文得根水利枢纽粘土心墙坝反滤层设计及优化

马 纪，宁卫琦

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程概况

文得根水利枢纽建筑物主要由粘土心墙砂砾石坝、引水发电系统、岸坡溢洪道、副坝及鱼道等组成。粘土心墙砂砾石坝布置在主河床处，坝顶全长1 358 m，坝顶高程381.50 m，防浪墙顶高程382.70 m，坝顶宽8 m，最大坝高48 m。坝基防渗型式为混凝土防渗墙+帷幕灌浆。泄水建筑采用岸坡开敞式溢洪道，布置在右岸岸坡。

前期初设阶段共详查了5 个土料场，分别为包尔胡舒、坝下缓坡、取水口附近、坝上缓坡和巴彦乌兰土料场，最后综合土料有机物含量、含水率、黏粒含量等技术指标，最终确定巴彦乌兰土料场为主要的粘土料场。

巴彦乌兰土料场位于上坝址上游左岸山坡上，至上坝址直线距离约6 km，有公路可达上坝址，交通较便利。巴彦乌兰土料场长约800 m，宽120～350 m，面积约16.86×104m2，地形较平缓，由西北向东南方向倾斜，地面高程352～380 m。表部耕植厚度一般小于1.0 m，其下土料由粘土组成，底部为混合土碎石。有用层厚度一般2.5～5.0 m，最大厚度约8 m。

2 初步设计阶段反滤层设计

根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》附录B.0.5规定，被保护土为粘性土反滤层设计方法的步骤，结合B1砂砾石料场、巴彦乌兰粘土料场各土体的颗分曲线，在粘土心墙上、下游侧各设一层反滤层，水平厚度均为3.0 m，进行反滤层设计计算。

文中dx代表小于x%含量的被保护土粒径值，Dx表示小于x%含量的反滤料粒径值。

1）足够的土样绘制粘土的粒径级配曲线，巴彦乌兰土料场的土料颗分试验成果见表1。

表1 巴彦乌兰土料场土料颗粒分析试验成果表

根据颗分成果绘制的级配曲线，确定被保护土的粒径d15为0.003 mm，d85为0.070 mm。

2）以粒径0.075 mm 以下含量的百分数为标准，确定被保护土的分类，工程中被保护土为细粉土和黏土。

3）为满足滤土要求，按式（1）确定反滤层的容许粒径D15max：

4）为满足排水要求，按式（2）确定反滤层的容许粒径D15min：

5）以粒径D15min确定反滤范围，须调整使粒径D15max与D15min之比值不大于5。

6）调整反滤层的设计粒径范围，使反滤料上下包线不均匀系数不大于6，按Cu 取6 进行计算，计算过程：

7）根据最大最小粒径准则，确定反滤的D15min和D100max粒径。

8）为减少施工中的分离，用粒径D15min/1.2 得到初始的粒径D10min，并查表后确定粒径D90max，查表结果：

9）对计算的控制点进行连线后得到反滤层级配曲线，级配曲线见图1。

图1 反滤层级配曲线

3 技施阶段反滤层优化设计

初设阶段反滤层设计虽然满足《碾压式土石坝设计规范》中关于反滤层的设计要求，但是反滤层颗粒级配范围较广，最大粒径75.000 mm，小于0.075 mm 的粒径占到5%。根据施工现场实际情况，反滤料制备需要采用天然砂砾石和人工制砂进行掺配，来达到满足设计要求的级配曲线。而施工过程中很容易造成掺配不均匀而影响反滤层的实际效果。

技施施工前，对反滤层设计进行了优化，将原来的单层反滤调整为双层反滤，其中第一层反滤采用平均粒径更小的砂反滤，总层厚不变，仍为3.0 m，每层反滤料厚1.5 m。

3.1 第一层反滤层设计

总体设计方法同上面设计方法相同，但由于第一层采用砂反滤，反滤层最大粒径D100max调整为10.000 mm。

3.2 第二层反滤层设计

根据第一层反滤层级配曲线，从上包线（细限）中取粒径d85为1.200 mm，从下包线（粗限）中取粒径d15为0.500 mm，根据保护无粘性土的保土准则和透水准则，分别进行计算：

1）保土准则

2）透水准则

根据两大准则计算后可知D15max=5d85=6.000 mm，D15min=5d15=2.500 mm，同时应满足不均匀系数Cu在5～8 之间，最后得到的第二层反滤料级配曲线见图2。

图2 双层反滤级配曲线

4 结 语

反滤层设计是文得根水利枢纽粘土心墙砂砾石坝大坝分区设计中重要的一项工作，对于大坝的安全有着重要的影响，一定要认真对待。根据《碾压式土石坝设计规范》中的设计方法进行计算后，一定要结合现场实际情况，考虑施工中可能发生的不利因素，综合进行设计，以保证大坝的安全。