水庫大壩筑壩土料的人工配水試驗初探

成小勇

（陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院 陜西 咸陽 712000）

西北黃土地區氣候一般較為干旱，好多地方土層的天然含水率遠低于最優含水率。土層、土料含水率過低則不易碾壓密實，為了解決水利水電工程筑壩用黃土土料含水率偏低的問題，可對其進行人工配(浸)水，提高其含水率。土料配水試驗就是探索切合實際、經濟的人工浸水的方法、方案，以及水分滲入深度和用水量問題，找出浸水后土料的待滲期、最佳開采時段，為設計及后期施工提供土料配水的基礎資料和較為實際的理論依據。

土料配水試驗技術受地質土體條件影響，尚無統一標準可遵循。筆者根據親歷的南溝門水庫及亭口水庫兩個工程的土料配水試驗，主要以亭口水庫的畦灌法為例，淺談有關配水試驗過程及對試驗的看法。

1 工程實例

1.1 地質概況

亭口水庫工程位于陜西長武縣，屬渭北黃土高原溝壑區，多年平均降雨量596.2mm，蒸發量為1016.7mm。大壩設計為均質土壩，需用筑壩土料317.8萬m3。設計選用的土料天然含水率平均值僅為13.3%～14.4%，小于土料的最優含水率（16.2%～16.6%）和塑限（18.3%～18.8%），不滿足規范標準和設計要求。

1.2 工藝設計

土料配水試驗費時費力，不可逆轉，一旦試驗開始，其結果不是人力可以改變的，因此，試驗前需要對試驗全過程作一個較為詳細的工藝設計，與施工組織設計同理。

亭口水庫結合地形布置了4個試驗坑，擬按不同的注水量進行注水。試驗坑間距為15m，開口面積采用了5m×5m。大型挖掘機的立面開挖高度一般為4m，因此，滲水深度按4m～5m設計。注水量是按土壤孔隙率計算出飽和含水率，再以此為基礎減去天然含水率求得，后分四個量級進行注水，四個量級分別為飽和含水率所求水量的100%、90%、80%、70%。求得各試驗坑注水量：S1 為 30.05m3；S2 為 27.05m3；S3 為 24.04m3；S4 為 21.04m3。

表1 各試驗坑成果匯總表

表2 各試驗坑地層統計表

表3 試驗方法和注水量

待滲期以計劃注水量全部注入試坑開始，通過水分下滲、蒸發后使土料含水率達到最優或可開采上壩的過程。亭口水庫土料的最優含水率為16.2%～16.6%，塑限為18.3%～18.6%。根據以往經驗，開挖拉運過程中水分損失按2%～3%考慮，因此認為在開挖深度內土層含水率達到21%時，土料可以開采上壩，即待滲期結束而可開采期開始。考慮開采、拉運過程中水分損失的因素，認為含水率降至19%時，土料處于可用或不可用的臨界狀態，可開采期結束，達到了試驗目的，可結束試驗。

1.3 試驗實施

做好工藝設計后，試驗按設計的工序進行：試坑開挖、d然含水率測定→計算注水量→注水→待滲、檢查孔取樣→綜合分析評價→結束試驗。

按計劃注水量注水后，各試驗坑進入待滲期，開始造孔取樣測試含水率變化，取樣間隔時間一般為7d～10d。取樣孔從坑中心以圓環狀向外輻射，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 分析評價

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，4個試驗坑4m內土料含水率平均值已降至21%，也就是原設計所確定的待滲期結束的含水率，而進入可開采期。分別在第 84d～99d 時，S1、S2、S4試驗坑含水率降至19%，已到設計開采含水率下限。S3試驗坑在第105天時含水率為19.3%，也就是說可開采期>58天，代表性不強。參考各試驗坑成果匯總表1及地層統計表2。成果表明，各試坑在注水后50天均進入可開采期，而結束時控制在85d～90d為宜。

2 對土料配水試驗的認識

通過實際試驗工作，筆者現就試驗中的幾個主要問題談談自己的看法。

2.1 試驗方法及注水量計算方式

配水試驗方法分畦灌法和溝灌法兩種。畦灌法的設計理念是分塊分片整平料場后進行筑畦，對其進行大面積灌水，使水分下滲達到目的；溝灌法是在料場按一定間距挖成溝槽進行灌水，通過溝槽內水的側向滲透和垂直下滲達到目的。表2是南溝門水庫和亭口水庫使用的試驗方法和注水量計算方式。從表3可以看出畦灌法優于溝灌法，而按飽和含水率分級動態計算注水量的方法相對精確。

2.2 注水量計算公式的分析采用

注水量計算是試驗中最關鍵的問題，按飽和含水率計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——試驗面積，m2；

h——計劃入滲深度，m；

n——天然孔隙率，%；

ω——天然含水量，m3；

x——飽和含水率的級數，100%為1，90%為 0.9……。

cs——側滲量，m3，cs=L·Sl

L——試驗坑四邊總長，m；

sl——每米側滲量。

另外，上式中的孔隙率乘以0.8是認為飽和度達80%時即為飽和狀態。

2.3 關于側滲量

根據黃土特性，黃土垂直下滲和側向滲透相差懸殊，南溝門試驗中垂直下滲為7.5m時，側滲僅1.5m左右；亭口水庫溝灌法垂直下滲不超過3m，側向滲透沒有超過1.5m，畦灌法下滲深度達4.9m時，而側向滲透還是沒有超過1.5m。側滲只產生在試驗坑的周邊向外的一定范圍，如果概略的認為是一個定數的話，則每米范圍內側滲量的估算公式為：

式中，sl——每米側滲量，m3；

ωz——側滲含水率實測值，%；

ω——天然含水率，%；

ρd——天然干密度；

l——側滲寬度，m；

h——計算深度，m。

根據亭口試驗注水后的實際情況，側滲范圍大致為1.3m，按上式計算出每米長度內側滲損失的水分約為0.23m3，總側滲量約為4.72m3。而實際施工中，隨著注水面積增加，側滲的入滲比會逐漸縮小。

2.4 注水量分級和側滲量計算的必要性

不管計算公式怎么精確，總是試驗性的，實際中并沒有兩個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進行試驗、合理選擇，才能做到科學、經濟。對于側滲量的計算。如果不提前進行側滲范圍實驗，就只能憑經驗取值或忽略不計了，只有在試驗完成后才能較為準確的計算，雖然這時對于試驗來說已意義不大，但在后期施工大面積注水時是必須考慮的一個因素。

3 結語

總的來說，土料配水試驗受到不同地質結構體的特性影響，差異比較大，滲透性、土料粘粒含量、土料親水性、顆粒級配等等，在整個配水過程均會對其最終成果有影響。因而，總結配水試驗規律，仍不是所有土體配水的標準，還應依據不同土體特點、地質環境特點，在前期通過試驗最終確定。陜西水利