在每次沉降觀測時，同時觀測試驗坑內水面高程來計算耗水量，但試驗坑內的水位由于受到抽水機械故障等原因，經常造成浸水水位不能達到試驗要求，個別試驗段多次近于干涸，因此水量計算與實際耗水量有一定的誤差。填方渠道因渠堤采用砂礫石填筑，砂礫石填筑層滲透性較強，導致浸水水位難以達到試驗要求，根據以上綜合所得，耗水量為挖方段150 m3/d，填方段為80 m3/d。挖方渠道每千米耗水約為19萬m3，填方渠道(砂礫石填筑)每千米耗水約為15.2萬m3。

5.3 實際耗水量

南岸干渠渠道各標段根據設計研究院提出的渠道預浸水處理技術要求，投入相應的機械設備及人財物進行了預浸水施工，各標段實際耗水量為半挖半填段447.4 m3/m，全挖方段556.3 m3/m，全填方段455 m3/m。

6 結語

通過對濕陷性黃土渠道預浸水耗水量、理論耗水量、預浸水試驗耗水量、實際耗水量進行分析比較，因浸水試驗段的成果受到注水機械故障、注水觀測的連續性等因素影響，造成預浸水試驗耗水量誤差較大;理論計算受現場地質因素、氣溫等多方面的制約，理論計算與實際耗水量相差較大，所以應采取理論與實際相結合的方式，保證預浸水耗水量計算的正確性，達到節省工程投資目的。

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