史 良

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)

1 概述

反濾層被認(rèn)為是土石壩和堤防工程安全的第一道防線,在保證土壩和堤防工程安全運(yùn)行中至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來,反濾層設(shè)計(jì)一直使用太沙基反濾準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則只能計(jì)算出反濾料的 D15,由于通過一個(gè)點(diǎn)可得到無數(shù)條顆粒級(jí)配曲線,早期反濾設(shè)計(jì)要求反濾料級(jí)配曲線應(yīng)與被保護(hù)土料的級(jí)配曲線形狀大致相同,而現(xiàn)在研究與實(shí)踐表明,這一要求并無必要,所以僅計(jì)算出 D15并不能確定反濾料級(jí)配及其上下包線。本文以王圪堵水庫大壩反濾設(shè)計(jì)為例,依據(jù)適用性更廣的謝拉德反濾準(zhǔn)則,從被保護(hù)土料級(jí)配分析、反濾料的特征粒徑和反濾層的分區(qū),以及防分離等方面進(jìn)行探討,初步求出反濾料的級(jí)配包線,并對(duì)工程區(qū)豐富的細(xì)沙、粉細(xì)沙反濾性能進(jìn)行分析。最后通過試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 反濾層的分區(qū)

王圪堵水庫樞紐工程攔河壩為均質(zhì)土壩,最大壩高46.0m,壩長(zhǎng) 950 m,壩頂寬度 8.0 m,大壩上游壩坡坡比1∶3.0,下游壩坡坡比 1∶2.5。壩基河床覆蓋層細(xì)砂厚 8～13 m,左岸岸坡風(fēng)積、沖湖積砂厚 90m左右,屬強(qiáng)透水層,設(shè)計(jì)采用膨潤(rùn)土塑性混凝土防滲墻和帷幕灌漿作為垂直防滲體,防滲墻后設(shè)水平網(wǎng)狀排水體,壩后設(shè)堆石排水棱體。水平網(wǎng)狀排水體由礫石堆筑而成擬設(shè)兩層反濾,第一層為混合砂厚300mm,第二層為細(xì)礫層厚 200mm;排水棱體由塊石堆筑而成擬設(shè)三層反濾第一層為混合砂厚 300 mm,第二層為細(xì)礫層厚 200mm,第三層為土工織物(400 g/m2),土工織物下設(shè)200mm厚細(xì)礫石墊層。大壩上游迎水面為混凝土塊護(hù)坡設(shè)排水孔。

大壩下游排水體反濾為滲水出口,由水庫補(bǔ)給,水源充沛,為關(guān)鍵部位,必須保證反濾質(zhì)量;上游反濾的主要作用是防止水位下降時(shí)壩體土料孔隙中水分向上游排泄時(shí)引起水土流失。但由于向上游排泄的滲透比降一般不大,土料孔隙含水不多,水源有限。上游迎水面反濾工作條件遠(yuǎn)比下游好,為非關(guān)鍵部位,反濾設(shè)計(jì)可適當(dāng)放寬。

3 被保護(hù)土料資料整理

按謝拉德級(jí)配整理方法,本工程筑壩土料為不含粗顆粒的窄級(jí)配料,不需要進(jìn)行級(jí)配整理。

根據(jù)《王圪堵水庫初步設(shè)計(jì)地勘報(bào)告》試驗(yàn)成果及顆粒分析,筑壩土料粒徑級(jí)配曲線見圖 1,曲線特征值見表 1。

表1 被保護(hù)土料曲線特征值

根據(jù)筑壩土料粒徑級(jí)配曲線特征值,按謝拉德提出的分類方法進(jìn)行被保護(hù)土分類,被保護(hù)土小于 200號(hào)篩(0.075 mm)粒徑 ＞85%屬 1類。

4 細(xì)砂、粉細(xì)砂級(jí)配分析

根據(jù)《王圪堵水庫初步設(shè)計(jì)地勘報(bào)告》試驗(yàn)成果及顆粒分析,壩基及左壩肩細(xì)砂、粉細(xì)砂顆粒徑級(jí)配曲線見圖 1,曲線特征值見表2 。

表2 曲線特征值

按謝拉德提出的分類方法進(jìn)行被保護(hù)土分類,被保護(hù)土小于 200號(hào)篩(0.075 mm)粒徑 40% ～85%屬 2類。

5 反濾料級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)被保護(hù)土料級(jí)配特征,按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001所列的謝拉德反濾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行各特征粒徑的計(jì)算。

5.1 按濾土要求確定反濾層允許最大 D 15值

確定反濾層的允許最大 D15值,對(duì) 1類土最大D15≤9d85,(如 9d85小于 0.2 mm,取 0.2 mm)。 最 大 D15＜9d85=9×0.075=0.675 mm。

5.2 按排水要求確定反濾層允許最小 D 15值

對(duì)于 1,2號(hào)料場(chǎng)最小 D15≥4d15=4×0.0 025=0.01mm;對(duì)于 3,4號(hào)料場(chǎng)最小 D15≥4d15=4×0.0 038=0.0152 mm。取最小 D15值為 0.1mm。

5.3 最大 D15值與最小 D15值調(diào)整

上述計(jì)算的最大D15與最小D15的比值 0.675/0.1=6.75＞5,需調(diào)整,使該值不大于 5。

被保護(hù)土顆粒非常細(xì)且反濾處于重要功能區(qū),以最小的D15為控制點(diǎn),將其乘以 5得到最大 D15=0.1×5=0.5 mm。把最大 D15=0.5mm作為控制點(diǎn) 1,最小 D15作為控制點(diǎn) 2。

5.4 D 60值確定

最大 D10=最大D15/1.2=0.417mm

最大 D60=最大 D10×6=0.417×6=2.502mm,此點(diǎn)作為控制點(diǎn) 3

最小 D60=最大D60/5=2.502/5=0.5mm,此點(diǎn)作為控制點(diǎn)4

5.5 最小 D5與最大 D100的確定

確定反濾料的最小 D5與最大 D100,對(duì)所有類別土最小D5為 0.075mm,最大 D100＜75 mm,分別作為控制點(diǎn) 5和 6。

5.6 最小 D10與最大 D 90的確定

最小 D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.083 mm

根據(jù)防分離準(zhǔn)則,由最小 D10=0.083 mm＜0.5確定最大 D90=20mm,此點(diǎn)作為控制點(diǎn) 7。

5.7 反濾料上下包線的確定

將以上控制點(diǎn)繪制于大壩填筑土料顆粒級(jí)配曲線圖上,連接控制點(diǎn) 4、2和 5確定反濾料的上包線,連接控制點(diǎn) 6、7、3和 1,確定反濾料的下包線,將上下包線延至 100%即反濾料級(jí)配初步設(shè)計(jì)成果。反濾料上下包線見圖 1。

6 細(xì)砂,粉細(xì)砂反濾能力分析

將計(jì)算的反濾料上、下包線和細(xì)砂、粉細(xì)砂級(jí)配曲線繪于大壩填筑土料顆粒級(jí)配曲線圖上進(jìn)行分析,見圖 1。

由圖 1可以看出細(xì)砂、粉細(xì)砂顆粒級(jí)配曲線基本重合,位于反濾料上包線上方,不均勻系數(shù) 1.8～1.9＜5,為不良級(jí)配,粒徑 85%小于 0.2mm偏小,不滿足反濾要求。

圖1 填筑土料級(jí)配曲線圖

為節(jié)省投資首先考慮當(dāng)?shù)夭牧系膽?yīng)用,工程區(qū)細(xì)砂儲(chǔ)量豐富,平均滲透系數(shù) 1.77×10-2cm/s,且大部分為沖積砂,其滲透性和耐久性滿足反濾料要求,但經(jīng)上面分析細(xì)砂粒徑偏小,且級(jí)配不良不能直接作為反濾料應(yīng)用?？紤]摻入適量粗砂對(duì)其級(jí)配進(jìn)行改良,經(jīng)反復(fù)試配,當(dāng)摻入 130%粗砂后顆粒級(jí)配曲線位于反濾料上下包線之間,滿足反濾要求。但需摻入粗砂較多,工程區(qū)細(xì)砂、粉細(xì)砂作為關(guān)鍵區(qū)反濾料利用價(jià)值不大。

7 反濾料設(shè)計(jì)

7.1 壩體迎水面反濾設(shè)計(jì)

壩體迎水面為混凝土塊護(hù)坡,并設(shè)置排水孔,反濾層要求以排水為主,局部(排水孔)需滿足濾土要求。壩前迎水面反濾層主要作用為排水和過渡墊層,為反濾非關(guān)鍵部位,在排水孔局部滿足反濾要求時(shí),工程區(qū)細(xì)砂可以作為混凝土護(hù)坡墊層應(yīng)用。

7.2 壩體與水平排水體反濾設(shè)計(jì)

水平排水帶由礫石堆筑而成,礫石最大粒徑 50 mm,d85=40mm,d15=10mm,含泥量小于 5%。礫石和大壩填筑料之間不滿足反濾要求,需設(shè)反濾層。

1)第一層反濾設(shè)計(jì)

第一層反濾被保護(hù)土為大壩填筑料,其反濾料上下包線同圖 1。

2)第二層反濾設(shè)計(jì)

第二層以上述第一層反濾料為被保護(hù)土體,取第一層反濾料 d15=0.40 mm,d85=5 mm。按照濾土和排水準(zhǔn)則,D15/d15=5/0.4=12.5≥5和 D15/d85=10/5≤ 4～ 5,滿足規(guī)范要求?？刹辉O(shè)第二層反濾。

7.3 壩后排水棱體反濾設(shè)計(jì)

a)第一層反濾設(shè)計(jì)

壩后排水棱體第一層反濾料上下包線同圖 1。

b)第二層反濾設(shè)計(jì)

第二層反濾層以上述第一層反濾層為保護(hù)土體,排水棱體為塊石堆筑,設(shè)計(jì) d15=80mm,d85=500mm。取第一層反濾料 d15=0.40mm,d85=5 mm。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明表 8被保護(hù)土小于 200號(hào)篩(0.075 mm)粒徑＜15%,屬 4類。經(jīng)計(jì)算,第二層反濾料上下包線見圖 2。

圖2 第二層反濾料上、下包線圖

8 壩體與左壩肩接觸區(qū)反濾設(shè)計(jì)

由以上分析可以看出左壩肩細(xì)沙不滿足反濾要求,但根據(jù)地勘報(bào)告其破壞類型為流土型,反濾對(duì)其保護(hù)作用不大,故壩體與左壩肩接觸區(qū)不設(shè)反濾層,根據(jù)出逸比降考慮在壩后進(jìn)行壓腳處理。

9 試驗(yàn)驗(yàn)證

水利部西北水利科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)中心對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果：(1)1#反濾料(第一層)承擔(dān)了 95%以上的水頭,土料與 1#反濾料接觸的允許坡降在 11.59～13.24之間。1#反濾料滿足反濾排水準(zhǔn)則,能很好的保護(hù)土料。

(2)2#反濾料(第二層)允許坡降在0.61～7.80之間,2#反濾料細(xì)包線滿足反濾排水準(zhǔn)則,粗包線顆粒偏大,1#反濾料有流入 2#反濾層的現(xiàn)象,保土性略差。建議對(duì) 2#反濾料(第二層)下包線進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后 2#反濾料(第二層)下包線見圖 3。

圖3 調(diào)整后第 2層反濾料下包線圖

10 結(jié)論

(1)反濾料設(shè)計(jì)首先需對(duì)被保護(hù)土料的性質(zhì)進(jìn)行分析,必要時(shí)需要對(duì)級(jí)配進(jìn)行調(diào)整,消除寬級(jí)配內(nèi)部不穩(wěn)定,調(diào)整的方法可以按謝拉德提出的級(jí)配整理方法進(jìn)行。

(2)經(jīng)過對(duì)被保護(hù)土料的級(jí)配進(jìn)行整理后,謝拉德準(zhǔn)則比太沙基準(zhǔn)則適用范圍更廣,對(duì)寬級(jí)配料、窄級(jí)配、粘性土和無粘性土都適用。

(3)反濾設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)反濾料的不同位置進(jìn)行分區(qū),關(guān)鍵區(qū)域嚴(yán)格按反濾準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì),非關(guān)鍵區(qū)域可以適當(dāng)放寬要求,選擇反濾料時(shí)首先應(yīng)考慮當(dāng)?shù)夭牧系膽?yīng)用以節(jié)約投資。

(4)對(duì)于重要工程應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]孫勝利,李治明,王新奇.砂礫石反濾料級(jí)配的實(shí)用設(shè)計(jì)方法,2000.7.

[2]潘家錚.土石壩水利電力出版社,1992.

[3]SL274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]王圪堵水庫樞紐工程反濾料試驗(yàn)研究報(bào)告水利部西北水利科學(xué)研究所試驗(yàn)中心,2010.11.