土坝填筑及反滤保护设计

栗 佳

(大伙房水库输水工程建设局，沈阳110166)

土坝坝体结构为黏土心墙砂砾坝，利用防浪墙挡水。防渗体采用黏土心墙结构，心墙顶部宽度为3.0 m，心墙底部最大宽度为16.7 m，心墙坡比为1∶0.2。心墙上部与钢筋混凝土防浪墙紧密连接，心墙外侧设反滤层，上游厚1.2 m，下游厚1.5 m。心墙底部开挖至砂卵石层面下0.5 m。

1 坝体防渗形式的选择

1.1 沥青混凝土心墙

本工程坝基覆盖层较厚，坝体采用沥青混凝土防渗心墙受力复杂，并且心墙施工需与坝体填筑同时进行，施工干扰大，漏水检查困难，不易维修。

1.2 黏土心墙

黏土心墙坝适应变形能力强，施工期孔隙压力消散快，稳定性高;结合坝体填筑料抗剪强度的提高，坝坡可放陡，减少坝体填筑量;便于与岸边和非土质建筑物连接［1］。

对上述两种防渗材料，选取典型断面按单宽坝体进行投资比较见表1。

表1 土坝防渗材料工程量及投资比较表

2 坝体填筑料设计

2.1 土料设计

2.1.1 黏土填筑指标的确定

2.1.1.1 设计压实干密度指标的确定

设计压实干密度计算公式为:

式中:Pds为设计压实度;ρds为设计压实干密度，kN/m3;ρd·max标准击实试验最大干密度，为 17.5kN/m3。

本次设计采用压实度为98%，设计压实干密度应为17.15 kN/m3。

2.1.1.2 设计最优含水量指标的确定

根据规范，黏土的含水量计算公式为:

式中:ωop为土的最优含水量，以小数计;ωp为塑限含水量，以小数计，取18.3%;Ip为塑性指数，以小数计，取13.8%;B为稠度，中坝采用±0.1～0.2。

经计算，黏土的设计最优含水量在16.92%～21.06%。

2.1.1.3 设计C、φ指标的采用

由于本工程土料场取样组数偏少，抗剪设计指标应乘以代表性系数0.95，则:C=14.25，本次设计采用14.0 kPa;φ =19.0，本次设计采用19o。

2.1.2 砂性土料填筑指标的确定

2级坝的砂砾料的填筑相对密度≥0.75，反滤料的相对密度为0.70，设计干容重计算公式为:

式中:γd为设计干容重，kN/m3;γ最大为最小孔隙比时的干容重，kN/m3;γ最小为最大孔隙比时的干容重，kN/m3;D为相对密度，采用0.75。

经计算，砂砾石土的设计干容重初步确定采用为17.26 kN/m3。

2.1.3 砂性土料其他设计参数的确定

2.1.3.1 内摩擦角(采用小值平均值)

根据本工程统计，砂砾料内摩擦角试验统计值较大，本设计砂砾料内摩擦角采用水上 32°、水下 30°。

2.1.3.2 渗透系数

坝体砂砾料的渗透系数采用小值平均值即6.3×10-2cm/s。筑坝材料设计参数详见表2。

表2 筑坝材料设计参数表

3 反滤层设计

3.1 上游护坡反滤层设计

反滤层计算公式为:

式中:D15为反滤料粒径，＜该粒径的土重占总土重的15%;d15为被保护土粒径，＜该粒径的土重占总土重的15%，d15=0.25 mm;d85为被保护土粒径，＜该粒径的土重占总土重的85%;d85=4.5 mm。

由于坝壳料为不连续级配土，其不均匀系数Cu=10＞5，因此，被保护土的计算粒径d15，d85取级配曲线平段以下的细粒部分进行计算。通过计算，反滤粒径要求1.25 mm≤D15≤20.0 mm。

3.2 心墙上下游反滤层设计

3.2.1 反滤层满足滤土要求

因土料＜0.075 mm，颗粒含量＞85%，反滤层计算公式为:

式中:D15为反滤料的粒径＜该粒径的土重占总土重的15%;d85为被保护土的粒径，＜该粒径的土重占总土重的 85%，取 d85=0.05 mm;则:D15≤0.45 mm。

3.2.2 反滤层满足排水要求

反滤层需符合下式要求:

式中:d15为黏土料的粒径，＜该粒径的土重占总土重的15%，取d15=0.004 mm。则:D15≥0.1 mm

通过上述计算，本工程反滤粒径采用0.1 mm≤D15≤0.45 mm。考虑采用机械施工，并保证有效厚度，心墙反滤层厚度确定为:上游铺设1.2 m厚、下游铺设1.5 m厚。

［1］杨开滨.平原水库土坝填筑质量控制标准及成果分析［J］. 黑龙江水利科技，2012，40(03):163-164.