(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

南方紅黏土是濕熱氣候條件下的風(fēng)化產(chǎn)物，在我國(guó)南方分布較多。因其滲透系數(shù)低、抗?jié)B強(qiáng)度較普通黏土高，是填筑土石壩防滲體的較佳天然建材，但高黏粒含量使得其保護(hù)反濾料的加工困難大、成本高、效率低。本文以德厚水庫(kù)黏土心墻堆石壩為例，對(duì)類似南方紅黏土防滲心墻土料的人工配制反濾料配設(shè)進(jìn)行研究，提出高黏粒含量土料反濾料設(shè)計(jì)的一些思考。

1 工程概況

德厚水庫(kù)地處云南省東南部的文山市境內(nèi)，壩址位于國(guó)際河流盤龍河一級(jí)支流德厚河中下游河段，距文山市31km，距昆明市317km。工程由大壩樞紐、防滲及輸水工程三部分組成。大壩樞紐包括黏土心墻堆石壩、開敞式溢洪道、右岸團(tuán)結(jié)大溝輸水隧洞、引水隧洞、導(dǎo)流泄洪隧洞，壩后電站及泵站集中布置于一個(gè)廠房?jī)?nèi)，總庫(kù)容1.13億m3。德厚水庫(kù)是一座以生活、工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水為主要任務(wù)的大(2)型綜合利用水利工程。

防滲工程由壩址區(qū)及咪哩河庫(kù)區(qū)兩部分組成，線路總長(zhǎng)4697m，采用帷幕灌漿防滲。黏土心墻堆石壩最大壩高70.90m，由上游到下游分為上游堆石料區(qū)、上游反濾層、防滲心墻、下游反濾層、下游主堆石區(qū)(下游水平排水區(qū))、下游利用料填筑區(qū)(下游干燥區(qū))6個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖1)。

圖1 德厚水庫(kù)大壩典型斷面

2 壩址基本地形、地質(zhì)條件

壩址位于德厚河與右岸支流咪哩河交匯口下游約600m處的德厚河上，河道呈蛇形彎曲，河床高程約1320.00m，河道一般寬8～15m，河流流向近北東向，比降約7‰。兩岸坡上緩下陡，呈不對(duì)稱“V” 形峽谷，坡度10°～70°，岸坡高度約130m。

河床沖洪積層(Qpal)為碎石土、砂質(zhì)黏土、砂卵礫石夾漂石混雜堆積，厚度0～15m；殘坡積層(Qedl)為棕黃、棕紅色含碎石黏土，結(jié)構(gòu)較為松散，厚1～4m，主要分布在兩岸緩坡及溶蝕洼地。

壩基巖石主要為石炭系上統(tǒng)C3及二疊系下統(tǒng)P1厚層、巨厚層狀灰?guī)r，巖層總體緩傾向下游偏右岸，巖體中發(fā)育有密度較大、發(fā)育深度較大的緩傾角結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面部分連通性好，且具有斷續(xù)夾泥現(xiàn)象，順河及垂直河道的陡傾結(jié)構(gòu)面亦較為發(fā)育。

3 心墻土料情況

料場(chǎng)位于花莊西偏北方向，在文平公路旁，距離主壩區(qū)約8～10km。料場(chǎng)分布高程1450.00～1475.00m，料場(chǎng)長(zhǎng)約320m，寬約220m，地形平緩開闊，料場(chǎng)西高東低，無(wú)沖溝發(fā)育，地形坡度0°～5°，植被以經(jīng)濟(jì)作物為主。料場(chǎng)上部為第四系殘坡積Qedl：?上部為棕紅色黏土；?殘坡積下部為棕黃、灰黃色黏土，含少量鐵錳質(zhì)顆?；蚪Y(jié)核，可塑狀態(tài)。下伏基巖為石炭系中統(tǒng)(C2)的細(xì)晶灰?guī)r。料區(qū)廣為耕地，零星分布有九座民墳。料場(chǎng)剝離層為上部耕植土，含較多植物根系，平均剝離厚度0.50m，料場(chǎng)有用層為棕紅色黏土層，厚度變化較大，最薄2.90m，最厚達(dá)6.50m，平均開采深度4.45m，在地下水位以上開采。

總體評(píng)價(jià)：該料場(chǎng)面積較大，地形起伏較小，有用層厚度較不穩(wěn)定，土層結(jié)構(gòu)單一，屬Ⅱ類料場(chǎng)。對(duì)土料共取原狀樣18組、棕紅色黏土擾動(dòng)樣20組進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)研究。分析試驗(yàn)顯示：料場(chǎng)有用層土料棕紅色黏土中小于0.08mm的顆粒含量普遍大于95%，平均為97%，黏粒含量為45%～62%，平均54%。料場(chǎng)紅土顆粒組成分析見(jiàn)表1。

表1 土料場(chǎng)土料顆粒分析

4 反濾設(shè)計(jì)研究

4.1 反濾層的功能及德厚大壩反濾類型

在分區(qū)土石壩中，反濾料不僅能夠起到心墻料與壩殼料之間的顆粒級(jí)配過(guò)渡及變形協(xié)調(diào)作用，還擔(dān)負(fù)著濾土、排水減壓、保護(hù)心墻的重要任務(wù)。自1922年太沙基提出用反濾層防止土體滲透破壞理論起，壩工界愈加認(rèn)識(shí)到反濾可以對(duì)心墻滲流出逸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，防止心墻土顆粒流失；同時(shí)100倍級(jí)的心墻與反濾的滲透系數(shù)差使得反濾成為心墻滲流出口零勢(shì)面，當(dāng)滲流進(jìn)入反濾后，滲透壓力能夠全部或大幅消失，因此反濾層是防止土體滲透破壞的最有效措施[3]。在滿足“濾土、排水”準(zhǔn)則的前提下，合理配設(shè)反濾料是分區(qū)土石壩壩料設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

德厚大壩黏土心墻下游的反濾層為近垂直型式，滲流方向水平，反濾類型屬于過(guò)渡型，為安全起見(jiàn)，其反濾設(shè)計(jì)按Ⅰ型反濾進(jìn)行。

4.2 Ⅰ反料初擬情況及加工存在的問(wèn)題

經(jīng)地質(zhì)勘察，德厚水庫(kù)工程區(qū)內(nèi)無(wú)天然反濾料源，大壩填筑所需反濾料須人工制備，加工原材料為石料場(chǎng)弱溶蝕風(fēng)化灰?guī)r。新鮮灰?guī)r質(zhì)地致密，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)對(duì)反濾料材料的基本要求。同時(shí)由于灰?guī)r飽和抗壓強(qiáng)度Rb=35～40MPa，屬中硬巖，并且加工不易出現(xiàn)針片狀顆粒，因此灰?guī)r屬于較優(yōu)的反濾料加工母材。

根據(jù)心墻土料顆粒分析成果，取顆分曲線均線為基準(zhǔn)，按照謝拉德法進(jìn)行Ⅰ反配設(shè)，須滿足濾土及排水兩個(gè)準(zhǔn)則。

4.2.1濾土要求

濾土準(zhǔn)則的核心是使被保護(hù)土顆粒不能穿過(guò)反濾料的空隙流失，從而不為滲流所帶走。按照太沙基法則及謝拉德法則，d85為能控制被保護(hù)土滲透破壞的代表性粒徑，反濾層只要控制住被保護(hù)土的細(xì)料(<5mm)部分中15%的大顆粒不流失，整個(gè)土體將是滲透穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生滲透破壞[4]。因此，對(duì)于德厚小于0.075mm的顆粒含量為88.7%～99.1%、普遍大于85%的細(xì)質(zhì)防滲土料，按照SL 274—2001，滿足濾土要求的Ⅰ反料的有效粒徑按其中式(B.0.5-1)確定[1]，即

D15≤9d85

式中D15——反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%，其值小于0.2mm時(shí)，取0.2mm；

d85——心墻料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%，當(dāng)土中含有大于5mm的組粒時(shí)，應(yīng)為小于5mm部分顆粒級(jí)配的d85。

通過(guò)計(jì)算，9d85=0.25mm，初擬D15≤0.2mm。

4.2.2 排水要求

反濾層的排水減壓準(zhǔn)則，目的在于使心墻滲流進(jìn)入反濾后能順暢流走，壓力盡量降低。要達(dá)到這一目標(biāo)，就需要反濾層的滲透系數(shù)明顯大于被保護(hù)土。當(dāng)滲流由一層土進(jìn)入另一層土?xí)r，兩層土中各自承受的水力比降與滲透系數(shù)成反比關(guān)系，滲透系數(shù)的大小取決于土的等效粒徑[4]。根據(jù)試驗(yàn)研究，SL 274—2001推薦了太沙基排水要求作為反濾設(shè)計(jì)排水準(zhǔn)則，即規(guī)范式(B.0.5-4)：

D15≥4d15

式中D15——反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%，其值小于0.1mm時(shí)，取值不應(yīng)小于0.1mm；

d15——心墻料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%，當(dāng)土中含有大于5mm的組粒時(shí)，應(yīng)為全料顆粒級(jí)配的d15。

由表1知，德厚心墻黏土料膠粒含量平均值為45%，可見(jiàn)4d15<0.10mm，因此D15應(yīng)不小于0.10mm。

4.2.3 初擬Ⅰ反料級(jí)配包絡(luò)線及加工存在的問(wèn)題

按照上面論述確定的Ⅰ反料的有效粒徑d15的最大值和最小值，配設(shè)出Ⅰ反料特征粒徑(見(jiàn)表2)。

表2 Ⅰ反濾料級(jí)配包絡(luò)線特征值

可見(jiàn)，同時(shí)滿足規(guī)范中濾土及排水兩個(gè)準(zhǔn)則要求的Ⅰ反料有效粒徑D15可選范圍比較窄，其最大值D15max與最小值D15min之比僅為2?？紤]加工因素，初擬Ⅰ反料包絡(luò)線時(shí)，將D15以上粒徑的范圍適當(dāng)放寬至相同含量的粒徑最大值與最小值之比為3。按照特征表，施工單位進(jìn)行了加工配制，經(jīng)過(guò)大半年的調(diào)試，配制的Ⅰ反料始終不能完全滿足包絡(luò)線及生產(chǎn)要求，主要存在以下問(wèn)題：?顆粒粒徑粗，有效粒徑大于設(shè)計(jì)要求的最大值，多次調(diào)試加工后的D15為0.25～0.35mm；?調(diào)試后與設(shè)計(jì)下包絡(luò)線最接近的Ⅰ反料，干法加工時(shí)小于0.075mm的顆粒含量高于規(guī)范允許值5%，一般達(dá)8～12%，通過(guò)增加水洗工藝后基本滿足小于5%的要求；?顆粒級(jí)配偏寬，不均勻系數(shù)大，一般大于12；?加工效率低，日加工量不足70m3，不能滿足大壩填筑進(jìn)度要求。

4.3 反濾料優(yōu)化研究

4.3.1 試驗(yàn)研究

為解決質(zhì)量與進(jìn)度間的矛盾，按照土料壓實(shí)度為98%、Ⅰ反料相對(duì)密度Dr=0.75對(duì)單獨(dú)心墻土料及4種粒徑級(jí)配Ⅰ反料+心墻土料開展了滲透破壞試驗(yàn)，材料顆粒組成及試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

從表中可知：?壓實(shí)度98%的德厚水庫(kù)心墻紅黏土料自身具有高達(dá)47的破壞比降(見(jiàn)圖2)；?Ⅰ反料D15max適當(dāng)放寬至0.40mm并調(diào)大不均勻系數(shù)(試驗(yàn)Ⅰ反2號(hào))后整體抗?jié)B臨界比降為34[9]，考慮施工條件與試驗(yàn)室內(nèi)條件的差異，按照安全系數(shù)5計(jì)算得到的允許滲透比降為6.80，仍大幅高于心墻下游出逸比降1.28[8]，滿足滲透穩(wěn)定要求并具有較大安全富余。

表3 德厚水庫(kù)滲透破壞試驗(yàn)成果

Ⅰ反2號(hào)顆分曲線見(jiàn)圖2，各組滲透破壞試驗(yàn)lgI～lgV關(guān)系曲線見(jiàn)圖3～圖7。

圖2 滲透破壞試驗(yàn)Ⅰ反2號(hào)顆粒級(jí)配曲線

圖3 德厚水庫(kù)心墻黏土料滲透破壞試驗(yàn)lgi-lgV關(guān)系曲線

圖4 Ⅰ反1號(hào)滲透破壞試驗(yàn)lgi-lgV關(guān)系曲線

圖5 Ⅰ反2號(hào)滲透破壞試驗(yàn)lgi-lgV關(guān)系曲線

4.3.2 Ⅰ反料配設(shè)優(yōu)化

根據(jù)以上滲透破壞試驗(yàn)成果，考慮施工中不均勻系數(shù)大可能造成的顆粒分離的不利因素，同時(shí)，兼顧加工制備的便利，在滿足最小有效粒徑D15min為規(guī)范允許最小值0.10mm的情況下，按照粗細(xì)帶寬比約為3.50進(jìn)行Ⅰ反料包絡(luò)線調(diào)整，調(diào)整后的反濾料包絡(luò)特征值見(jiàn)表4。

圖6 Ⅰ反3號(hào)滲透破壞試驗(yàn)lgi-lgV關(guān)系曲線

圖7 Ⅰ反4號(hào)滲透破壞試驗(yàn)lgi-lgV關(guān)系曲線

表4 調(diào)整后的Ⅰ反料級(jí)配包絡(luò)曲線特征值

4.3.3 優(yōu)化調(diào)整后施工情況

德厚大壩主體于2018年3月下旬開始施工，并于5月底完成一期上下游50及54層反濾料填筑。根據(jù)施工單位自檢及第三方質(zhì)量檢測(cè)，顆粒級(jí)配及滲透系數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，滿足反濾料的功能要求。檢測(cè)主要物理指標(biāo)見(jiàn)表5，檢測(cè)顆粒分布見(jiàn)圖8。

表5 一期反濾料主要物理及顆粒特性指標(biāo)檢測(cè)值

5 結(jié) 語(yǔ)

德厚大壩心墻采用黏粒含量平均為53%的紅黏土進(jìn)行填筑，通過(guò)室內(nèi)滲透破壞試驗(yàn)，紅黏土料自身破壞臨界比降高達(dá)47，遠(yuǎn)大于心墻出逸處的出逸比降1.28；心墻土料小于0.08mm的顆粒含量平均為97%，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的Ⅰ反包絡(luò)線，存在范圍窄、顆粒細(xì)、級(jí)配控制難度大、加工成本高、工效低問(wèn)題；4組不同顆粒級(jí)配的Ⅰ反料對(duì)土料保護(hù)的室內(nèi)滲透破壞試驗(yàn)顯示：當(dāng)Ⅰ反料D15max適當(dāng)放寬至0.40mm并調(diào)大不均勻系數(shù)至12.50時(shí)，考慮5的安全系數(shù)，滲透允許比降為6.80，大于心墻出逸比降1.20。試驗(yàn)說(shuō)明Ⅰ反料具備適當(dāng)調(diào)粗有效顆粒、放寬包絡(luò)線粗細(xì)帶寬比的可能；反濾料包絡(luò)線調(diào)整后，不僅仍能滿足材料功能要求，而且解決了施工中的實(shí)際困難，保證了壩體按計(jì)劃目標(biāo)有序填筑，為類似土料心墻壩工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖8 德厚水庫(kù)大壩一期反濾料檢測(cè)粒徑包絡(luò)線