砂礫石反濾料級配設計研究

史 良

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001)

1 概述

反濾層被認為是土石壩和堤防工程安全的第一道防線,在保證土壩和堤防工程安全運行中至關重要。長期以來,反濾層設計一直使用太沙基反濾準則,該準則只能計算出反濾料的 D15,由于通過一個點可得到無數條顆粒級配曲線,早期反濾設計要求反濾料級配曲線應與被保護土料的級配曲線形狀大致相同,而現在研究與實踐表明,這一要求并無必要,所以僅計算出 D15并不能確定反濾料級配及其上下包線。本文以王圪堵水庫大壩反濾設計為例,依據適用性更廣的謝拉德反濾準則,從被保護土料級配分析、反濾料的特征粒徑和反濾層的分區,以及防分離等方面進行探討,初步求出反濾料的級配包線,并對工程區豐富的細沙、粉細沙反濾性能進行分析。最后通過試驗對計算結果進行驗證。

2 反濾層的分區

王圪堵水庫樞紐工程攔河壩為均質土壩,最大壩高46.0m,壩長 950 m,壩頂寬度 8.0 m,大壩上游壩坡坡比1∶3.0,下游壩坡坡比 1∶2.5。壩基河床覆蓋層細砂厚 8～13 m,左岸岸坡風積、沖湖積砂厚 90m左右,屬強透水層,設計采用膨潤土塑性混凝土防滲墻和帷幕灌漿作為垂直防滲體,防滲墻后設水平網狀排水體,壩后設堆石排水棱體。水平網狀排水體由礫石堆筑而成擬設兩層反濾,第一層為混合砂厚300mm,第二層為細礫層厚 200mm;排水棱體由塊石堆筑而成擬設三層反濾第一層為混合砂厚 300 mm,第二層為細礫層厚 200mm,第三層為土工織物(400 g/m2),土工織物下設200mm厚細礫石墊層。大壩上游迎水面為混凝土塊護坡設排水孔。

大壩下游排水體反濾為滲水出口,由水庫補給,水源充沛,為關鍵部位,必須保證反濾質量;上游反濾的主要作用是防止水位下降時壩體土料孔隙中水分向上游排泄時引起水土流失。但由于向上游排泄的滲透比降一般不大,土料孔隙含水不多,水源有限。上游迎水面反濾工作條件遠比下游好,為非關鍵部位,反濾設計可適當放寬。

3 被保護土料資料整理

按謝拉德級配整理方法,本工程筑壩土料為不含粗顆粒的窄級配料,不需要進行級配整理。

根據《王圪堵水庫初步設計地勘報告》試驗成果及顆粒分析,筑壩土料粒徑級配曲線見圖 1,曲線特征值見表 1。

表1 被保護土料曲線特征值

根據筑壩土料粒徑級配曲線特征值,按謝拉德提出的分類方法進行被保護土分類,被保護土小于 200號篩(0.075 mm)粒徑 ＞85%屬 1類。

4 細砂、粉細砂級配分析

根據《王圪堵水庫初步設計地勘報告》試驗成果及顆粒分析,壩基及左壩肩細砂、粉細砂顆粒徑級配曲線見圖 1,曲線特征值見表2 。

表2 曲線特征值

按謝拉德提出的分類方法進行被保護土分類,被保護土小于 200號篩(0.075 mm)粒徑 40% ～85%屬 2類。

5 反濾料級配設計

根據被保護土料級配特征,按《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001所列的謝拉德反濾設計方法進行各特征粒徑的計算。

5.1 按濾土要求確定反濾層允許最大 D 15值

確定反濾層的允許最大 D15值,對 1類土最大D15≤9d85,(如 9d85小于 0.2 mm,取 0.2 mm)。 最 大 D15＜9d85=9×0.075=0.675 mm。

5.2 按排水要求確定反濾層允許最小 D 15值

對于 1,2號料場最小 D15≥4d15=4×0.0 025=0.01mm;對于 3,4號料場最小 D15≥4d15=4×0.0 038=0.0152 mm。取最小 D15值為 0.1mm。

5.3 最大 D15值與最小 D15值調整

上述計算的最大D15與最小D15的比值 0.675/0.1=6.75＞5,需調整,使該值不大于 5。

被保護土顆粒非常細且反濾處于重要功能區,以最小的D15為控制點,將其乘以 5得到最大 D15=0.1×5=0.5 mm。把最大 D15=0.5mm作為控制點 1,最小 D15作為控制點 2。

5.4 D 60值確定

最大 D10=最大D15/1.2=0.417mm

最大 D60=最大 D10×6=0.417×6=2.502mm,此點作為控制點 3

最小 D60=最大D60/5=2.502/5=0.5mm,此點作為控制點4

5.5 最小 D5與最大 D100的確定

確定反濾料的最小 D5與最大 D100,對所有類別土最小D5為 0.075mm,最大 D100＜75 mm,分別作為控制點 5和 6。

5.6 最小 D10與最大 D 90的確定

最小 D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.083 mm

根據防分離準則,由最小 D10=0.083 mm＜0.5確定最大 D90=20mm,此點作為控制點 7。

5.7 反濾料上下包線的確定

將以上控制點繪制于大壩填筑土料顆粒級配曲線圖上,連接控制點 4、2和 5確定反濾料的上包線,連接控制點 6、7、3和 1,確定反濾料的下包線,將上下包線延至 100%即反濾料級配初步設計成果。反濾料上下包線見圖 1。

6 細砂,粉細砂反濾能力分析

將計算的反濾料上、下包線和細砂、粉細砂級配曲線繪于大壩填筑土料顆粒級配曲線圖上進行分析,見圖 1。

由圖 1可以看出細砂、粉細砂顆粒級配曲線基本重合,位于反濾料上包線上方,不均勻系數 1.8～1.9＜5,為不良級配,粒徑 85%小于 0.2mm偏小,不滿足反濾要求。

圖1 填筑土料級配曲線圖

為節省投資首先考慮當地材料的應用,工程區細砂儲量豐富,平均滲透系數 1.77×10-2cm/s,且大部分為沖積砂,其滲透性和耐久性滿足反濾料要求,但經上面分析細砂粒徑偏小,且級配不良不能直接作為反濾料應用。考慮摻入適量粗砂對其級配進行改良,經反復試配,當摻入 130%粗砂后顆粒級配曲線位于反濾料上下包線之間,滿足反濾要求。但需摻入粗砂較多,工程區細砂、粉細砂作為關鍵區反濾料利用價值不大。

7 反濾料設計

7.1 壩體迎水面反濾設計

壩體迎水面為混凝土塊護坡,并設置排水孔,反濾層要求以排水為主,局部(排水孔)需滿足濾土要求。壩前迎水面反濾層主要作用為排水和過渡墊層,為反濾非關鍵部位,在排水孔局部滿足反濾要求時,工程區細砂可以作為混凝土護坡墊層應用。

7.2 壩體與水平排水體反濾設計

水平排水帶由礫石堆筑而成,礫石最大粒徑 50 mm,d85=40mm,d15=10mm,含泥量小于 5%。礫石和大壩填筑料之間不滿足反濾要求,需設反濾層。

1)第一層反濾設計

第一層反濾被保護土為大壩填筑料,其反濾料上下包線同圖 1。

2)第二層反濾設計

第二層以上述第一層反濾料為被保護土體,取第一層反濾料 d15=0.40 mm,d85=5 mm。按照濾土和排水準則,D15/d15=5/0.4=12.5≥5和 D15/d85=10/5≤ 4～ 5,滿足規范要求。可不設第二層反濾。

7.3 壩后排水棱體反濾設計

a)第一層反濾設計

壩后排水棱體第一層反濾料上下包線同圖 1。

b)第二層反濾設計

第二層反濾層以上述第一層反濾層為保護土體,排水棱體為塊石堆筑,設計 d15=80mm,d85=500mm。取第一層反濾料 d15=0.40mm,d85=5 mm。根據《碾壓式土石壩設計規范》條文說明表 8被保護土小于 200號篩(0.075 mm)粒徑＜15%,屬 4類。經計算,第二層反濾料上下包線見圖 2。

圖2 第二層反濾料上、下包線圖

8 壩體與左壩肩接觸區反濾設計

由以上分析可以看出左壩肩細沙不滿足反濾要求,但根據地勘報告其破壞類型為流土型,反濾對其保護作用不大,故壩體與左壩肩接觸區不設反濾層,根據出逸比降考慮在壩后進行壓腳處理。

9 試驗驗證

水利部西北水利科學研究所實驗中心對計算結果進行了試驗驗證,試驗結果：(1)1#反濾料(第一層)承擔了 95%以上的水頭,土料與 1#反濾料接觸的允許坡降在 11.59～13.24之間。1#反濾料滿足反濾排水準則,能很好的保護土料。

(2)2#反濾料(第二層)允許坡降在0.61～7.80之間,2#反濾料細包線滿足反濾排水準則,粗包線顆粒偏大,1#反濾料有流入 2#反濾層的現象,保土性略差。建議對 2#反濾料(第二層)下包線進行調整。調整后 2#反濾料(第二層)下包線見圖 3。

圖3 調整后第 2層反濾料下包線圖

10 結論

(1)反濾料設計首先需對被保護土料的性質進行分析,必要時需要對級配進行調整,消除寬級配內部不穩定,調整的方法可以按謝拉德提出的級配整理方法進行。

(2)經過對被保護土料的級配進行整理后,謝拉德準則比太沙基準則適用范圍更廣,對寬級配料、窄級配、粘性土和無粘性土都適用。

(3)反濾設計應根據反濾料的不同位置進行分區,關鍵區域嚴格按反濾準則進行設計,非關鍵區域可以適當放寬要求,選擇反濾料時首先應考慮當地材料的應用以節約投資。

(4)對于重要工程應對計算結果進行試驗驗證。

[1]孫勝利,李治明,王新奇.砂礫石反濾料級配的實用設計方法,2000.7.

[2]潘家錚.土石壩水利電力出版社,1992.

[3]SL274-2001.碾壓式土石壩設計規范.

[4]王圪堵水庫樞紐工程反濾料試驗研究報告水利部西北水利科學研究所試驗中心,2010.11.