穆家沟水库大坝黏土心墙反滤料级配设计与思考

□冯光春 谭建龙

土石坝填筑料为散粒体材料，在不同的填筑料层间以及渗流出口位置，容易发生渗透破坏，根据相关资料统计，由于渗透（特别是反滤层的设计不合理）破坏引起的土石坝失事，已占土石坝失事总数的近一半。

按规范要求，在心墙土石坝中，一般都需要在心墙两侧设置反滤料。上游侧反滤料主要在水位降落时，起保护防渗体不受冲蚀的作用，承受的水力坡降较小，下游侧反滤料长期起保护防渗体不受冲蚀的作用，承受的水力坡降较大，因此需要重点设计。

反滤层的材料一般为砂或者砂砾石，主要有滤土和排水两个功能。滤土，保证被保护的土料不被水流带走；排水，保证水流能快速的流出，不至于产生过大的渗透压力。同时，反滤料还要求有比较好的可施工性，即施工时不能出现粗细分离现象。

工程按照《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求对黏土心墙反滤料级配进行设计，蓄水鉴定时按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2020）进行计算，说明新旧标准对反滤料级配的异同，并复核工程建设实际级配是否满足新版要求。

1.工程概况

穆家沟水库位于四川省眉山市东坡区崇礼镇柏杨村鲫江河支流穆家沟上，穆家沟属于岷江左岸二级支沟，鲫江河右岸一级支沟，距眉山市约9 km，距成都市约83 km。水库大坝采用黏土心墙石渣坝，坝顶轴线长575 m，坝顶高程448 m，最大坝高35 m，坝顶宽10 m。

坝体上游在438 m 处设置一级马道，马道宽2.5 m，马道以上边坡为1∶2.5，以下为1∶3.0。坝体下游在高程438 m 处一级马道，马道宽2 m，在高程428 m 处设棱体排水平台，棱体内侧坡比为1∶1，外侧坡比为1∶1.8。在下游坝壳高程424 m~423 m 之间设置厚度为1m 的卵砾石反滤层，423 m~420 m 之间设置厚度为3 m 厚的卵砾石排水带。坝体上游坝坡采用预制混凝土块护坡，下游坝坡采用框格梁植草护坡。坝体填筑料从上游至下游依次分为上游坝壳石渣料区、上游反滤过渡料区、黏土防渗心墙、下游反滤过渡料区、下游坝壳石渣料区、下游坝壳底部排水带及排水棱体。穆家沟水库大坝坝体分区图见图1。

图1 穆家沟水库大坝坝体分区图

2.反滤料级配设计

2.1 黏土心墙料

根据初步设计报告，本项目黏土料料场为乔家院土料场，位于富牛镇乔家院子，华宇眉山2017(M)-19 号地块建设用地，无需征地，面积0.13 km2（195 亩）。距坝平距4.5 km～5.0 km，运距6.5 km～7.5 km，有公路相通，交通便利。该料场采运条件较好。

料场为一级阶地的台地，局部为缓坡，地形较开阔，高程为435 m～441m，组成物质为第四系更新统冰水堆积层，下伏基岩为白垩系灌口组砂泥岩互层地层。局部为素填土。据勘探揭示冰水堆积层分为2 层：上部为粉质黏土层，褐黄色，硬塑～可塑状，偶夹砾石，平均厚度为2.2 m～3.5 m，有用层储量12.4×104m3；下部为卵砾石土，该层土以卵砾石为主，土含量少，为无用层。浅表部为人工回填素填土和含植物根系的耕植土，平均厚度1.8 m～2.2 m，为无用层，无用层体积8.6×104m3。剥采比为1∶1.4。

根据土工试验报告，代表性黏土心墙料颗粒级配组成见表1，根据表1 作出心墙料（被保护土）颗粒级配曲线见图2。

表1 黏土心墙料颗粒级配组成

图2 黏土心墙料颗粒级配曲线

2.2 反滤料

选用李家河坝砂砾石料场的骨料作为反滤料，该料场位于东坡区岷江二桥上游1.4 km 处河心滩上，与大坝有公路相连，运距约10 km。料场顺河长度570 m，宽度100 m～170 m，平面面积0.08 km2，地面高程410 m～415 m，高于河水面0 m～5 m。勘探揭示，上覆剥离层为含植物根系的砂砾石层，平均厚度0.5 m；有用层为砂砾石，平均厚度4.2 m（其中水上2.2 m，水下2 m，未揭穿）。计算得水上储量为17.75 万m3，水下为15.82 万m3，总计33.57 万m3,储量满足设计要求。

按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251-2015)反滤料的质量技术指标要求，李家河坝砂砾石料场作为反滤层料，从含泥量、不均匀系数等参数看，均能满足要求。

2.3 反滤料级配设计

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录B，当被保护土为粘性土时，其第一层反滤层的级配按谢拉德1989年方法，优点为：一是对被保护土的分类简单明了，涵盖所有类土；二是设计步骤明确，可直接求出反滤料级配。

因本项目被保护土不含大于5 mm 颗粒，故按全料确定小于0.075 mm 颗粒含量的百分数。对于d85，则统一按全料的d85作为计算粒径。查图2 可知，计算粒径d85为0.05 mm，d15为0.0015 mm。

第一，滤土要求确定最大D15max。

根据被保护土小于0.075 mm 颗粒含量的百分数不同，而采用不同的方法。根据表1 可知，被保护土（心墙黏土）小于0.075 mm 颗粒含量的百分数为92%，大于85%，其反滤层可按下式确定：

式中：

D15max——反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；

d85——被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%；

当9d85＜0.2 mm 时，取D15等于0.2 mm。则D15≤9×0.05=0.45 mm>0.2 mm。故取D15max=0.45 mm。

第二，排水要求确定最小D15min。

式中：

d15——被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；

当4d15＜0.1 mm 时，应取D15不小于0.1 mm，则D15≥4×0.0015=0.006 mm＜0.1 mm，故取D15min=0.1 mm。

第三，调整最大或最小D15。

最大D15max取0.45 mm，最小D15min取0.1 mm，D15max/D15min=4.5，故无需调整最大或最小D15。如其比值大于5，则根据其排水或者滤土的重要性调整最大或最小D15，使最终取得最大D15max和最小D15min的比值不大于5。

第四，确定D10及D60。

依据初始设计反滤层的不均匀系数为6。最大D10max等于最大的D15max除以1.2（1.2 的系数是假定不均匀系数为6，D15与D10连线的坡度确定的），即

D10max=D15max/1.2=0.45/1.2=0.375mm

同理，可得最小D10min等于最小D15min除以1.2，即

D10min=D15min/1.2=0.1/1.2=0.083mm

由最大D10max值乘以6 计算得到最大的D60max，即

D60max=D10max×6=0.375×6=2.25mm

最大D60max除以5 确定反滤层带细料的最小D60min粒径，即

D60min=D60max/5=2.25/5=0.45mm

第五，根据最大最小准则确定D100max及D5min。

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001 条文说明表12 可知，最大D100max＜75mm，最小D5min为0.075 mm。本工程取D100max=50 mm。

第六，根据防止施工分离的原则确定D90max。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）表B.0.6 可知，最小D10min=0.083 mm＜0.5 mm 时，最大D90max为20 mm。

根据第四步确定最小D60min的办法，可得最小D90min=D90max/5=4 mm。

根据上述步骤，求得的反滤料级配曲线如表2。根据表2的数据，画出反滤料的级配包络曲线如图3。

表2 反滤料颗粒级配组成

图3 反滤料设计级配包络线（按SL274-2001 设计）

3.按新版规范计算级配

在穆家沟水库下闸蓄水验收时，已实施SL274—2020，新版规范反滤层设计与2001 版略有不同。主要是合并了反滤层设计，不再区分黏性土与无黏性土，全部采用谢拉德准则设计反滤料。同时提高了部分反滤料的要求，比如对于排水时要求最小D15min≥5d85，而2001 版规范大于等于4d85，同时对于反滤层的级配曲线宽度的确定，新规范要求“上、下包线的相同粒径的含量百分数差值不宜大于35%。以滤土为主的反滤层宜先确定下包线，以排水为主的反滤层宜先确定上包线”，而2001 版规范为“设计反滤料应满足过筛率为60%粒料中任一粒径的最大值与最小值的比率不大于5”。要求级配曲线范围变窄了，进一步防止采用间断级配。

现根据新规范的要求进行计算，反滤料级配曲线与SL274-2001 不同，主要表现在级配曲线宽度。本工程反滤料设计以滤土为主，根据上述确定的下包线（粗限），调整上包线（细限）。

调整最小D15min为0.15 mm，最小D60min由0.45 mm 调整为0.75 mm，最小D5min由0.075 mm 调整为0.1 mm。调整后的级配曲线如图4。

图4 反滤料设计级配包络曲线（按2020 版规范设计）

4.施工实测级配曲线与新版规范计算成果对比

通过业主收集到了其委托的第三方检测单位测得的5 次反滤料级配曲线成果，其粒径组成见表3。

表3 粒径组成以及小于某粒径的百分比含量（%）

将按SL274-2020 计算的级配曲线及收集到的5 次实测成果放在同一颗分曲线图上进行对比，如图5。可见仅第1次成果中小于0.1 mm 含量略超设计的上包线，大部分实测级配曲线落在设计包络线内，可认为实际级配曲线也能基本满足SL274-2020 计算的要求。

图5 填筑实测级配曲线与SL274-2020 计算级配曲线对比图

5.结论与建议

根据规范要求，以穆家沟水库工程反滤料设计为例，详细介绍了反滤料级配曲线的设计步骤，同时根据新旧两版规范的要求计算了级配曲线，并通过填筑实测的级配曲线与SL274-2020 计算的级配包络线做对比，可知实测级配曲线基本能满足新版规范的要求。

反滤料中设计以D15为重要的特征粒径，说明该粒径对反滤层设计非常重要，应充分重视该参数的选择。

反滤料应满足滤土、排水、级配连续、防止施工分离等准则，具体设计时，因以项目重点确定上（下）包线后，再调整下（上）包线，以确保设计的反滤料级配连续。

本项目因坝高不大，心墙料承受的水头较小，设计时未经渗流试验验证，但从目前运行情况看，在正常蓄水位时，大坝渗流量仅为1L/s，且水流非常清澈，未见渗透破坏现象，说明该水库的反滤料设计较为成功。对于高坝大库，建议通过渗流试验验证反滤料设计的合理性。