榆林市王圪堵水庫筑壩土料配水技術(shù)的探討

薛杰軍　朱嘉偉　薛偉強

（陜西水利電力勘測設(shè)計研究院陜西西安710001）

榆林市王圪堵水庫筑壩土料配水技術(shù)的探討

薛杰軍朱嘉偉薛偉強

（陜西水利電力勘測設(shè)計研究院陜西西安710001）

本文通過分析榆林市王圪堵水庫筑壩土料配水試驗的有關(guān)資料，對土料配水處理技術(shù)提出自己的一些認(rèn)識，為類似工程土料配水方案選擇提供一些經(jīng)驗。

王圪堵水庫；土料配水試驗；土料配水技術(shù)；分析

1　水庫概況

王圪堵水庫是無定河中游的一項大（2）型水沙控制工程，水庫的建設(shè)任務(wù)是以供水、攔沙為主，兼顧灌溉等綜合利用。水庫總庫容3.89億m3，壩后電站裝機3.75MW。水庫就近向榆橫煤化學(xué)工業(yè)區(qū)、魚米綏鹽化學(xué)工業(yè)區(qū)多年平均年供水總量1.544億m3；向下游現(xiàn)有的14.6萬畝灌區(qū)灌溉平均年補水總量0.444億m3；60年運用期攔截泥沙1.91億m3。水庫大壩為均質(zhì)土壩，土方填筑量463萬m3；料場土料天然含水率ω=8.7%～10%，最優(yōu)含水率ωop=13.2%～13.3%，筑壩施工時需加水提高含水率，可研審查要求進一步落實筑壩土料配水方案。因此陜西省水利水電勘測設(shè)計研究院地質(zhì)勘察總隊2006年4月1日至7月7日完成了筑壩土料配水試驗報告。由于配水試驗缺乏相應(yīng)技術(shù)規(guī)程支持，如何確定注水量、下滲深度、待滲期天數(shù)、開采期天數(shù)尚在摸索研究階段，因此對其研究意義重大。

2　研究現(xiàn)狀

通過對以上問題進行了資料收集，總結(jié)如下：

咸陽亭口水庫結(jié)合地形布置了4個試驗坑，試驗坑間距為15m，開口面積均采用5m× 5m。坑號分別為S1、S2、S3、S4，注水量分別為30m3、27m3、24m3、21m3，最終下滲深度分別為6.3m、4.9m、5.2m、4.3m，待滲期分別為45d、48d、47d、50d，可開采期分別為39d、38d、58d、49d。

延安南溝門水庫結(jié)合地形布置了2個試驗坑，S1坑開口面積采用3m×3m，深1 m，S2坑開口面積采用6m×6m，深1 m，注水量分別為9.9m3、36m3、最終下滲深度分別為4.2m、3.8m。待滲期26d，可開采期分別為30d。

榆林王圪堵水庫地形布置了3個試驗坑，開口面積均采用4m×4m，深0.5 m。坑號分別為S1、S2、S3。計劃注水量分別為15m3、20m3、25m3。最終下滲深度分別為5.8m、4.8m、3.7m。待滲期分別為12d、11d、10d、可開采期分別為16d、15d、10d。

榆林王圪堵水庫2010年3月動工，施工采用滲坑開口面積為40m×10m，深1.0m和50m×20m，深1.0m。注水量為保持坑內(nèi)水深0.5m連續(xù)兩周后停止加水，實測最大入滲深度4.8m～5.5m，水平方向影響半徑為1m～1.5m。

3　榆林市王圪堵水庫筑壩土料配水試驗概述

2.1設(shè)備配備

為保證現(xiàn)場工作順利進行，配備的試驗儀器、設(shè)備如表1。

2.2試坑布置

試驗在1—（3）號土料場選取有代表性的試坑位置3處（如圖1所示）用于配水，分別為試坑1、試坑2、試坑3。試坑長、寬各4m，深0.5m，容積8m3。并在坑壁鋪設(shè)塑料膜以減少側(cè)向滲流。

2.3試坑起始含水量測定

圖1　試坑位置示意圖

表1　試驗儀器、設(shè)備表

表2　試坑內(nèi)起始含水量測定表

在配水前先在各試坑外側(cè)打洛陽鏟鉆孔一個，每孔深度7.5m（見表2），測得當(dāng)時的各孔內(nèi)土層天然含水量平均值約為6%。

可研階段提供的料場土料天然含水率ω=8.7～10%。

2.4試坑配水

2006年4月22日開始陸續(xù)為試坑1、2注水，在保持坑內(nèi)水頭為0.5m的條件下，注水延續(xù)時間分別約為40小時和35小時。4月23日開始為試坑3注水，在保持水頭為0.5m的條件下，注水延續(xù)時間約30小時。待滲期定為3天。由于黃土層土質(zhì)較密，客觀上也延長了注水時間。為了盡量減少不利的損耗，在坑頂搭設(shè)了防曬網(wǎng)以減少蒸發(fā)。

2.5現(xiàn)場試驗

待滲3天后，第4天開始造孔取擾動樣進行含水量測試，造孔采用洛陽鏟成孔，孔徑為10cm。每試坑每天布置鉆孔3個，孔位由試坑中心向邊緣輻射狀排列，0m、1m、2m各1孔，每孔每米取擾動樣一組，取樣過程中樣品應(yīng)盡量減少在空氣中的暴露時間，裝入皿盒后，在現(xiàn)場用精度0.01g的電子天平稱量，并詳細認(rèn)真填寫野外記錄表。按計劃每天取樣工作完成后即進入烘干階段，將試樣放入恒溫干燥箱在105°的恒溫狀態(tài)下，經(jīng)過8小時的不間斷烘干，然后用電子天平稱其干燥后的總質(zhì)量，同時填寫記錄表，經(jīng)核對無誤后將試驗數(shù)據(jù)輸入計算機程序中，經(jīng)計算可得到單坑配水后某一天各孔的試驗成果表。

試坑1配水后含水量變化統(tǒng)計表見表3。由表中可以看出第4天試坑0.5m～4m深度的土體含水量已由6%變?yōu)?9.32%～18.11%，第12天試坑0.5m～5m深度的土體含水量已變?yōu)?6.68%～15.28%，接近最優(yōu)含水量或塑限含水量，進入可開采期，第23～27天試坑0.5m～6m深度的土體含水量有些已小于最優(yōu)含水量或塑限含水量，已不可開采。

試坑2配水后含水量變化統(tǒng)計表見表4。情況與試坑1基本相同。

4　水庫筑壩土料配水試驗分析

3.1試坑大小與個數(shù)

大型挖掘設(shè)備的立面開挖高度一般為4m，因此入滲深度可按4m～5m設(shè)計。水平方向滲透影響半徑為根據(jù)經(jīng)驗可按1m～1.5m設(shè)計。試坑平面尺寸根據(jù)經(jīng)驗可按正方形或圓形進行布置，邊長或直徑可采用3m～5m，深度可采用0.5m～1.0m設(shè)計。試坑個數(shù)建議依據(jù)料場起始含水量=↑↓、垂直滲透系數(shù)、土層厚度的不同點來選擇具有代表性試坑個數(shù)，條件基本相同時不應(yīng)進行對比試驗。

3.2試坑注水量

試坑注水量目前大家基本按每平米1m3進行計算，應(yīng)根據(jù)料場試坑預(yù)計入滲范圍的土體天然含水量平均值ω1，最優(yōu)含水量ω2及塑限含水量ω3，開挖運輸過程的含水量減小值ω4（可取2%～3%），開采上線含水量ω5，開采下線含水量ω6，料場試坑預(yù)計入滲范圍的土體天然密度ρ，料場試坑預(yù)計入滲范圍土體的體積V，并考慮一定的水量側(cè)滲損失K計算，根據(jù)《土力學(xué)》中土的三相理論進行推導(dǎo)得：

表3　試坑1配水后含水量變化統(tǒng)計表

表4　試坑2配水后含水量變化統(tǒng)計表

試坑注水量=K（ω5-ω1）ρV/（1+ω1）

例如：K=1.1，ω5=20%，ω1=10%，ρ=1.66g/cm3，試坑邊長=4m，預(yù)計入滲深度4.5m，水平方向滲透影響半徑取0.5m，則V=（4+2×0.5）×（4+2×0.5）×4.5=112.5 m3。

試坑注水量=1.1×（0.2-0.1）×1.66× 112.5/（1+0.1）=18.68m3。計算試坑每平米注水量為18.68/42=1.2m3。

3.3下滲深度

根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)證明，下滲深度與試坑注水量、土層垂直滲透系數(shù)、配水試驗方法等相關(guān)。由于目前入滲深度按4m～5m設(shè)計，試坑注水量約每平米1m3左右，配水試驗方法采用筑筑畦灌水法，因此最終下滲深度約為4m～6m。

3.4待滲期天數(shù)

待滲期天數(shù)主要受土層天然垂直滲透系數(shù)、天然含水量影響，滲透系數(shù)越小待滲期天數(shù)越長，含水量越大待滲期天數(shù)越長。亭口水庫砂粒含量1.6%，粉粒含量73.8%，粘粒含量24.1%，天然含水量ω1=13.3%。南溝門水庫砂粒含量9.7%，粉粒含量79.9%，粘粒含量10.4%，天然含水量ω1=10.9%。王圪堵水庫砂粒含量10.3%，粉粒含量73.6%，粘粒含量16.1%，天然含水量ω1=6%。砂粒、粉粒含量多，滲透性就強。因此亭口水庫待滲期天數(shù)為45d～50d，南溝門水庫待滲期天數(shù)為26d，王圪堵待滲期天數(shù)為10d～12d。

3.5可開采期天數(shù)

可開采期天數(shù)也直接受土層垂直滲透系數(shù)、天然含水量影響，滲透系數(shù)越小可開采期天數(shù)越長，含水量越大可開采期天數(shù)越長。亭口、南溝門水庫土料壓實后垂直滲透系數(shù)5.89～5.46× 10-6cm/s，王圪堵水庫土料壓實后垂直滲透系數(shù)1.41×10-5cm/s。由于料場砂粒、粉粒、粘粒含量不同，天然含水量不同，因此亭口水庫可開采期為38d～49d，南溝門水庫可開采期為30d，王圪堵水庫可開采期為10d～16d。

5　結(jié)語

本文主要以王圪堵水庫土料施工配水成果為例，并同時分析印證亭口、南溝門水庫土料配水試驗有關(guān)成果，運用土力學(xué)有關(guān)理論，總結(jié)提出了土料配水試驗中試坑大小與個數(shù)、試坑注水量、下滲深度、待滲期天數(shù)、可開采期天數(shù)的確定方法，對類似工程土料配水具有參考價值。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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