(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

均質(zhì)土壩的填筑過(guò)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(kù)為例，對(duì)干旱地區(qū)填筑土料的特性以人工干預(yù)過(guò)程進(jìn)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(kù)位于無(wú)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(jì)壩型為碾壓均質(zhì)土壩，最大壩高46 m，壩長(zhǎng)949 m，總庫(kù)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(duì)高差50～100 m。以無(wú)定河為界，東南部為黃土梁峁、丘陵溝壑地貌，為土料場(chǎng)所在位置，西北部為風(fēng)積沙漠地貌。屬溫帶大陸性半干旱草原季風(fēng)氣候，降雨稀少，蒸發(fā)量大。

2.2 料場(chǎng)分布特征

勘察階段選土料場(chǎng)共4處，分別位于壩址右岸黃土梁區(qū)，1、2號(hào)為主料場(chǎng)，距壩址區(qū)1～1.5 km，備用3、4號(hào)料場(chǎng)距壩址區(qū)2.5～4 km，總儲(chǔ)量1 080.4萬(wàn) m3。料場(chǎng)分布如圖1所示。

圖1 料場(chǎng)分布位置示意圖

2.3 地層巖性

土料場(chǎng)巖性為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q32eol)黃土，灰黃～褐黃色，粉粒為主，質(zhì)地均一，硬塑～半堅(jiān)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(xì)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(fēng)積細(xì)沙。如圖2所示。

圖2 2號(hào)料場(chǎng)剖面示意圖

2.4 水文地質(zhì)特征

料場(chǎng)位于黃土梁峁區(qū)，地形切割破碎，巖層儲(chǔ)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(bǔ)給基巖，形成基巖裂隙水，以下降泉的形式排泄于溝谷，補(bǔ)給無(wú)定河。

3 勘察階段土料的物理力學(xué)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(duì)料場(chǎng)進(jìn)行勘察，布設(shè)探坑37個(gè)、取原狀及擾動(dòng)土樣234組，野外及室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。1#、2#土料場(chǎng)顆分試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(biāo)以1、2號(hào)兩場(chǎng)為例，統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)，滲透系數(shù)1.78×10-5c m/s。

3.2 力學(xué)特征

土料三軸壓縮試驗(yàn)以1、2號(hào)料場(chǎng)為例，固結(jié)不排水剪總應(yīng)力ccu=65.9 kpa，φcu=21°，有效應(yīng)力 ccu＇=15.8 kpa，φcu＇=32°。

3.3 含水率分布特征

通過(guò)對(duì)各料場(chǎng)土料天然含水率進(jìn)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(rèn)為，受當(dāng)?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(chǎng)天然含水率隨深度變化統(tǒng)計(jì)表

圖3 土料ω～h關(guān)系曲線

4 設(shè)計(jì)要求及預(yù)浸水試驗(yàn)

通過(guò)上述對(duì)天然土料質(zhì)量的分析，除含水率偏低外，其他指標(biāo)均可符合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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(jì)需求。

4.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001要求，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)壩體填筑碾壓指標(biāo)為：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。

4.2 預(yù)浸水試驗(yàn)

4.2.1 配水試驗(yàn)原理及試坑布置

為滿足土料的填筑需求，勘察期間對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行預(yù)浸水專題試驗(yàn)研究，在3號(hào)料場(chǎng)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(yàn)是在試內(nèi)保持一定水頭，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的有壓滲入，然后進(jìn)入無(wú)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(cè)試含水率。依據(jù)試驗(yàn)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(gè)試坑估算配水量。配水前，在各試坑外側(cè)打鉆孔一個(gè)，每孔深度7.5 m，測(cè)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(cè)試時(shí)間間隔較長(zhǎng)，故視為正常值。以實(shí)測(cè)值為參考。

試坑注水保持水頭0.5 m，延續(xù)時(shí)間約30 h。由于該區(qū)黃土呈硬塑狀，客觀上也延長(zhǎng)了注水時(shí)間，待滲期3 d。試驗(yàn)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(chǎng)測(cè)試

待滲3天后，第4天開(kāi)始造孔取樣進(jìn)行含水率測(cè)試， 測(cè)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(dòng)樣一組，單坑每天取樣36～72組，每組平行兩試樣進(jìn)行含水量測(cè)試。

4.2.4 配水試驗(yàn)成果分析及評(píng)價(jià)

試驗(yàn)進(jìn)入第27天時(shí)，入滲深度內(nèi)大部分土樣含水量接近13.2%，個(gè)別低于12.2%，按要求可結(jié)束試驗(yàn)，所得各試坑滲水后含水率變化進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)和分析評(píng)價(jià)。試坑1配水后含水率變化統(tǒng)計(jì)表如表2。

表2 試坑1配水后含水率變化統(tǒng)計(jì)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(shí)越長(zhǎng)，含水率則越低，總體呈繼續(xù)下滲趨勢(shì)，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(cè)試時(shí)含水量值最大為20%，下滲效果良好。取樣中未見(jiàn)完全飽和現(xiàn)象，表明料場(chǎng)土層均一性好，無(wú)相對(duì)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(kāi)采。試坑1配水后相同深度處時(shí)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(jìn)入陰影區(qū)(即適用的土料含水率的取值范圍)，第27天時(shí)仍在陰影內(nèi)，即土料有效開(kāi)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(kāi)采初期水的最大滲入深度已達(dá)5.8 m，但該處含水量值僅略大于配水前天然狀態(tài)，遠(yuǎn)低于最優(yōu)值。分析認(rèn)為，合理的滲入深度應(yīng)為5.3 m，開(kāi)采有效厚度內(nèi)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)采深度可達(dá)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(kāi)采時(shí)段，但考慮到開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程中存在含水率的損失，故開(kāi)挖時(shí)間應(yīng)提前2天較為合理。

圖4 配水后相同深度處時(shí)間與含水量關(guān)系曲線圖

綜合分析：試驗(yàn)中，在三個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，注水量為0.94 m3，平均每米需水0.3 m3。經(jīng)對(duì)三個(gè)配水點(diǎn)的綜合分析比較：各試坑配水量不同，達(dá)到可上壩土料的等待時(shí)間基本接近，開(kāi)采時(shí)段長(zhǎng)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(duì)施工不經(jīng)濟(jì)，不宜采用，而試坑1、2的成果可以作為設(shè)計(jì)時(shí)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(xì)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(yán)重，直接影響到土層的垂直入滲，所以試驗(yàn)未達(dá)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(jìn)行，配水量的多少，可根據(jù)立面開(kāi)挖深度調(diào)整給，或分層進(jìn)行。

圖5 配水后期相同時(shí)間內(nèi)深度與含水量關(guān)系曲線

5 實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題

5.1 配水方法

王圪堵水庫(kù)大壩于2010年3月開(kāi)始預(yù)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(wú)定河水，管道泵壓輸送至浸水現(xiàn)場(chǎng)，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(jìn)行開(kāi)挖翻倒。開(kāi)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(yàn)

碾壓試驗(yàn)是將料場(chǎng)制備好的土料運(yùn)至壩址附近進(jìn)行，為滿足設(shè)計(jì)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(jī)具為60T震動(dòng)凸塊碾1檔碾壓(1檔的速度和震動(dòng)頻率相當(dāng)于60 T/cm2，2檔相當(dāng)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(dòng)碾壓8遍后的壓實(shí)度達(dá)到98%～100%，即為最合理的碾壓參數(shù)。為此，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步明確了實(shí)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(jìn)行填筑(見(jiàn)表3)。

5.3 填筑中存在的問(wèn)題

在大壩填筑過(guò)程中，自檢和第三方檢測(cè)都存在壓實(shí)度未滿足設(shè)計(jì)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(shí)度過(guò)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(guò)反復(fù)翻倒、涼曬、灑水、旋耕再碾壓。通過(guò)5層(每層0.35 m)填筑，均存在類似問(wèn)題，檢測(cè)合格率僅為60%如表3。分析認(rèn)為：(1)土料料源配水后大范圍開(kāi)挖運(yùn)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(chǎng)翻到均勻性較差；(2)浸水過(guò)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(kāi)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(kāi)采的需求；(3)運(yùn)距較大，自2號(hào)料場(chǎng)繞包茂高速至左壩段約2.0 km，由于當(dāng)?shù)貧夂蚋稍?，蒸發(fā)量大，松散的土料在運(yùn)輸途中失水；(4)碾壓機(jī)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(jì)表

6 方案調(diào)整措施

鑒于填筑碾壓存在上述問(wèn)題，2010年9月業(yè)主會(huì)同勘察設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位對(duì)料源、開(kāi)采方法、配水及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程進(jìn)行分析達(dá)成共識(shí)，“應(yīng)改善碾壓機(jī)具的組合參數(shù)，增加碾壓遍數(shù)，土料制備采用二次倒運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)制備，注意砂土的剝離等事項(xiàng)形成紀(jì)要予以實(shí)施?！狈椒楝F(xiàn)場(chǎng)預(yù)浸水，再運(yùn)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(guò)多次反復(fù)碾壓試驗(yàn)，通過(guò)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(dá)1.78～1.81 g/cm3,壓實(shí)度達(dá)99%以上，合格率達(dá)到98%以上，返工率大大減小。

7 結(jié)語(yǔ)

填筑土料根據(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)要求外，土料含水率、密度和壓實(shí)度，碾壓機(jī)具的組合等指標(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，使其滿足使用需求。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)施與控制中，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)行深入分析研究，以尋求最科學(xué)、最經(jīng)濟(jì)、且行之有效施工方法。