王圪堵水庫(kù)大壩填筑土料配水試驗(yàn)分析

楊聚利，任夢(mèng)寧

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 工程概況

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

設(shè)計(jì)壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高46 m，壩長(zhǎng)949 m，正常蓄水位1 046 m，死水位1 027 m，回水長(zhǎng)度13.0 km，總庫(kù)容3.89 億m3，工程規(guī)模為大(2)型，等級(jí)為Ⅱ等，防洪標(biāo)準(zhǔn)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(qū)，共選4個(gè)土料場(chǎng)。巖性為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q2eol3)黃土，灰黃色及褐黃色，以粉粒為主，質(zhì)地均一，硬塑—半堅(jiān)硬，垂直節(jié)理發(fā)育，含少量鈣質(zhì)結(jié)核;夾細(xì)砂薄層，呈透鏡狀或窩狀，連續(xù)性差，一般厚1～2.5 m，其上部局部有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)沙覆蓋。如圖1 和圖2 所示。

2 土料質(zhì)量［1］

利用探坑結(jié)合天然露頭調(diào)查對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行了詳勘，布設(shè)探坑37 個(gè)、取原狀及擾動(dòng)土樣234 組，進(jìn)行了野外及室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。顆粒分析試驗(yàn)如表1。

料場(chǎng)土料質(zhì)量除含水率偏低外，其他指標(biāo)均符合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。天然含水率隨深度變化較大，故填筑前需進(jìn)行配水試驗(yàn)研究，滿足大壩填筑要求。

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

圖2 2 號(hào)料場(chǎng)剖面示意圖Fig.2 Schematic sectionof the No.2 material yard

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

根據(jù)探坑取樣試驗(yàn)結(jié)果，土料不同深度段天然含水率如表2。在勘探深度范圍內(nèi)(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(guān)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(yàn)研究

3.1 配水試驗(yàn)

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001 要求，結(jié)合工程實(shí)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(shí)度(λ)0.98，滲透系數(shù)(k)1.78×10－5。

為了使筑壩土料含水率達(dá)到規(guī)范要求，必須人工添加適量的水，使土料的含水率達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。施工現(xiàn)場(chǎng)在土料上撒水，機(jī)械拌和，難以使水與土料均勻摻和在一起。在土料場(chǎng)地面，人工注水使水均勻下滲，達(dá)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(diǎn)，需要進(jìn)行配水試驗(yàn)。配水試驗(yàn)選擇在3 號(hào)料場(chǎng)進(jìn)行，在場(chǎng)內(nèi)分別挖3 個(gè)試坑，試坑規(guī)格4 m×4 m×0.5 m，容積8 m3。

配水試驗(yàn)前，在各試坑外側(cè)打7.5 m 深的鉆孔，取樣測(cè)得各孔內(nèi)土層天然含水率平均值約為6%。在考慮側(cè)滲及蒸發(fā)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(gè)試坑中分別注水15 m3、20 m3、25 m3。注水時(shí)，保持試坑水頭0.5 m，延續(xù)時(shí)間約30 h，待滲期為3 d。

3.2 配水試驗(yàn)土體含水率分析

從第4 天開(kāi)始，每天在試坑中造孔取樣，測(cè)試土體含水率的變化情況。每天每個(gè)試坑中打3 個(gè)取樣孔，孔位由試坑中心向外按1.0 m 間隔布置。每個(gè)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(jìn)行含水率測(cè)試。

試坑1、試坑2、試坑3 配水后含水率變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3 可知，配水后3 個(gè)試坑在相同深度內(nèi)歷時(shí)越長(zhǎng)，含水率越小，總體呈繼續(xù)下滲趨勢(shì)，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(nèi)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(zhuǎn)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(dá)0.37%。濕、干土分界線平均每天下移8～10 cm;首次測(cè)試含水率值最大為20%，天然狀態(tài)下滲透效果穩(wěn)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(kāi)采要求。配水后第11－27 d，試坑滲入深度內(nèi)的含水率值大部分已進(jìn)入有效開(kāi)采的陰影區(qū)，如圖4。

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

表2 土料場(chǎng)天然含水率隨深度變化統(tǒng)計(jì)表Table 2 Natural water contents changing with depth in the soil storage yard

圖4 相同時(shí)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(guò)程中砂層影響可以忽略，該試坑入滲特征上表現(xiàn)為在滲入范圍內(nèi)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(shí)4 m 深度處含水率還處于增長(zhǎng)階段，當(dāng)其增大到11.93%時(shí)，3 m 以下的含水率均已低于13.2%。

由此，試坑3 當(dāng)配水后第10－20 d，開(kāi)采初期陰影區(qū)有效開(kāi)采厚度3.0 m。入滲深度內(nèi)土的含水率值為15.3%。同時(shí)，在開(kāi)采末期合適的開(kāi)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(kāi)采有效厚度小，實(shí)用性不高，故不宜采用。

3.3 配水效果分析［2］

配水結(jié)束后在每個(gè)試坑內(nèi)開(kāi)挖探坑一個(gè)，深度5～7 m，共取原狀樣9 組，進(jìn)行土的室內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)。土的物性試驗(yàn)成果匯總表見(jiàn)表4，土的擊實(shí)后壓縮、直剪、滲透試驗(yàn)成果匯總表見(jiàn)表5。

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

4 大壩填筑

大壩于2010年3月動(dòng)工清基，同時(shí)進(jìn)行料場(chǎng)復(fù)核、清表剝離及配水(預(yù)浸水)等工作。配水是在清表后進(jìn)行，采用40 m×10 m×1.0 m 和50 m×20 m×1.0 m滲坑。向試坑內(nèi)注水，使試坑內(nèi)保持0.5 m 水頭持續(xù)兩周后停止加水，待水完全入滲后進(jìn)行開(kāi)挖翻倒制備。開(kāi)挖中觀察試驗(yàn)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(guò)多次反復(fù)碾壓試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)合理的配水和碾壓方法，碾壓密度達(dá)1.78～1.81 g/cm3，壓實(shí)度達(dá)99%以上，自檢和第三方檢測(cè)抽檢合格率達(dá)到98%以上，返工率基本為零。

表3 配水后含水率變化統(tǒng)計(jì)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(jié)語(yǔ)

天然建筑材料根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀坏刭|(zhì)條件、沉積環(huán)境的不同，其物理力學(xué)特性差異較大。作為均質(zhì)土壩的填筑材料，在它的顆粒組成滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求之外，其次為含水率、密度和壓實(shí)度，碾壓機(jī)具的組合(即施工方法)等指標(biāo)間的相互作用息息相關(guān)，均可采用人工干預(yù)來(lái)控制，使其滿足使用要求，解決干旱和半干旱地區(qū)當(dāng)?shù)夭牧蠀T乏的問(wèn)題是可行的。但在實(shí)際施工中，試驗(yàn)和實(shí)際施工中的工況條件及工作環(huán)境有所差異，應(yīng)針對(duì)工程區(qū)的自然地質(zhì)環(huán)境、氣候條件和施工環(huán)境進(jìn)行深入的分析研究，以尋求最科學(xué)、最經(jīng)濟(jì)，且行之有效的施工方法。

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

表5 擊實(shí)土壓縮、直剪、滲透試驗(yàn)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(zhì)勘察報(bào)告初步設(shè)計(jì)階段［R］.咸陽(yáng):陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，2009.

［2］SL274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.