盧志男，王興云

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

國外某水庫正常蓄水庫容為2.57億m3，調(diào)節(jié)庫容為2.53億m3，為大(2)型水庫。本項(xiàng)目的主要建筑物包括左岸土壩、泄洪閘、砼非溢流壩段、右岸土壩、副壩等。

左右岸土壩為均質(zhì)土壩，最大壩高14m，壩體填筑土料為含砂粉質(zhì)黏土，通過對(duì)土料進(jìn)行顆粒分析，小于0.075mm顆粒含量約占70%，采用中粗砂作為保護(hù)黏性土的第一層反濾料，土壩典型設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 土壩典型斷面圖(水位單位：m；尺寸單位：cm)

本工程所需中粗砂約4.1萬m3，由于工程區(qū)附近缺少天然砂礫料，保護(hù)黏性土的第一層反濾料只能由制砂系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。項(xiàng)目部將生產(chǎn)碎石的篩余石屑料和機(jī)制砂作為反濾料的備選料，為合理利用材料，優(yōu)先選用石屑料。石屑料及機(jī)制砂的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 石屑料及機(jī)制砂顆粒級(jí)配曲線

2 保護(hù)黏性土的第一層反濾層的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[1]采用了美國墾務(wù)局的反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[2]，認(rèn)為反濾料級(jí)配應(yīng)均勻連續(xù)，而美國墾務(wù)局的反濾準(zhǔn)則是在Sherard等[3-4]的反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，對(duì)以往試驗(yàn)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。Sherard等[3-4]及劉杰等[5-6]通過試驗(yàn)研究證實(shí)，采用了“開裂-自愈”的理念對(duì)防滲料進(jìn)行假設(shè)：防滲料產(chǎn)生裂縫后，通過反濾層的保護(hù)，裂縫會(huì)淤填并通過滲透固結(jié)而愈合，或重新閉合。解決了土體結(jié)構(gòu)破壞條件的難題，允許用滲流通道的直徑及通道中流動(dòng)顆粒直徑的概念來設(shè)計(jì)反濾料的級(jí)配。根據(jù)本工程地質(zhì)勘探成果，壩體填筑土料以含砂粉質(zhì)黏土為主，小于0.075mm顆粒含量約70%。根據(jù)規(guī)范[1]要求，保護(hù)黏性土的第一層反濾層設(shè)計(jì)要求及準(zhǔn)則如下：

(1)濾土要求

對(duì)于小于0.075mm顆粒含量為40%～85%的土，其反濾層可按式(1)確定：

D15≤0.7mm

(1)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。

(2)排水要求

對(duì)于黏性土，排水要求按式(2)確定：

D15≥4d15

(2)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d15—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。當(dāng)4d15<0.1mm時(shí)，應(yīng)取D15不小于0.1mm。

(3)最大最小粒徑準(zhǔn)則，按式(3)確定：

D100<75mm，D5≥0.075mm

(3)

式中，D100—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的100%；D5—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的5%。

(4)防止分離準(zhǔn)則

對(duì)于所有類別被保護(hù)土，防止分離準(zhǔn)則見表1。

表1 防止分離準(zhǔn)則 單位：mm

(5)其他準(zhǔn)則

反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配須相對(duì)窄，以防采用間斷級(jí)配的反濾料，標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 其他反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3 第一層反濾料優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

由圖2可知：石屑料的D10=0.56mm，D15=0.9mm，D60=3.8mm，其中，D15=0.9mm>0.7mm，不滿足第一層反濾料的濾土要求，總體粒徑較大；機(jī)制砂的D10=0.075mm，D15=0.13mm，D60=1.4mm，由D10=0.075mm可推出D5<0.075，不滿足第一層反濾料的最小粒徑準(zhǔn)則，細(xì)粒含量偏多。因此，石屑料及機(jī)制砂均不能直接作為第一層反濾料使用。

為最大程度的利用石屑料，針對(duì)石屑料總體粒徑較大的特性，反濾料最大D15取0.7mm，根據(jù)規(guī)范[1]中的反濾設(shè)計(jì)方法，依次可推出最小D15取0.14mm，最大D60取3.5，最小D60取0.7，最小D5取0.097，最大D100取30，最大D90取15。第一層反濾料顆粒級(jí)配包絡(luò)線如圖3所示。

圖3 第一層反濾料顆粒級(jí)配包絡(luò)線

為了解決石屑料及機(jī)制砂均不能直接作為第一層反濾料的問題，在石屑料中分別摻入不同比例的機(jī)制砂進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，石屑料及機(jī)制砂的摻和比例分別為10∶1、10∶2、10∶3。不同比例摻合料的顆粒級(jí)配曲線與包絡(luò)線如圖4—圖6所示。

圖4 摻合料(石屑料+10%機(jī)制砂)顆粒級(jí)配曲線

圖5 摻合料(石屑料+20%機(jī)制砂)顆粒級(jí)配曲線

圖6 摻合料(石屑料+30%機(jī)制砂)顆粒級(jí)配曲線

不同比例摻合料的主要特征參數(shù)見表3。

表3 不同比例摻合料主要特征參數(shù)

由以上分析結(jié)果可知，當(dāng)石屑料及機(jī)制砂的摻和比例為10∶1或10∶2時(shí)，混合后的砂礫摻合料顆粒級(jí)配較好，能滿足濾土要求、排水要求、最大最小粒徑準(zhǔn)則、防止分離準(zhǔn)則及其他準(zhǔn)則，為最大程度利用篩余石屑料，建議石屑料及機(jī)制砂的摻和比例為10∶1。

4 結(jié)論

文章結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)材料實(shí)際情況，為最大程度利用生產(chǎn)碎石的篩余石屑料，做到廢料再利用，將適當(dāng)比例的機(jī)制砂摻入石屑料中后，摻合料可滿足第一層反濾料的設(shè)計(jì)要求，為當(dāng)?shù)靥烊环礊V材料缺乏的土石壩設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。