砂砾石反滤料级配设计研究

史 良

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

1 概述

反滤层被认为是土石坝和堤防工程安全的第一道防线,在保证土坝和堤防工程安全运行中至关重要。长期以来,反滤层设计一直使用太沙基反滤准则,该准则只能计算出反滤料的 D15,由于通过一个点可得到无数条颗粒级配曲线,早期反滤设计要求反滤料级配曲线应与被保护土料的级配曲线形状大致相同,而现在研究与实践表明,这一要求并无必要,所以仅计算出 D15并不能确定反滤料级配及其上下包线。本文以王圪堵水库大坝反滤设计为例,依据适用性更广的谢拉德反滤准则,从被保护土料级配分析、反滤料的特征粒径和反滤层的分区,以及防分离等方面进行探讨,初步求出反滤料的级配包线,并对工程区丰富的细沙、粉细沙反滤性能进行分析。最后通过试验对计算结果进行验证。

2 反滤层的分区

王圪堵水库枢纽工程拦河坝为均质土坝,最大坝高46.0m,坝长 950 m,坝顶宽度 8.0 m,大坝上游坝坡坡比1∶3.0,下游坝坡坡比 1∶2.5。坝基河床覆盖层细砂厚 8～13 m,左岸岸坡风积、冲湖积砂厚 90m左右,属强透水层,设计采用膨润土塑性混凝土防渗墙和帷幕灌浆作为垂直防渗体,防渗墙后设水平网状排水体,坝后设堆石排水棱体。水平网状排水体由砾石堆筑而成拟设两层反滤,第一层为混合砂厚300mm,第二层为细砾层厚 200mm;排水棱体由块石堆筑而成拟设三层反滤第一层为混合砂厚 300 mm,第二层为细砾层厚 200mm,第三层为土工织物(400 g/m2),土工织物下设200mm厚细砾石垫层。大坝上游迎水面为混凝土块护坡设排水孔。

大坝下游排水体反滤为渗水出口,由水库补给,水源充沛,为关键部位,必须保证反滤质量;上游反滤的主要作用是防止水位下降时坝体土料孔隙中水分向上游排泄时引起水土流失。但由于向上游排泄的渗透比降一般不大,土料孔隙含水不多,水源有限。上游迎水面反滤工作条件远比下游好,为非关键部位,反滤设计可适当放宽。

3 被保护土料资料整理

按谢拉德级配整理方法,本工程筑坝土料为不含粗颗粒的窄级配料,不需要进行级配整理。

根据《王圪堵水库初步设计地勘报告》试验成果及颗粒分析,筑坝土料粒径级配曲线见图 1,曲线特征值见表 1。

表1 被保护土料曲线特征值

根据筑坝土料粒径级配曲线特征值,按谢拉德提出的分类方法进行被保护土分类,被保护土小于 200号筛(0.075 mm)粒径 ＞85%属 1类。

4 细砂、粉细砂级配分析

根据《王圪堵水库初步设计地勘报告》试验成果及颗粒分析,坝基及左坝肩细砂、粉细砂颗粒径级配曲线见图 1,曲线特征值见表2 。

表2 曲线特征值

按谢拉德提出的分类方法进行被保护土分类,被保护土小于 200号筛(0.075 mm)粒径 40% ～85%属 2类。

5 反滤料级配设计

根据被保护土料级配特征,按《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001所列的谢拉德反滤设计方法进行各特征粒径的计算。

5.1 按滤土要求确定反滤层允许最大 D 15值

确定反滤层的允许最大 D15值,对 1类土最大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 按排水要求确定反滤层允许最小 D 15值

对于 1,2号料场最小 D15≥4d15=4×0.0 025=0.01mm;对于 3,4号料场最小 D15≥4d15=4×0.0 038=0.0152 mm。取最小 D15值为 0.1mm。

5.3 最大 D15值与最小 D15值调整

上述计算的最大D15与最小D15的比值 0.675/0.1=6.75＞5,需调整,使该值不大于 5。

被保护土颗粒非常细且反滤处于重要功能区,以最小的D15为控制点,将其乘以 5得到最大 D15=0.1×5=0.5 mm。把最大 D15=0.5mm作为控制点 1,最小 D15作为控制点 2。

5.4 D 60值确定

最大 D10=最大D15/1.2=0.417mm

最大 D60=最大 D10×6=0.417×6=2.502mm,此点作为控制点 3

最小 D60=最大D60/5=2.502/5=0.5mm,此点作为控制点4

5.5 最小 D5与最大 D100的确定

确定反滤料的最小 D5与最大 D100,对所有类别土最小D5为 0.075mm,最大 D100＜75 mm,分别作为控制点 5和 6。

5.6 最小 D10与最大 D 90的确定

最小 D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.083 mm

根据防分离准则,由最小 D10=0.083 mm＜0.5确定最大 D90=20mm,此点作为控制点 7。

5.7 反滤料上下包线的确定

将以上控制点绘制于大坝填筑土料颗粒级配曲线图上,连接控制点 4、2和 5确定反滤料的上包线,连接控制点 6、7、3和 1,确定反滤料的下包线,将上下包线延至 100%即反滤料级配初步设计成果。反滤料上下包线见图 1。

6 细砂,粉细砂反滤能力分析

将计算的反滤料上、下包线和细砂、粉细砂级配曲线绘于大坝填筑土料颗粒级配曲线图上进行分析,见图 1。

由图 1可以看出细砂、粉细砂颗粒级配曲线基本重合,位于反滤料上包线上方,不均匀系数 1.8～1.9＜5,为不良级配,粒径 85%小于 0.2mm偏小,不满足反滤要求。

图1 填筑土料级配曲线图

为节省投资首先考虑当地材料的应用,工程区细砂储量丰富,平均渗透系数 1.77×10-2cm/s,且大部分为冲积砂,其渗透性和耐久性满足反滤料要求,但经上面分析细砂粒径偏小,且级配不良不能直接作为反滤料应用。考虑掺入适量粗砂对其级配进行改良,经反复试配,当掺入 130%粗砂后颗粒级配曲线位于反滤料上下包线之间,满足反滤要求。但需掺入粗砂较多,工程区细砂、粉细砂作为关键区反滤料利用价值不大。

7 反滤料设计

7.1 坝体迎水面反滤设计

坝体迎水面为混凝土块护坡,并设置排水孔,反滤层要求以排水为主,局部(排水孔)需满足滤土要求。坝前迎水面反滤层主要作用为排水和过渡垫层,为反滤非关键部位,在排水孔局部满足反滤要求时,工程区细砂可以作为混凝土护坡垫层应用。

7.2 坝体与水平排水体反滤设计

水平排水带由砾石堆筑而成,砾石最大粒径 50 mm,d85=40mm,d15=10mm,含泥量小于 5%。砾石和大坝填筑料之间不满足反滤要求,需设反滤层。

1)第一层反滤设计

第一层反滤被保护土为大坝填筑料,其反滤料上下包线同图 1。

2)第二层反滤设计

第二层以上述第一层反滤料为被保护土体,取第一层反滤料 d15=0.40 mm,d85=5 mm。按照滤土和排水准则,D15/d15=5/0.4=12.5≥5和 D15/d85=10/5≤ 4～ 5,满足规范要求。可不设第二层反滤。

7.3 坝后排水棱体反滤设计

a)第一层反滤设计

坝后排水棱体第一层反滤料上下包线同图 1。

b)第二层反滤设计

第二层反滤层以上述第一层反滤层为保护土体,排水棱体为块石堆筑,设计 d15=80mm,d85=500mm。取第一层反滤料 d15=0.40mm,d85=5 mm。根据《碾压式土石坝设计规范》条文说明表 8被保护土小于 200号筛(0.075 mm)粒径＜15%,属 4类。经计算,第二层反滤料上下包线见图 2。

图2 第二层反滤料上、下包线图

8 坝体与左坝肩接触区反滤设计

由以上分析可以看出左坝肩细沙不满足反滤要求,但根据地勘报告其破坏类型为流土型,反滤对其保护作用不大,故坝体与左坝肩接触区不设反滤层,根据出逸比降考虑在坝后进行压脚处理。

9 试验验证

水利部西北水利科学研究所实验中心对计算结果进行了试验验证,试验结果：(1)1#反滤料(第一层)承担了 95%以上的水头,土料与 1#反滤料接触的允许坡降在 11.59～13.24之间。1#反滤料满足反滤排水准则,能很好的保护土料。

(2)2#反滤料(第二层)允许坡降在0.61～7.80之间,2#反滤料细包线满足反滤排水准则,粗包线颗粒偏大,1#反滤料有流入 2#反滤层的现象,保土性略差。建议对 2#反滤料(第二层)下包线进行调整。调整后 2#反滤料(第二层)下包线见图 3。

图3 调整后第 2层反滤料下包线图

10 结论

(1)反滤料设计首先需对被保护土料的性质进行分析,必要时需要对级配进行调整,消除宽级配内部不稳定,调整的方法可以按谢拉德提出的级配整理方法进行。

(2)经过对被保护土料的级配进行整理后,谢拉德准则比太沙基准则适用范围更广,对宽级配料、窄级配、粘性土和无粘性土都适用。

(3)反滤设计应根据反滤料的不同位置进行分区,关键区域严格按反滤准则进行设计,非关键区域可以适当放宽要求,选择反滤料时首先应考虑当地材料的应用以节约投资。

(4)对于重要工程应对计算结果进行试验验证。

[1]孙胜利,李治明,王新奇.砂砾石反滤料级配的实用设计方法,2000.7.

[2]潘家铮.土石坝水利电力出版社,1992.

[3]SL274-2001.碾压式土石坝设计规范.

[4]王圪堵水库枢纽工程反滤料试验研究报告水利部西北水利科学研究所试验中心,2010.11.