王圪堵水庫大壩填筑土料配水試驗分析

楊聚利，任夢寧

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

1 工程概況

王圪堵水庫位于黃河右岸一級支流無定河中游，榆林市橫山縣王圪堵村，是無定河中游水、沙控制工程，主要以供水、攔沙為主，兼顧灌溉、發電、防洪等綜合功能。

設計壩型為均質土壩，最大壩高46 m，壩長949 m，正常蓄水位1 046 m，死水位1 027 m，回水長度13.0 km，總庫容3.89 億m3，工程規模為大(2)型，等級為Ⅱ等，防洪標準為100年一遇，校核為200年一遇。樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞及壩后電站組成，各建筑物均位于大壩右岸。

筑壩土料選自壩址右岸下游的黃土梁區，共選4個土料場。巖性為第四系上更新統風積(Q2eol3)黃土，灰黃色及褐黃色，以粉粒為主，質地均一，硬塑—半堅硬，垂直節理發育，含少量鈣質結核;夾細砂薄層，呈透鏡狀或窩狀，連續性差，一般厚1～2.5 m，其上部局部有第四系全新統風積細沙覆蓋。如圖1 和圖2 所示。

2 土料質量［1］

利用探坑結合天然露頭調查對料場進行了詳勘，布設探坑37 個、取原狀及擾動土樣234 組，進行了野外及室內物理力學試驗。顆粒分析試驗如表1。

料場土料質量除含水率偏低外，其他指標均符合《碾壓式土石壩設計規范》要求。天然含水率隨深度變化較大，故填筑前需進行配水試驗研究，滿足大壩填筑要求。

圖1 料場分布位置示意圖Fig.1 The distribution of material yards

圖2 2 號料場剖面示意圖Fig.2 Schematic sectionof the No.2 material yard

表1 筑壩土料顆分試驗匯總表Table 1 Particle size analysis of soils filling in the dam

根據探坑取樣試驗結果，土料不同深度段天然含水率如表2。在勘探深度范圍內(15 m)，天然含水率隨深度增加而逐漸增大，介于2.0%～14.9%之間。在2.0 m 以上，天然含水率增加幅度較大;2.0 m 以下，天然含水率隨深度的增加基本上呈線性關系，如圖3。

圖3 含水率隨深度變化曲線Fig.3 Curve showing the water contents changing with depth

3 配水試驗研究

3.1 配水試驗

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL274—2001 要求，結合工程實際情況，壩體填筑碾壓控制含水率(w)13.2%～13.6%，最大干密度(ρ)1.8 g/cm3，壓實度(λ)0.98，滲透系數(k)1.78×10－5。

為了使筑壩土料含水率達到規范要求，必須人工添加適量的水，使土料的含水率達到規范標準。施工現場在土料上撒水，機械拌和，難以使水與土料均勻摻和在一起。在土料場地面，人工注水使水均勻下滲，達到增加土料含水率的目的，是一種新的嘗試。為掌握地面注水在黃土中下滲的特點，需要進行配水試驗。配水試驗選擇在3 號料場進行，在場內分別挖3 個試坑，試坑規格4 m×4 m×0.5 m，容積8 m3。

配水試驗前，在各試坑外側打7.5 m 深的鉆孔，取樣測得各孔內土層天然含水率平均值約為6%。在考慮側滲及蒸發影響的情況下，分別按入滲深度4 m、6 m、8 m 估算配水量，在3 個試坑中分別注水15 m3、20 m3、25 m3。注水時，保持試坑水頭0.5 m，延續時間約30 h，待滲期為3 d。

3.2 配水試驗土體含水率分析

從第4 天開始，每天在試坑中造孔取樣，測試土體含水率的變化情況。每天每個試坑中打3 個取樣孔，孔位由試坑中心向外按1.0 m 間隔布置。每個鉆孔每米取樣一組，單坑每天取樣36～72 組，每組平行兩試樣進行含水率測試。

試坑1、試坑2、試坑3 配水后含水率變化統計見表3。由表3 可知，配水后3 個試坑在相同深度內歷時越長，含水率越小，總體呈繼續下滲趨勢，前期下滲速度大大快于后期。

試坑1、試坑2 深度4 m 以上，前9 d 內等深度含水率平均以每天0.2%～0.9%的速度減少，第9 d 后為0.1%～0.2%;深度5 m 的含水率在增大到16.8%后即轉入下降，減少量平均每天0.1%;深度6 m 處在增大到14.8%后減小速度較快，每天達0.37%。濕、干土分界線平均每天下移8～10 cm;首次測試含水率值最大為20%，天然狀態下滲透效果穩定。配水后前9 d 滲入深度4.0 m 以上含水率多明顯高于16.2%，不能滿足開采要求。配水后第11－27 d，試坑滲入深度內的含水率值大部分已進入有效開采的陰影區，如圖4。

在開采初期水的最大滲入深度已達5.8 m，但該處含水率僅略大于配水前天然狀態，而遠低于最優值。則合理的滲入深度應為4.3～5.3 m，有效開采厚度的平均含水率為14.4%。在開采期內水分仍繼續下滲，末期開采厚度可達5.4～6.5 m，有效開采厚度的平均含水率為13.3%，如圖5。

表2 土料場天然含水率隨深度變化統計表Table 2 Natural water contents changing with depth in the soil storage yard

圖4 相同時間與含水率變化曲線Fig.4 Changing curve of moisture contents in the same time

試坑3 上部所含砂層薄，在配水過程中砂層影響可以忽略，該試坑入滲特征上表現為在滲入范圍內含水率變化曲線較平緩。

孔深1～3 m 等深度含水率平均每天減少0.22%～0.29%;與此同時4 m 深度處含水率還處于增長階段，當其增大到11.93%時，3 m 以下的含水率均已低于13.2%。

由此，試坑3 當配水后第10－20 d，開采初期陰影區有效開采厚度3.0 m。入滲深度內土的含水率值為15.3%。同時，在開采末期合適的開采深度3.2 m 以下的平均含水率已＜13.2%。因此該試坑入滲深度較淺，開采有效厚度小，實用性不高，故不宜采用。

3.3 配水效果分析［2］

配水結束后在每個試坑內開挖探坑一個，深度5～7 m，共取原狀樣9 組，進行土的室內物理力學指標試驗。土的物性試驗成果匯總表見表4，土的擊實后壓縮、直剪、滲透試驗成果匯總表見表5。

配水后土料含水率平均值為12.7%;擊實最大干密度ρd=1.82 g/cm3，wop=12.5 %;擊實后飽和快剪凝聚力c=25 kPa，φ=31.6°，飽和固結快剪凝聚力c=29 kPa，φ=31.9°，壓縮模量Es1－2=21.19 MPa，壓縮系數av1－2=0.07 MPa－1，屬中—低壓縮性土，水平滲透系數為1.38×10－5cm/s，為弱透水性土，滿足規范要求。

4 大壩填筑

大壩于2010年3月動工清基，同時進行料場復核、清表剝離及配水(預浸水)等工作。配水是在清表后進行，采用40 m×10 m×1.0 m 和50 m×20 m×1.0 m滲坑。向試坑內注水，使試坑內保持0.5 m 水頭持續兩周后停止加水，待水完全入滲后進行開挖翻倒制備。開挖中觀察試驗垂直入滲深度4.8～5.5 m，水平方向影響半徑1.0～1.5 m。通過多次反復碾壓試驗，經過合理的配水和碾壓方法，碾壓密度達1.78～1.81 g/cm3，壓實度達99%以上，自檢和第三方檢測抽檢合格率達到98%以上，返工率基本為零。

表3 配水后含水率變化統計表Table 3 The changes of water contents after water distribution

圖5 相同深度與含水率曲線Fig.5 Curve of moisture contents in the same depths

5 結語

天然建筑材料根據當地自然地質條件、沉積環境的不同，其物理力學特性差異較大。作為均質土壩的填筑材料，在它的顆粒組成滿足規范與設計要求之外，其次為含水率、密度和壓實度，碾壓機具的組合(即施工方法)等指標間的相互作用息息相關，均可采用人工干預來控制，使其滿足使用要求，解決干旱和半干旱地區當地材料匱乏的問題是可行的。但在實際施工中，試驗和實際施工中的工況條件及工作環境有所差異，應針對工程區的自然地質環境、氣候條件和施工環境進行深入的分析研究，以尋求最科學、最經濟，且行之有效的施工方法。

表4 土的物性試驗成果匯總表Table 4 The test results for the physical properties of soil

表5 擊實土壓縮、直剪、滲透試驗成果匯總表Table 5 The results of the compacted soil after compression，direct shear and permeation

［1］孫利軍，劉曉為.榆林市王圪堵水利樞紐工程地質勘察報告初步設計階段［R］.咸陽:陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院，2009.

［2］SL274—2001，碾壓式土石壩設計規范［S］.