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        水庫大壩筑壩土料的人工配水試驗初探

        2011-07-19 09:27:42成小勇
        陜西水利 2011年4期
        關鍵詞:畦灌土料水量

        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(qū)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(yōu)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(jīng)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(jù)。

        土料配水試驗技術受地質(zhì)土體條件影響,尚無統(tǒng)一標準可遵循。筆者根據(jù)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(zhì)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(qū),多年平均降雨量596.2mm,蒸發(fā)量為1016.7mm。大壩設計為均質(zhì)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(yōu)含水率(16.2%~16.6%)和塑限(18.3%~18.8%),不滿足規(guī)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(zhuǎn),一旦試驗開始,其結(jié)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(jié)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(tǒng)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(fā)后使土料含水率達到最優(yōu)或可開采上壩的過程。亭口水庫土料的最優(yōu)含水率為16.2%~16.6%,塑限為18.3%~18.6%。根據(jù)以往經(jīng)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(nèi)土層含水率達到21%時,土料可以開采上壩,即待滲期結(jié)束而可開采期開始??紤]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(tài),可開采期結(jié)束,達到了試驗目的,可結(jié)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(jié)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(huán)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(nèi)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(jié)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(tǒng)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(jié)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(xiàn)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(nèi)水的側(cè)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(yōu)于溝灌法,而按飽和含水率分級動態(tài)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(shù),100%為1,90%為 0.9……。

        cs——側(cè)滲量,m3,cs=L·Sl

        L——試驗坑四邊總長,m;

        sl——每米側(cè)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(tài)。

        2.3 關于側(cè)滲量

        根據(jù)黃土特性,黃土垂直下滲和側(cè)向滲透相差懸殊,南溝門試驗中垂直下滲為7.5m時,側(cè)滲僅1.5m左右;亭口水庫溝灌法垂直下滲不超過3m,側(cè)向滲透沒有超過1.5m,畦灌法下滲深度達4.9m時,而側(cè)向滲透還是沒有超過1.5m。側(cè)滲只產(chǎn)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(shù)的話,則每米范圍內(nèi)側(cè)滲量的估算公式為:

        式中,sl——每米側(cè)滲量,m3;

        ωz——側(cè)滲含水率實測值,%;

        ω——天然含水率,%;

        ρd——天然干密度;

        l——側(cè)滲寬度,m;

        h——計算深度,m。

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

        2.4 注水量分級和側(cè)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(jīng)濟。對于側(cè)滲量的計算。如果不提前進行側(cè)滲范圍實驗,就只能憑經(jīng)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(jié)語

        總的來說,土料配水試驗受到不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)配水試驗規(guī)律,仍不是所有土體配水的標準,還應依據(jù)不同土體特點、地質(zhì)環(huán)境特點,在前期通過試驗最終確定。陜西水利

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