水库大坝筑坝土料的人工配水试验初探

成小勇

（陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院 陕西 咸阳 712000）

西北黄土地区气候一般较为干旱，好多地方土层的天然含水率远低于最优含水率。土层、土料含水率过低则不易碾压密实，为了解决水利水电工程筑坝用黄土土料含水率偏低的问题，可对其进行人工配(浸)水，提高其含水率。土料配水试验就是探索切合实际、经济的人工浸水的方法、方案，以及水分渗入深度和用水量问题，找出浸水后土料的待渗期、最佳开采时段，为设计及后期施工提供土料配水的基础资料和较为实际的理论依据。

土料配水试验技术受地质土体条件影响，尚无统一标准可遵循。笔者根据亲历的南沟门水库及亭口水库两个工程的土料配水试验，主要以亭口水库的畦灌法为例，浅谈有关配水试验过程及对试验的看法。

1 工程实例

1.1 地质概况

亭口水库工程位于陕西长武县，属渭北黄土高原沟壑区，多年平均降雨量596.2mm，蒸发量为1016.7mm。大坝设计为均质土坝，需用筑坝土料317.8万m3。设计选用的土料天然含水率平均值仅为13.3%～14.4%，小于土料的最优含水率（16.2%～16.6%）和塑限（18.3%～18.8%），不满足规范标准和设计要求。

1.2 工艺设计

土料配水试验费时费力，不可逆转，一旦试验开始，其结果不是人力可以改变的，因此，试验前需要对试验全过程作一个较为详细的工艺设计，与施工组织设计同理。

亭口水库结合地形布置了4个试验坑，拟按不同的注水量进行注水。试验坑间距为15m，开口面积采用了5m×5m。大型挖掘机的立面开挖高度一般为4m，因此，渗水深度按4m～5m设计。注水量是按土壤孔隙率计算出饱和含水率，再以此为基础减去天然含水率求得，后分四个量级进行注水，四个量级分别为饱和含水率所求水量的100%、90%、80%、70%。求得各试验坑注水量：S1 为 30.05m3；S2 为 27.05m3；S3 为 24.04m3；S4 为 21.04m3。

表1 各试验坑成果汇总表

表2 各试验坑地层统计表

表3 试验方法和注水量

待渗期以计划注水量全部注入试坑开始，通过水分下渗、蒸发后使土料含水率达到最优或可开采上坝的过程。亭口水库土料的最优含水率为16.2%～16.6%，塑限为18.3%～18.6%。根据以往经验，开挖拉运过程中水分损失按2%～3%考虑，因此认为在开挖深度内土层含水率达到21%时，土料可以开采上坝，即待渗期结束而可开采期开始。考虑开采、拉运过程中水分损失的因素，认为含水率降至19%时，土料处于可用或不可用的临界状态，可开采期结束，达到了试验目的，可结束试验。

1.3 试验实施

做好工艺设计后，试验按设计的工序进行：试坑开挖、d然含水率测定→计算注水量→注水→待渗、检查孔取样→综合分析评价→结束试验。

按计划注水量注水后，各试验坑进入待渗期，开始造孔取样测试含水率变化，取样间隔时间一般为7d～10d。取样孔从坑中心以圆环状向外辐射，每0.5m深度取土样一组，每次取样深度至水分下渗的干湿分界以下1m（渗界以下保证2组土样）。

1.4 分析评价

不同试坑注水后坑底土体含水率变化如图1。

从曲线图可以看出，在注水完成后45d～50d时，4个试验坑4m内土料含水率平均值已降至21%，也就是原设计所确定的待渗期结束的含水率，而进入可开采期。分别在第 84d～99d 时，S1、S2、S4试验坑含水率降至19%，已到设计开采含水率下限。S3试验坑在第105天时含水率为19.3%，也就是说可开采期>58天，代表性不强。参考各试验坑成果汇总表1及地层统计表2。成果表明，各试坑在注水后50天均进入可开采期，而结束时控制在85d～90d为宜。

2 对土料配水试验的认识

通过实际试验工作，笔者现就试验中的几个主要问题谈谈自己的看法。

2.1 试验方法及注水量计算方式

配水试验方法分畦灌法和沟灌法两种。畦灌法的设计理念是分块分片整平料场后进行筑畦，对其进行大面积灌水，使水分下渗达到目的；沟灌法是在料场按一定间距挖成沟槽进行灌水，通过沟槽内水的侧向渗透和垂直下渗达到目的。表2是南沟门水库和亭口水库使用的试验方法和注水量计算方式。从表3可以看出畦灌法优于沟灌法，而按饱和含水率分级动态计算注水量的方法相对精确。

2.2 注水量计算公式的分析采用

注水量计算是试验中最关键的问题，按饱和含水率计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——试验面积，m2；

h——计划入渗深度，m；

n——天然孔隙率，%；

ω——天然含水量，m3；

x——饱和含水率的级数，100%为1，90%为 0.9……。

cs——侧渗量，m3，cs=L·Sl

L——试验坑四边总长，m；

sl——每米侧渗量。

另外，上式中的孔隙率乘以0.8是认为饱和度达80%时即为饱和状态。

2.3 关于侧渗量

根据黄土特性，黄土垂直下渗和侧向渗透相差悬殊，南沟门试验中垂直下渗为7.5m时，侧渗仅1.5m左右；亭口水库沟灌法垂直下渗不超过3m，侧向渗透没有超过1.5m，畦灌法下渗深度达4.9m时，而侧向渗透还是没有超过1.5m。侧渗只产生在试验坑的周边向外的一定范围，如果概略的认为是一个定数的话，则每米范围内侧渗量的估算公式为：

式中，sl——每米侧渗量，m3；

ωz——侧渗含水率实测值，%；

ω——天然含水率，%；

ρd——天然干密度；

l——侧渗宽度，m；

h——计算深度，m。

根据亭口试验注水后的实际情况，侧渗范围大致为1.3m，按上式计算出每米长度内侧渗损失的水分约为0.23m3，总侧渗量约为4.72m3。而实际施工中，随着注水面积增加，侧渗的入渗比会逐渐缩小。

2.4 注水量分级和侧渗量计算的必要性

不管计算公式怎么精确，总是试验性的，实际中并没有两个条件完全相同的工程。因此，注水量只有在掌握了大的范围，再按不同的注水量分级进行试验、合理选择，才能做到科学、经济。对于侧渗量的计算。如果不提前进行侧渗范围实验，就只能凭经验取值或忽略不计了，只有在试验完成后才能较为准确的计算，虽然这时对于试验来说已意义不大，但在后期施工大面积注水时是必须考虑的一个因素。

3 结语

总的来说，土料配水试验受到不同地质结构体的特性影响，差异比较大，渗透性、土料粘粒含量、土料亲水性、颗粒级配等等，在整个配水过程均会对其最终成果有影响。因而，总结配水试验规律，仍不是所有土体配水的标准，还应依据不同土体特点、地质环境特点，在前期通过试验最终确定。陕西水利