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        水庫大壩筑壩土料的人工配水試驗(yàn)初探

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

        成小勇

        (陜西省水利電力勘測設(shè)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(yuǎn)低于最優(yōu)含水率。土層、土料含水率過低則不易碾壓密實(shí),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(jìn)行人工配(浸)水,提高其含水率。土料配水試驗(yàn)就是探索切合實(shí)際、經(jīng)濟(jì)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(shè)計及后期施工提供土料配水的基礎(chǔ)資料和較為實(shí)際的理論依據(jù)。

        土料配水試驗(yàn)技術(shù)受地質(zhì)土體條件影響,尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)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(yàn),主要以亭口水庫的畦灌法為例,淺談有關(guān)配水試驗(yàn)過程及對試驗(yàn)的看法。

        1 工程實(shí)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(shè)計為均質(zhì)土壩,需用筑壩土料317.8萬m3。設(shè)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(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求。

        1.2 工藝設(shè)計

        土料配水試驗(yàn)費(fèi)時費(fèi)力,不可逆轉(zhuǎn),一旦試驗(yàn)開始,其結(jié)果不是人力可以改變的,因此,試驗(yàn)前需要對試驗(yàn)全過程作一個較為詳細(xì)的工藝設(shè)計,與施工組織設(shè)計同理。

        亭口水庫結(jié)合地形布置了4個試驗(yàn)坑,擬按不同的注水量進(jìn)行注水。試驗(yàn)坑間距為15m,開口面積采用了5m×5m。大型挖掘機(jī)的立面開挖高度一般為4m,因此,滲水深度按4m~5m設(shè)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(chǔ)減去天然含水率求得,后分四個量級進(jìn)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(yàn)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(yàn)坑成果匯總表

        表2 各試驗(yàn)坑地層統(tǒng)計表

        表3 試驗(yàn)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(dá)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(yàn),開挖拉運(yùn)過程中水分損失按2%~3%考慮,因此認(rèn)為在開挖深度內(nèi)土層含水率達(dá)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。考慮開采、拉運(yùn)過程中水分損失的因素,認(rèn)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(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康模山Y(jié)束試驗(yàn)。

        1.3 試驗(yàn)實(shí)施

        做好工藝設(shè)計后,試驗(yàn)按設(shè)計的工序進(jìn)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(yàn)。

        按計劃注水量注水后,各試驗(yàn)坑進(jìn)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(yàn)坑4m內(nèi)土料含水率平均值已降至21%,也就是原設(shè)計所確定的待滲期結(jié)束的含水率,而進(jìn)入可開采期。分別在第 84d~99d 時,S1、S2、S4試驗(yàn)坑含水率降至19%,已到設(shè)計開采含水率下限。S3試驗(yàn)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(qiáng)。參考各試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)的認(rèn)識

        通過實(shí)際試驗(yàn)工作,筆者現(xiàn)就試驗(yàn)中的幾個主要問題談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

        2.1 試驗(yàn)方法及注水量計算方式

        配水試驗(yàn)方法分畦灌法和溝灌法兩種。畦灌法的設(shè)計理念是分塊分片整平料場后進(jìn)行筑畦,對其進(jìn)行大面積灌水,使水分下滲達(dá)到目的;溝灌法是在料場按一定間距挖成溝槽進(jìn)行灌水,通過溝槽內(nèi)水的側(cè)向滲透和垂直下滲達(dá)到目的。表2是南溝門水庫和亭口水庫使用的試驗(yàn)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(yàn)中最關(guān)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(yàn)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(yàn)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(rèn)為飽和度達(dá)80%時即為飽和狀態(tài)。

        2.3 關(guān)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(yàn)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(dá)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(yàn)坑的周邊向外的一定范圍,如果概略的認(rèn)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(shí)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(yàn)注水后的實(shí)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(shí)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(yàn)性的,實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)、合理選擇,才能做到科學(xué)、經(jīng)濟(jì)。對于側(cè)滲量的計算。如果不提前進(jìn)行側(cè)滲范圍實(shí)驗(yàn),就只能憑經(jīng)驗(yàn)取值或忽略不計了,只有在試驗(yàn)完成后才能較為準(zhǔn)確的計算,雖然這時對于試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)規(guī)律,仍不是所有土體配水的標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)依據(jù)不同土體特點(diǎn)、地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn),在前期通過試驗(yàn)最終確定。陜西水利

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