劉玉璽 張忠輝 李 哲 吳昊潼

喀麥隆曼維萊水電站土石壩心墻反濾設(shè)計(jì)

劉玉璽 張忠輝 李 哲 吳昊潼

反濾料的設(shè)計(jì)在心墻壩的設(shè)計(jì)中占有很重要的位置，是心墻壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，反濾準(zhǔn)則在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。以喀麥隆曼維萊水電站工程為例，采用美國(guó)陸軍工程師團(tuán)的設(shè)計(jì)規(guī)范，敘述了反濾料的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)步驟，為其他工程的反濾設(shè)計(jì)提供參考。

土石壩 心墻 反濾料

1 工程概況

曼維萊水電站工程位于喀麥隆南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)，攔河壩位于恩特姆河上，工程總庫(kù)容為1.3億 m3，電站總裝機(jī)容量為211 MW。首部樞紐主要由攔河壩、主溢洪道、泄洪沖沙閘、輔助溢洪道及渠道進(jìn)水口等建筑物組成。攔河壩為黏土心墻土壩，全長(zhǎng)1 257 m，最大壩高28.3 m。二道壩為黏土心墻壩，最大壩高約24 m。

黏土心墻壩壩頂寬10.0 m，壩頂高程395.0 m，壩殼用基坑開(kāi)挖料或者料場(chǎng)開(kāi)采料填筑，基巖面上的黏土心墻下部設(shè)截滲槽。上游壩坡為1∶2，下游壩坡為1∶1.8。在壩軸線(xiàn)上游側(cè)設(shè)置黏土心墻，心墻頂高程394.0 m，頂部寬度5.0 m，心墻上下游坡比均為1∶0.5，心墻上、下游側(cè)與壩殼料之間均設(shè)置反濾層和過(guò)渡層。在心墻防滲體土料與堆石料之間均設(shè)置反濾層及排水層。

2 反濾料的作用及要求

壩體上、下游壩殼堆石料與防滲料滲透系數(shù)相差較大，為防止在材料分界面發(fā)生滲透破壞，在心墻防滲體與上下游砂礫石層之間設(shè)兩層反濾層。

反濾層的設(shè)計(jì)包括選定顆粒級(jí)配、層數(shù)、厚度，并滿(mǎn)足以下要求：被保護(hù)料不會(huì)流失，并不被細(xì)粒土淤堵；有足夠透水性，使?jié)B流順暢排泄；控制含泥量不超過(guò)5%；當(dāng)黏土心墻產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致集中滲流時(shí)，能防止黏土粒流失。

選取質(zhì)地致密、抗水性和抗風(fēng)化性能滿(mǎn)足工程運(yùn)用條件要求的材料作為反濾料，可利用天然或經(jīng)過(guò)篩選的砂礫石料，也可采用塊石礫石軋制或天然和軋制的摻合料，要求級(jí)配連續(xù)，反濾料的滲透率大于受保護(hù)土壤的滲透率。粒徑小于0.075 mm的顆粒含量應(yīng)不超過(guò)5%。反濾層的填筑標(biāo)準(zhǔn)：相對(duì)密度為0.7。

3 反濾料料場(chǎng)資料

反濾料主要來(lái)自于B1料場(chǎng)，B1料場(chǎng)共采取9組原狀土樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析。從試驗(yàn)結(jié)果看，B1土料場(chǎng)有用層以黏土或粉質(zhì)黏土為主，顆粒級(jí)配不均一，顆粒組成主要是黏粒和小礫石，二者含量的平均值超過(guò)70%，而砂粒和粉粒的含量則很低。

根據(jù)勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)，B1土料場(chǎng)共有9組土樣，每組土樣的顆粒組成累積百分比如表1。

表1 B區(qū)土料顆粒組成累積百分比 %

4 被保護(hù)土(心墻料)的分類(lèi)

這里的被保護(hù)土指的就是填筑心墻的土料，對(duì)于土料中不含有大于5 mm顆粒的情況，可以直接對(duì)被保護(hù)土進(jìn)行分類(lèi)。

B1料場(chǎng)的黏土總共有9組試驗(yàn)樣品，其中8組含有大于5 mm的顆粒，對(duì)含有大于5 mm粒徑的土樣進(jìn)行以下調(diào)整：

(1)用100除以小于5 mm顆粒的百分含量，得到一個(gè)調(diào)整系數(shù)。

(2)將粒徑5 mm以下各粒組的百分?jǐn)?shù)乘以調(diào)整系數(shù)。

(3)繪制調(diào)整后的百分?jǐn)?shù)得到新的級(jí)配曲線(xiàn)。

(4)按照新的曲線(xiàn)，進(jìn)行被保護(hù)土的分類(lèi)。

土料調(diào)整后的土料顆粒組成累積百分比見(jiàn)表2，土樣顆粒平均值曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

表2 調(diào)整后的土料顆粒組成累積百分比 %

圖1 土樣顆粒平均值曲線(xiàn)

根據(jù)粒徑0.075 mm以下含量的百分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)，按照表3對(duì)被保護(hù)土進(jìn)行分類(lèi)。

根據(jù)表2，土料中小于0.075 mm的顆粒含量平均百分比為79%，因此，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，3個(gè)土樣的土料均屬于2類(lèi)土。

表3 被保護(hù)土分類(lèi)表 %

5 反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

5.1 濾土準(zhǔn)則

根據(jù)美國(guó)陸軍工程師團(tuán)規(guī)范EM-1110-2-1901.D-4，為了被保護(hù)土不被流失，根據(jù)被保護(hù)土小于0.075 mm的顆粒含量的百分?jǐn)?shù)不同，采用不同的方法，這就是保護(hù)土的反濾準(zhǔn)則，即濾土準(zhǔn)則，見(jiàn)表4。

表4 反濾準(zhǔn)則(濾土)

根據(jù)表4，曼維萊水電站工程的料場(chǎng)土料屬于2類(lèi)土，因此，可以確定反濾料的D15max≤0.7 mm。如果被保護(hù)土為d15=0.03～0.1 mm的細(xì)粒土，一般取D15max≤0.5 mm。在進(jìn)行心墻反濾設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于心墻下游反濾層以外的反濾料，D15max是可以適當(dāng)調(diào)整的。

5.2 排水準(zhǔn)則

反濾層的作用是濾土排水，因此，反濾料還需要滿(mǎn)足排水準(zhǔn)則：

對(duì)于任何被保護(hù)土，反濾料的D15min都需要滿(mǎn)足：D15min≥4d15。

為保證滲透性，一般情況下，D15min=(3～5)d15max，且不小于0.1 mm。

從B1料場(chǎng)的土樣顆粒曲線(xiàn)看，d15<0.005 mm，因此，反濾料的D15min=(3～5)d15=0.015～0.025 mm，所以D15min≥0.1 mm。

5.3 其他反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配上、下包線(xiàn)帶寬須相對(duì)地窄，以防采用間斷級(jí)配的反濾料，這可以通過(guò)調(diào)整確定的反濾料D15max、D15min來(lái)實(shí)現(xiàn)，以使過(guò)篩率為60%粒料中的任一粒徑最大與最小值的比率不大于5，反濾料的級(jí)配范圍應(yīng)滿(mǎn)足不均勻系數(shù)小于等于6。

6 反濾料級(jí)配曲線(xiàn)的繪制

在完成了對(duì)被保護(hù)土的顆粒分析之后，要進(jìn)行反濾料的級(jí)配曲線(xiàn)的繪制，可以按照以下幾個(gè)步驟，通過(guò)確定的控制點(diǎn)，來(lái)繪制反濾料的級(jí)配曲線(xiàn)。

6.1 確定D15max和D15min

(1)若為保證反濾層的排水功能，應(yīng)以V15max確定反濾料帶的設(shè)計(jì)。以D15max為控制點(diǎn)，D15min=D15max/5，確定D15min，分別作為控制點(diǎn)1，2。

(2)對(duì)于非常細(xì)的被保護(hù)土或反濾處于最重要的功能區(qū)(如心墻)，應(yīng)以D15min確定反濾范圍，D15max=5D15min，確定D15max，分別作為控制點(diǎn)1、2。

(3)在確定D15max和D15min時(shí)，最重要的是確定D15max和D15min的合適粒徑范圍，以便于從人工料場(chǎng)得到標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配或從施工現(xiàn)場(chǎng)附近的天然料場(chǎng)選出設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的級(jí)配。最終確定的D15max和D15min，應(yīng)與料場(chǎng)材料相符，并確保其比率不大于5。

從勘察資料看，B1料場(chǎng)的材料細(xì)粒含量多，反濾層處于黏土心墻和壩殼料之間，是壩體最重要的功能區(qū)，因此按照上述原則(2)確定：

D15min≥0.1 mm，D15max=5D15min=0.5 mm。把D15max和D15min分別作為控制點(diǎn)1和控制點(diǎn)2。

6.2 確定D60max及D60min

設(shè)計(jì)的反濾層級(jí)配不一定具有很寬的粒徑范圍，為了避免出現(xiàn)間斷級(jí)配，應(yīng)調(diào)整反濾層的設(shè)計(jì)粒徑范圍，使反濾層上下包線(xiàn)不均勻系數(shù)η≤6。反濾料帶的寬度還應(yīng)滿(mǎn)足過(guò)篩量60%粒料的任一最大與最小粒徑之比小于等于5。

初始設(shè)計(jì)反濾層的不均勻系數(shù)η值為6，如果需要，最終設(shè)計(jì)時(shí)反濾料級(jí)配曲線(xiàn)可調(diào)整得陡一些，即η值可小于6，只要其濾土性和滲透性滿(mǎn)足要求即可。

為了確定D60max及D60min，先計(jì)算D10max：D10max=D15max/1.2(1.2 的系數(shù)由假定η=6，D15與D10的連線(xiàn)坡度確定的)。

計(jì)算得D10max=0.5/1.2=0.42 mm；

D60max=6D10max，=2.5 mm作為控制點(diǎn)3；

D60min=D60max/5=0.5 mm作為控制點(diǎn)4。

6.3 D5min和D100max的確定

對(duì)于反濾料的顆粒粒徑，應(yīng)該有個(gè)最大粒徑和最小粒徑的限制，對(duì)于所有被保護(hù)土，最小粒徑應(yīng)滿(mǎn)足D5min=0.075 mm，最大粒徑應(yīng)滿(mǎn)足D100max<75 mm，因此，可以把D5min=0.075 mm，D100max=75 mm作為控制點(diǎn)5、控制點(diǎn)6。

6.4 D90max的確定

寬級(jí)配的反濾料在鋪筑中產(chǎn)生分離現(xiàn)象，如果分離嚴(yán)重，反濾料將失去保護(hù)被保護(hù)土的功能。為減小施工中的分離，要防止反濾料分離，控制反濾料的D90max和D10min。用D10min=D15min/1.2=0.1/1.2=0.083 mm，作為初始的D10min，用表5確定D90max=20 mm，作為控制點(diǎn)7。

表5 防止反濾料分離的準(zhǔn)則 mm

注：被保護(hù)土類(lèi)別為所有類(lèi)別的土。

6.5 級(jí)配曲線(xiàn)的繪制

連接控制點(diǎn)5、2、4，確定反濾料的上包線(xiàn)，連接控制點(diǎn)1、3、7、6，確定反濾料的下包線(xiàn)。將上包線(xiàn)延伸到100%，即為所求反濾料的初步級(jí)配曲線(xiàn)。見(jiàn)圖2。

7 排水層的設(shè)計(jì)

排水層不但要保護(hù)反濾層，還要滿(mǎn)足排水要求。排水層位于心墻反濾料的外側(cè)，排水材料可以采用質(zhì)地致密、抗水性和抗風(fēng)化性能好的材料，要求級(jí)配連續(xù)，透水性好，必須有足夠的排水能力。

7.1 被保護(hù)土分類(lèi)

按照被保護(hù)土分類(lèi)原則，反濾料作為被保護(hù)土應(yīng)該屬于4類(lèi)土——砂和砂礫石。

圖2 反濾料級(jí)配上、下包線(xiàn)

7.2 排水準(zhǔn)則

根據(jù)排水準(zhǔn)則(濾土)，一般要求D15max≤5d85min，D15min≥5d15max?？蓮膱D4中查出d85min=1.1 mm，d15max=0.5 mm，故D15max≤5×1.1=5.5 mm，D15min≥5×0.5=2.5 mm。

反濾料為4類(lèi)土，對(duì)于排水層，以排水功能考慮其級(jí)配。則有：

D15max≤5d85min=5.5 mm

D15min≥D15max/5=1.1 mm

以D15max和D15min作為排水層級(jí)配曲線(xiàn)的控制點(diǎn)1、2。

7.3 不均勻系數(shù)的要求

同樣，為了不出現(xiàn)間斷級(jí)配，上下包線(xiàn)的不均勻系數(shù)η≤6。反濾料帶的寬度還應(yīng)滿(mǎn)足過(guò)篩量60%粒料的任一最大與最小粒徑之比小于等于5。

因此：D10max≤D15max/1.2=4.6 mm，D60max≤5D10max=23 mm；

D60min≥D60max/5=4.6 mm；

以D60max、D60min作為反濾料II級(jí)配曲線(xiàn)控制點(diǎn)3、4。

7.4 繪制排水層材料級(jí)配曲線(xiàn)

連接控制點(diǎn)1，3，確定反濾料的下包線(xiàn)，連接控制點(diǎn)2、4，確定反濾料的上包線(xiàn)。將上下包線(xiàn)延伸到100%，即為所求反濾料的初步級(jí)配曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 排水層材料上、下包線(xiàn)

8 結(jié) 語(yǔ)

本文反濾料的級(jí)配設(shè)計(jì)只能從總體上提出最需要的反濾特性，只是按照反濾準(zhǔn)則，結(jié)合被保護(hù)土的情況進(jìn)行的一系列計(jì)算，可以作為最終確定反濾料級(jí)配的依據(jù)，一般還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)反濾試驗(yàn)驗(yàn)證后最終選定反濾料的級(jí)配。反濾料的來(lái)源可以是天然的材料，也可以采用機(jī)械加工的材料。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)被保護(hù)土(黏土心墻)料進(jìn)行顆粒分析，得出反濾料的上下包線(xiàn)，并把反濾料作為被保護(hù)土，得出排水層的上下包線(xiàn)。反濾料的設(shè)計(jì)主要依據(jù)土樣的試驗(yàn)資料得出，現(xiàn)場(chǎng)反濾料的級(jí)配設(shè)計(jì)還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

TV641

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1007-6980(2017)03-0046-04

劉玉璽 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

張忠輝 男 教授級(jí)高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李 哲 男 助理工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

吳昊潼 女 助理工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-06)