白杨河水库大坝反滤料设计及优化

(新疆水利水电勘测设计研究院， 乌鲁木齐 830000)

白杨河水库大坝反滤料设计及优化

张康

(新疆水利水电勘测设计研究院， 乌鲁木齐 830000)

黏土心墙的设计，需做好坝体各分区的土料设计，而其中反滤料的设计直接关系到坝体的安全。白杨河水库大坝反滤料从技施阶段的设计到现场的实施，根据现场的实际情况进行了优化，并通过试验和验算相结合的方式得到了验证。本文就白杨河水库大坝的反滤料设计及优化进行了分析总结，以供类似工程借鉴。

反滤料； 含泥量； 级配； 设计优化； 验算

1 大坝反滤料设计

1.1 坝体分区及料场选择

白杨河水库工程最大坝高78m，坝址区有储量丰富、运距较近、质量满足筑坝要求的砂砾石料。根据坝址区地形地质条件，坝体填筑分区从上游至下游分为：上游砂砾料区、上游反滤料区、黏土心墙区、下游反滤料区、下游过渡料区、下游砂砾料区。该工程调查了C1、C2、C3、C4四个砂砾料场，各砂砾料场砂砾料的质量均满足坝壳料的技术要求；作为反滤料，各料场均存在含泥量偏大的情况。经过比选：黏土心墙采用T1料场土料；反滤料、过渡料由C3料筛分；坝壳料采用C3料场全料。

1.2 料场基本情况

C3料场颗分试验11组试样分组含量相差不大，颗分曲线形状较为接近，性质均匀，但含泥量超标过大。其中不大于40mm颗粒筛余量平均为60.72%，含泥量平均为9.68%；不大于20mm颗粒筛余量平均为46.91%，含泥量平均为12.58%；不大于5mm颗粒筛余量平均为28.73%，含泥量平均为19.82%。

1.3 反滤料设计

对C3反滤料场D≤40mm的9组颗粒进行试验，分析结果见下页表1。由反滤料的质量指标分析， C3反滤料场D≤40mm的颗粒不均匀系数为68.6，含泥量及针片状颗粒含量超标，其余指标满足反滤料的质量技术要求。

表1 C3反滤料场D≤40mm颗粒分析

对C3反滤料场D≤20mm的9组颗粒进行试验，分析结果见表2。由反滤料的质量指标分析，C3反滤料场D≤20mm的不均匀系数为49.1，含泥量及针片状颗粒含量超标，其余指标满足反滤料的质量技术要求。

表2 C3反滤料场D≤20mm颗粒分析

C3料场除去表面无用层后，含泥量大幅度降低，可以通过掺配的方法来加工反滤料。经掺加50%水洗砂后，C3料场Dmax≤40mm的反滤料和Dmax≤20mm的反滤料的特征粒径见表3：

表3 反滤料部分特征粒径

心墙土料与经掺配后的反滤料的关系验算见表4：

表4 心墙土料与反滤料的关系验算

从以上反滤关系验算结果可知， C3料场D≤40mm、D≤20mm的砂砾料掺加50%水洗砂后，均满足反滤、排水准则。其中D≤20mm的反滤料位于谢拉德设计反滤料级配包线内。C3料场D≤40mm、D≤20mm的砂砾料掺加50%水洗砂级配范围较窄，说明由C3料场加工的反滤料较为均匀。

选择C3料场D≤20mm的砂砾料加50%水洗砂作为下游第一层反滤料。从该次设计反滤料颗分试验级配曲线可以看出：C3料场D≤40mm的砂砾料加50%水洗砂D90max=27mm>20mm，说明上游反滤料施工中容易产生分离情况。考虑到该工程库容小，上游水位变幅为38.28m，上游只设一层反滤料，故上游反滤料也采用C3料场D≤20mm的砂砾料加50%水洗砂制备。

试验资料表明，裂缝土的抗渗强度与反滤料的粒径有密切的关系。随着反滤层等效粒径的增大，抗渗比降显著减小。当等效粒径D20≤0.5mm时，裂缝土不会发生渗透破坏。C3料场D≤20mm的砂砾料加50%水洗砂制备的反滤料等效粒径D20max=0.36mm，满足要求。该工程坝壳料主料场C3料场颗粒偏细，第一层反滤料与坝壳料之间的层间关系满足反滤要求，不需要设置第二层反滤层，过渡层只起过渡作用。经过对坝址区各料场颗分试验结果的比选分析，选择C3料场D≤80mm砂砾料作为过渡料。

2 大坝反滤料设计优化

2.1 技施阶段反滤料设计优化

2012年3月大坝填筑前，料场加工了6万m3、D≤20mm的筛分砂砾料，实测含泥量平均值为10.3%。水洗砂也有一定的含泥量，掺配后仍不能满足规范要求。为保证黏土心墙坝下游侧反滤料质量，减少施工工序，将C3料场D≤20mm的筛分砂砾料不掺水洗砂用于上游反滤，下游反滤料采用水洗砂。考虑到水洗砂粒径较细，为避免施工时产生分离造成反滤料流失，将下游过渡料改为C3料场D≤40mm的砂砾料。

2.2 现场施工期反滤料的复核

为保证工程安全，由试验单位对大坝实际采用的黏土心墙料、上下游反滤料、过渡料进行颗分试验，对实际筑坝材料是否满足反滤关系进行复核。

2.2.1 颗粒分析试验成果

分别对大坝心墙土料(T1土料场)、上游反滤料(C3料场≤20mm)、下游反滤料(水洗砂)、过渡料(C3料场≤40mm)由现场料堆取样进行颗粒分析试验，成果如图1～图4所示。

图1 白杨河水库T1土料场颗粒分析曲线

图2 白杨河水库上游反滤料颗分曲线

图3 白杨河水库下游反滤料水洗砂颗分曲线

图4 白杨河水库过渡料颗分曲线

2.2.2 反滤料与黏土心墙反滤关系验算

反滤料要求保护心墙黏性土，心墙采用T1料场土料。按《碾压式土石坝设计规范》要求，反滤料控制粒径及级配要求如下：

a.滤土要求。即保证心墙土料不穿越第一层反滤料而流失。对于小于0.075mm，颗粒含量大于85%的土，其反滤层可按下式确定：

D15≤ 9d85

当9d85<0.2mm时，取D15等于0.2mm。

b.排水要求。即保证第一层反滤料不被淤塞，还应满足下式要求：

D15≥4d15max

土料各特征粒径及不均匀系数见表5，上下游反滤料全料部分特征粒径见表6。

表5 土料各特征粒径及不均匀系数

表6 上、下游反滤料全料部分特征粒径

上游反滤料下包线与心墙土料上包线关系验算：D15/d85=0.24/0.055=4.36≤ 9，满足反滤关系。

上游反滤料上包线与心墙土料下包线关系验算：D15/d15=0.08/0.012=6.7≥4，满足排水关系。

下游反滤料下包线与心墙土料上包线关系验算：D15/d85=0.42/0.055=7.63≤ 9，满足反滤关系。

下游反滤料上包线与心墙土料下包线关系验算：D15/d15=0.25/0.012=20.8≥4，满足排水关系。

经验算，上下游反滤料与心墙之间满足滤土与排水要求。

2.2.3 反滤料与过渡料反滤关系验算

过渡料特征粒径情况见表7。

表7 过渡料特征粒径

下游过渡料下包线与下游反滤料上包线关系验算：D15/d85=0.27/6.9=0.04≤ 4，满足反滤关系。

下游过渡料上包线与反滤料下包线关系验算：D15/d15=0.27/0.42=0.64≤ 4，不满足排水关系。

2.2.4 结论

上游反滤料存在含泥量超标问题，经验算，上游反滤料与黏土心墙料满足反滤排水关系，上游反滤料设计压实标准Dr=0.85，实测压实干容重为2.19g/cm3，施工期没有发生机械行走困难、不易压实情况。反滤料渗透系数是黏土心墙料的1000倍以上，上游反滤料可以保证大坝安全。

下游采用商品水洗砂作为黏土心墙下游反滤料，商品水洗砂超径较多，下游反滤料下包线等效粒径D20=0.6mm，不满足等效粒径D20≤0.5mm的设计要求。渗透系数较过渡料大，反滤料与过渡料之间不满足排水关系。由于下游反滤料与坝壳料之间满足滤土要求，反滤料下游过渡料起协调坝壳与心墙的变形作用，虽然其渗透系数小于下游水洗砂反滤料，但其本身渗透系数已达到10-3量级，不会对由反滤料排向下游的渗漏水起到阻挡作用，故下游反滤料也可以保证大坝安全。

3 结 语

大坝反滤料的设计是保证黏土心墙坝安全的重要内容。认真分析被保护土及反滤料的特性，仔细研究料场的实际情况，精心设计，结合工程实际，采用试验及复核验算相结合方式对其反滤排水性能进行验证，是保证工程安全、优化设计的有效方式。

[1] SL 274—2001 碾压土石坝设计规范[S].

[2] GB 50287/99 水利水电工程地质勘察规范[S].

[3] 林昭.碾压式土石坝设计[M].郑州：黄河水利出版社，2003.

Filter Material Design and Optimization of Baiyanghe Reservoir Dam

ZHANG Kang

(XinjiangHydroandPowerSurveyDesignInstitute,Urumqi830000,China)

Soil in all partitions of dam body should be designed well in designing clay core wall. Design of filter materials is directly related to dam body safety. Filer material of Baiyanghe Reservoir Dam is optimized according to actual condition in the construction site from design in the construction stage to implementation in the construction site. The filter materials are validated through method combining test and checking. Filter material design and optimization of Baiyanghe Reservoir Dam are analyzed and summarized in the paper, thereby providing reference for similar project.

filter material; clay content; grading; design optimization; checking

TV640.3

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1005-4774(2014)07-0028-04