均質(zhì)土壩填筑土料研究

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000)

均質(zhì)土壩的填筑過程控制至關(guān)重要，但材料特性是填筑質(zhì)量的關(guān)鍵所在。本文以王圪堵水庫為例，對干旱地區(qū)填筑土料的特性以人工干預過程進行研究，以滿足類似材料水利工程的需求。

1 工程概況

王圪堵水庫位于無定河中游榆林市橫山縣王圪堵村，工程主要功能是供水、攔沙，兼顧灌溉、發(fā)電、防洪等綜合功能。設(shè)計壩型為碾壓均質(zhì)土壩，最大壩高46 m，壩長949 m，總庫容3.89億 m3，屬大(2)型、Ⅱ等水利工程。樞紐由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和壩后電站等建筑物組成。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

工程區(qū)地處陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣，西北高、東南低，分布高程1 000～1 400 m，相對高差50～100 m。以無定河為界，東南部為黃土梁峁、丘陵溝壑地貌，為土料場所在位置，西北部為風積沙漠地貌。屬溫帶大陸性半干旱草原季風氣候，降雨稀少，蒸發(fā)量大。

2.2 料場分布特征

勘察階段選土料場共4處，分別位于壩址右岸黃土梁區(qū)，1、2號為主料場，距壩址區(qū)1～1.5 km，備用3、4號料場距壩址區(qū)2.5～4 km，總儲量1 080.4萬 m3。料場分布如圖1所示。

圖1 料場分布位置示意圖

2.3 地層巖性

土料場巖性為第四系上更新統(tǒng)風積(Q32eol)黃土，灰黃～褐黃色，粉粒為主，質(zhì)地均一，硬塑～半堅硬，垂直節(jié)理發(fā)育，含零星鈣質(zhì)結(jié)核；夾透鏡狀或窩狀薄層細砂，連續(xù)性差，一般厚1～2.5 m。局部表層覆蓋第四系全新統(tǒng)風積細沙。如圖2所示。

圖2 2號料場剖面示意圖

2.4 水文地質(zhì)特征

料場位于黃土梁峁區(qū)，地形切割破碎，巖層儲水條件差。區(qū)內(nèi)降雨量較少而小，地下水較為匱乏，一般垂直入滲補給基巖，形成基巖裂隙水，以下降泉的形式排泄于溝谷，補給無定河。

3 勘察階段土料的物理力學特征

3.1 物理特征

勘察階段采用探坑結(jié)合天然露頭調(diào)查法對料場進行勘察，布設(shè)探坑37個、取原狀及擾動土樣234組，野外及室內(nèi)物理力學試驗。1#、2#土料場顆分試驗統(tǒng)計平均值砂粒含量9.8%、粉粒含量71.2%、黏粒含量17%，3#、4#砂粒含量10.3%粉粒含量73.6%、黏粒含量16.1%。為低液限粘土。

土料物理性指標以1、2號兩場為例，統(tǒng)計樣品33～36組，天然含水率10.0%，天然密度1.67 g/cm3，干密度1.59 g/cm3，飽和度39.8%；擊實最大干密度1.80 g/cm3，，最優(yōu)含水率13.3%；控制干密度為1.78 g/cm3時，滲透系數(shù)1.78×10-5c m/s。

3.2 力學特征

土料三軸壓縮試驗以1、2號料場為例，固結(jié)不排水剪總應力ccu=65.9 kpa，φcu=21°，有效應力 ccu＇=15.8 kpa，φcu＇=32°。

3.3 含水率分布特征

通過對各料場土料天然含水率進行專門分析，其垂直分布特征如表1。顯示勘探深度范圍內(nèi)，天然含水率隨深度增加而逐漸增大，介于2.0～14.9%之間，隨深度變化呈正比關(guān)系(表層局部存在上大下小現(xiàn)象)，如圖3。分析結(jié)果認為，受當?shù)亟涤旰驼舭l(fā)量等客觀氣候條件影響較大。

表1 土料場天然含水率隨深度變化統(tǒng)計表

圖3 土料ω～h關(guān)系曲線

4 設(shè)計要求及預浸水試驗

通過上述對天然土料質(zhì)量的分析，除含水率偏低外，其他指標均可符合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》要求。土料天然含水率隨枯、豐年季變化較大，故填筑前需配水后，方可滿足設(shè)計需求。

4.1 設(shè)計要求

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274—2001要求，結(jié)合本工程的實際情況，設(shè)計壩體填筑碾壓指標為：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(shù)(k)1.78×10-5。

4.2 預浸水試驗

4.2.1 配水試驗原理及試坑布置

為滿足土料的填筑需求，勘察期間對料場進行預浸水專題試驗研究，在3號料場采用試坑灌水法浸水，選用容積8 m3(4×4×0.5 m)的試坑，在坑壁鋪設(shè)塑料膜以減少側(cè)向滲流，試驗是在試內(nèi)保持一定水頭，經(jīng)過一定時間的有壓滲入，然后進入無壓入滲，待坑內(nèi)明水消失后分別在不同天數(shù)內(nèi)，在試坑不同位置及深度采取樣品，測試含水率。依據(jù)試驗原理，選取有代表性的試坑3處用于配水。

4.2.2 配水

為了最終得到合理的配水參數(shù)，分別按需要入滲4 m、6 m、8 m為三個試坑估算配水量。配水前，在各試坑外側(cè)打鉆孔一個，每孔深度7.5 m，測得各孔內(nèi)土層天然含水量平均值約為6% ，低于可研提供的8.7%，由于兩次測試時間間隔較長，故視為正常值。以實測值為參考。

試坑注水保持水頭0.5 m，延續(xù)時間約30 h。由于該區(qū)黃土呈硬塑狀，客觀上也延長了注水時間，待滲期3 d。試驗期間，在坑頂搭設(shè)了防曬網(wǎng)以減少蒸發(fā)。

4.2.3 現(xiàn)場測試

待滲3天后，第4天開始造孔取樣進行含水率測試， 測試孔位由試坑中心向邊緣輻射狀布設(shè)，各試坑每天取樣3孔，按0 m、1 m、2 m各布1孔，每米取擾動樣一組，單坑每天取樣36～72組，每組平行兩試樣進行含水量測試。

4.2.4 配水試驗成果分析及評價

試驗進入第27天時，入滲深度內(nèi)大部分土樣含水量接近13.2%，個別低于12.2%，按要求可結(jié)束試驗，所得各試坑滲水后含水率變化進行分別統(tǒng)計和分析評價。試坑1配水后含水率變化統(tǒng)計表如表2。

表2 試坑1配水后含水率變化統(tǒng)計表

表2中，試坑1配水后的含水率變化規(guī)律：(1)配水后入滲等深度歷時越長，含水率則越低，總體呈繼續(xù)下滲趨勢，前期下滲速度快于后期。配水后深度4 m以上，前9天內(nèi)等深度含水率平均以每天0.2%～0.9%的速度減少(砂層以上為0.2%)，第9天后為0.1%～0.2%；深度5 m處含水率增大到16.8%后轉(zhuǎn)入下降，平均每天下降0.1%，深度6m處含水率增加到14.8%后，以每天0.37%的速度降低；濕、干土分界線平均每天下移8～10 cm；孔底部含水率一般為7%～8%，與配水前相近。首次測試時含水量值最大為20%，下滲效果良好。取樣中未見完全飽和現(xiàn)象，表明料場土層均一性好，無相對滯水層。(2)配水后，前7天可滲入深度內(nèi)含水率大多明顯高于16.2%，偏高，不宜開采。試坑1配水后相同深度處時間與含水量關(guān)系曲線如圖4，深度與含水量變化關(guān)系曲線如圖5。

表2和圖4可表明，配水后第12天，滲入深度內(nèi)含水率值大部分已進入陰影區(qū)(即適用的土料含水率的取值范圍)，第27天時仍在陰影內(nèi)，即土料有效開采期是配水后的第12天至第28天。表2配水后濕、干土分界深度及圖5表明，開采初期水的最大滲入深度已達5.8 m，但該處含水量值僅略大于配水前天然狀態(tài)，遠低于最優(yōu)值。分析認為，合理的滲入深度應為5.3 m，開采有效厚度內(nèi)的平均含水率為14.4%。在開采期內(nèi)，水分仍繼續(xù)下滲，末期開采深度可達6.5m，有效厚度內(nèi)的平均含水量為13.3%。

雖然配水后第12天至第28天為最佳開采時段，但考慮到開采運輸過程中存在含水率的損失，故開挖時間應提前2天較為合理。

圖4 配水后相同深度處時間與含水量關(guān)系曲線圖

綜合分析：試驗中，在三個試坑采用不同的配水方量，同樣的分析方法，其結(jié)果略有不同。試坑1配水方量為25 m3，坑底面積為16 m2。若按試坑單位面積配水，入滲深度5.3 m時，需注水量為1.6 m3，平均每米需水0.3 m3；試坑2配水方量為20 m3，坑底面積為16 m2。按試坑單位面積配水，入滲深度4.3 m時，注水量為1.3 m3，平均每米需水0.3 m3；試坑3配水方量為15 m3，坑底面積為16 m2。按試坑單位面積配水，入滲深度3.2 m時，注水量為0.94 m3，平均每米需水0.3 m3。經(jīng)對三個配水點的綜合分析比較：各試坑配水量不同，達到可上壩土料的等待時間基本接近，開采時段長度相差稍多，深度差別較大。其中試坑3的入滲深度為最淺，相對施工不經(jīng)濟，不宜采用，而試坑1、2的成果可以作為設(shè)計時采用的配水參考工藝。

取樣孔揭示，孔深1.2～2.2 m為厚度不等的細砂層，其垂直及水平滲透系數(shù)均大于土層，水沿砂層水平方向滲漏嚴重，直接影響到土層的垂直入滲，所以試驗未達到理想的入滲深度，建議清除表層的砂層及含植物根系土層，整平后分畦分期進行，配水量的多少，可根據(jù)立面開挖深度調(diào)整給，或分層進行。

圖5 配水后期相同時間內(nèi)深度與含水量關(guān)系曲線

5 實施過程中存在的問題

5.1 配水方法

王圪堵水庫大壩于2010年3月開始預浸水工作，清表后采用40 m×10 m×1.0 m 和50 m×20 m×1.0 m滲坑，水源為無定河水，管道泵壓輸送至浸水現(xiàn)場，向試坑注水，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7天后進行開挖翻倒。開挖中觀察垂直入滲深度4.8～5.5 m，水平方向影響半徑1.0～1.5 m。

5.2 碾壓試驗

碾壓試驗是將料場制備好的土料運至壩址附近進行，為滿足設(shè)計及規(guī)范要求，碾壓填土厚度采用0.2 m、0.35 m、0.5 m，碾壓變數(shù)為6、8、10遍三種不同的方法，碾壓機具為60T震動凸塊碾1檔碾壓(1檔的速度和震動頻率相當于60 T/cm2，2檔相當于30T/cm2)，以確定最合理的碾壓參數(shù)。結(jié)果表明，填土厚度0.35 m，1檔震動碾壓8遍后的壓實度達到98%～100%，即為最合理的碾壓參數(shù)。為此，依據(jù)試驗結(jié)果進一步明確了實際碾壓參數(shù)的合理性，于2010年7月左壩段Ⅰ區(qū)清基完成并進行填筑(見表3)。

5.3 填筑中存在的問題

在大壩填筑過程中，自檢和第三方檢測都存在壓實度未滿足設(shè)計要求，其原因不僅僅是含水量低，還存在局部含水率偏高，形成橡皮土和壓實度過大引起的剪切破壞。因而，不但碾壓含水率、碾壓功率和遍數(shù)關(guān)系密切，而且還與配水后土料含水率分布的均勻性息息相關(guān)。之后，通過反復翻倒、涼曬、灑水、旋耕再碾壓。通過5層(每層0.35 m)填筑，均存在類似問題，檢測合格率僅為60%如表3。分析認為：(1)土料料源配水后大范圍開挖運至工作面后，含水率仍具有不均勻性，局部粉粒含量較高，現(xiàn)場翻到均勻性較差；(2)浸水過程中，垂直入滲程度參差不齊，粉粒含量高的部位垂直和水平入滲深度較大，開挖后含水量損失較大，且配水面積有限，不能滿足填筑施工大量開采的需求；(3)運距較大，自2號料場繞包茂高速至左壩段約2.0 km，由于當?shù)貧夂蚋稍?，蒸發(fā)量大，松散的土料在運輸途中失水；(4)碾壓機具功率偏小等因數(shù)。

表3 填筑Ⅰ區(qū)1～5層填土合格率統(tǒng)計表

6 方案調(diào)整措施

鑒于填筑碾壓存在上述問題，2010年9月業(yè)主會同勘察設(shè)計、監(jiān)理、施工單位對料源、開采方法、配水及運輸?shù)冗^程進行分析達成共識，“應改善碾壓機具的組合參數(shù)，增加碾壓遍數(shù)，土料制備采用二次倒運現(xiàn)場制備，注意砂土的剝離等事項形成紀要予以實施。”方法為現(xiàn)場預浸水，再運至壩區(qū)附近200～300 m范圍內(nèi)分層灑水堆放10～15 d后上壩填筑。通過多次反復碾壓試驗，通過合理的配水和碾壓方法，該區(qū)在1 014 m高程以上基本掌握填筑土料的特性，碾壓密度達1.78～1.81 g/cm3,壓實度達99%以上，合格率達到98%以上，返工率大大減小。

7 結(jié)語

填筑土料根據(jù)當?shù)刈匀坏刭|(zhì)條件、沉積環(huán)境的不同，其物理力學特性差異較大。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)計要求外，土料含水率、密度和壓實度，碾壓機具的組合等指標間的相互作用息息相關(guān)，均可采用人工干預來控制，使其滿足使用需求。解決干旱和半干旱地區(qū)當?shù)夭牧蠀T乏的問題是可行的。但在實施與控制中，工況條件及工作環(huán)境有所差異，應針對工程區(qū)的自然地質(zhì)環(huán)境、氣候條件和施工環(huán)境進行深入分析研究，以尋求最科學、最經(jīng)濟、且行之有效施工方法。