高黏粒含量防渗土料的反滤排水优化研究

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

南方红黏土是湿热气候条件下的风化产物，在我国南方分布较多。因其渗透系数低、抗渗强度较普通黏土高，是填筑土石坝防渗体的较佳天然建材，但高黏粒含量使得其保护反滤料的加工困难大、成本高、效率低。本文以德厚水库黏土心墙堆石坝为例，对类似南方红黏土防渗心墙土料的人工配制反滤料配设进行研究，提出高黏粒含量土料反滤料设计的一些思考。

1 工程概况

德厚水库地处云南省东南部的文山市境内，坝址位于国际河流盘龙河一级支流德厚河中下游河段，距文山市31km，距昆明市317km。工程由大坝枢纽、防渗及输水工程三部分组成。大坝枢纽包括黏土心墙堆石坝、开敞式溢洪道、右岸团结大沟输水隧洞、引水隧洞、导流泄洪隧洞，坝后电站及泵站集中布置于一个厂房内，总库容1.13亿m3。德厚水库是一座以生活、工业供水和农业供水为主要任务的大(2)型综合利用水利工程。

防渗工程由坝址区及咪哩河库区两部分组成，线路总长4697m，采用帷幕灌浆防渗。黏土心墙堆石坝最大坝高70.90m，由上游到下游分为上游堆石料区、上游反滤层、防渗心墙、下游反滤层、下游主堆石区(下游水平排水区)、下游利用料填筑区(下游干燥区)6个区(见图1)。

图1 德厚水库大坝典型断面

2 坝址基本地形、地质条件

坝址位于德厚河与右岸支流咪哩河交汇口下游约600m处的德厚河上，河道呈蛇形弯曲，河床高程约1320.00m，河道一般宽8～15m，河流流向近北东向，比降约7‰。两岸坡上缓下陡，呈不对称“V” 形峡谷，坡度10°～70°，岸坡高度约130m。

河床冲洪积层(Qpal)为碎石土、砂质黏土、砂卵砾石夹漂石混杂堆积，厚度0～15m；残坡积层(Qedl)为棕黄、棕红色含碎石黏土，结构较为松散，厚1～4m，主要分布在两岸缓坡及溶蚀洼地。

坝基岩石主要为石炭系上统C3及二叠系下统P1厚层、巨厚层状灰岩，岩层总体缓倾向下游偏右岸，岩体中发育有密度较大、发育深度较大的缓倾角结构面，结构面部分连通性好，且具有断续夹泥现象，顺河及垂直河道的陡倾结构面亦较为发育。

3 心墙土料情况

料场位于花庄西偏北方向，在文平公路旁，距离主坝区约8～10km。料场分布高程1450.00～1475.00m，料场长约320m，宽约220m，地形平缓开阔，料场西高东低，无冲沟发育，地形坡度0°～5°，植被以经济作物为主。料场上部为第四系残坡积Qedl：ⓐ上部为棕红色黏土；ⓑ残坡积下部为棕黄、灰黄色黏土，含少量铁锰质颗粒或结核，可塑状态。下伏基岩为石炭系中统(C2)的细晶灰岩。料区广为耕地，零星分布有九座民坟。料场剥离层为上部耕植土，含较多植物根系，平均剥离厚度0.50m，料场有用层为棕红色黏土层，厚度变化较大，最薄2.90m，最厚达6.50m，平均开采深度4.45m，在地下水位以上开采。

总体评价：该料场面积较大，地形起伏较小，有用层厚度较不稳定，土层结构单一，属Ⅱ类料场。对土料共取原状样18组、棕红色黏土扰动样20组进行物理力学试验研究。分析试验显示：料场有用层土料棕红色黏土中小于0.08mm的颗粒含量普遍大于95%，平均为97%，黏粒含量为45%～62%，平均54%。料场红土颗粒组成分析见表1。

表1 土料场土料颗粒分析

4 反滤设计研究

4.1 反滤层的功能及德厚大坝反滤类型

在分区土石坝中，反滤料不仅能够起到心墙料与坝壳料之间的颗粒级配过渡及变形协调作用，还担负着滤土、排水减压、保护心墙的重要任务。自1922年太沙基提出用反滤层防止土体渗透破坏理论起，坝工界愈加认识到反滤可以对心墙渗流出逸点进行保护，防止心墙土颗粒流失；同时100倍级的心墙与反滤的渗透系数差使得反滤成为心墙渗流出口零势面，当渗流进入反滤后，渗透压力能够全部或大幅消失，因此反滤层是防止土体渗透破坏的最有效措施[3]。在满足“滤土、排水”准则的前提下，合理配设反滤料是分区土石坝坝料设计中的关键环节。

德厚大坝黏土心墙下游的反滤层为近垂直型式，渗流方向水平，反滤类型属于过渡型，为安全起见，其反滤设计按Ⅰ型反滤进行。

4.2 Ⅰ反料初拟情况及加工存在的问题

经地质勘察，德厚水库工程区内无天然反滤料源，大坝填筑所需反滤料须人工制备，加工原材料为石料场弱溶蚀风化灰岩。新鲜灰岩质地致密，满足《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)对反滤料材料的基本要求。同时由于灰岩饱和抗压强度Rb=35～40MPa，属中硬岩，并且加工不易出现针片状颗粒，因此灰岩属于较优的反滤料加工母材。

根据心墙土料颗粒分析成果，取颗分曲线均线为基准，按照谢拉德法进行Ⅰ反配设，须满足滤土及排水两个准则。

4.2.1滤土要求

滤土准则的核心是使被保护土颗粒不能穿过反滤料的空隙流失，从而不为渗流所带走。按照太沙基法则及谢拉德法则，d85为能控制被保护土渗透破坏的代表性粒径，反滤层只要控制住被保护土的细料(<5mm)部分中15%的大颗粒不流失，整个土体将是渗透稳定的，不会发生渗透破坏[4]。因此，对于德厚小于0.075mm的颗粒含量为88.7%～99.1%、普遍大于85%的细质防渗土料，按照SL 274—2001，满足滤土要求的Ⅰ反料的有效粒径按其中式(B.0.5-1)确定[1]，即

D15≤9d85

式中D15——反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%，其值小于0.2mm时，取0.2mm；

d85——心墙料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%，当土中含有大于5mm的组粒时，应为小于5mm部分颗粒级配的d85。

通过计算，9d85=0.25mm，初拟D15≤0.2mm。

4.2.2 排水要求

反滤层的排水减压准则，目的在于使心墙渗流进入反滤后能顺畅流走，压力尽量降低。要达到这一目标，就需要反滤层的渗透系数明显大于被保护土。当渗流由一层土进入另一层土时，两层土中各自承受的水力比降与渗透系数成反比关系，渗透系数的大小取决于土的等效粒径[4]。根据试验研究，SL 274—2001推荐了太沙基排水要求作为反滤设计排水准则，即规范式(B.0.5-4)：

D15≥4d15

式中D15——反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%，其值小于0.1mm时，取值不应小于0.1mm；

d15——心墙料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%，当土中含有大于5mm的组粒时，应为全料颗粒级配的d15。

由表1知，德厚心墙黏土料胶粒含量平均值为45%，可见4d15<0.10mm，因此D15应不小于0.10mm。

4.2.3 初拟Ⅰ反料级配包络线及加工存在的问题

按照上面论述确定的Ⅰ反料的有效粒径d15的最大值和最小值，配设出Ⅰ反料特征粒径(见表2)。

表2 Ⅰ反滤料级配包络线特征值

可见，同时满足规范中滤土及排水两个准则要求的Ⅰ反料有效粒径D15可选范围比较窄，其最大值D15max与最小值D15min之比仅为2。考虑加工因素，初拟Ⅰ反料包络线时，将D15以上粒径的范围适当放宽至相同含量的粒径最大值与最小值之比为3。按照特征表，施工单位进行了加工配制，经过大半年的调试，配制的Ⅰ反料始终不能完全满足包络线及生产要求，主要存在以下问题：ⓐ颗粒粒径粗，有效粒径大于设计要求的最大值，多次调试加工后的D15为0.25～0.35mm；ⓑ调试后与设计下包络线最接近的Ⅰ反料，干法加工时小于0.075mm的颗粒含量高于规范允许值5%，一般达8～12%，通过增加水洗工艺后基本满足小于5%的要求；ⓒ颗粒级配偏宽，不均匀系数大，一般大于12；ⓓ加工效率低，日加工量不足70m3，不能满足大坝填筑进度要求。

4.3 反滤料优化研究

4.3.1 试验研究

为解决质量与进度间的矛盾，按照土料压实度为98%、Ⅰ反料相对密度Dr=0.75对单独心墙土料及4种粒径级配Ⅰ反料+心墙土料开展了渗透破坏试验，材料颗粒组成及试验成果见表3。

从表中可知：ⓐ压实度98%的德厚水库心墙红黏土料自身具有高达47的破坏比降(见图2)；ⓑⅠ反料D15max适当放宽至0.40mm并调大不均匀系数(试验Ⅰ反2号)后整体抗渗临界比降为34[9]，考虑施工条件与试验室内条件的差异，按照安全系数5计算得到的允许渗透比降为6.80，仍大幅高于心墙下游出逸比降1.28[8]，满足渗透稳定要求并具有较大安全富余。

表3 德厚水库渗透破坏试验成果

Ⅰ反2号颗分曲线见图2，各组渗透破坏试验lgI～lgV关系曲线见图3～图7。

图2 渗透破坏试验Ⅰ反2号颗粒级配曲线

图3 德厚水库心墙黏土料渗透破坏试验lgi-lgV关系曲线

图4 Ⅰ反1号渗透破坏试验lgi-lgV关系曲线

图5 Ⅰ反2号渗透破坏试验lgi-lgV关系曲线

4.3.2 Ⅰ反料配设优化

根据以上渗透破坏试验成果，考虑施工中不均匀系数大可能造成的颗粒分离的不利因素，同时，兼顾加工制备的便利，在满足最小有效粒径D15min为规范允许最小值0.10mm的情况下，按照粗细带宽比约为3.50进行Ⅰ反料包络线调整，调整后的反滤料包络特征值见表4。

图6 Ⅰ反3号渗透破坏试验lgi-lgV关系曲线

图7 Ⅰ反4号渗透破坏试验lgi-lgV关系曲线

表4 调整后的Ⅰ反料级配包络曲线特征值

4.3.3 优化调整后施工情况

德厚大坝主体于2018年3月下旬开始施工，并于5月底完成一期上下游50及54层反滤料填筑。根据施工单位自检及第三方质量检测，颗粒级配及渗透系数等各项指标均满足设计要求，满足反滤料的功能要求。检测主要物理指标见表5，检测颗粒分布见图8。

表5 一期反滤料主要物理及颗粒特性指标检测值

5 结 语

德厚大坝心墙采用黏粒含量平均为53%的红黏土进行填筑，通过室内渗透破坏试验，红黏土料自身破坏临界比降高达47，远大于心墙出逸处的出逸比降1.28；心墙土料小于0.08mm的颗粒含量平均为97%，按照规范设计的Ⅰ反包络线，存在范围窄、颗粒细、级配控制难度大、加工成本高、工效低问题；4组不同颗粒级配的Ⅰ反料对土料保护的室内渗透破坏试验显示：当Ⅰ反料D15max适当放宽至0.40mm并调大不均匀系数至12.50时，考虑5的安全系数，渗透允许比降为6.80，大于心墙出逸比降1.20。试验说明Ⅰ反料具备适当调粗有效颗粒、放宽包络线粗细带宽比的可能；反滤料包络线调整后，不仅仍能满足材料功能要求，而且解决了施工中的实际困难，保证了坝体按计划目标有序填筑，为类似土料心墙坝工程积累了经验。

图8 德厚水库大坝一期反滤料检测粒径包络线