白楊河水庫大壩反濾料設計及優化

(新疆水利水電勘測設計研究院， 烏魯木齊 830000)

白楊河水庫大壩反濾料設計及優化

張康

(新疆水利水電勘測設計研究院， 烏魯木齊 830000)

黏土心墻的設計，需做好壩體各分區的土料設計，而其中反濾料的設計直接關系到壩體的安全。白楊河水庫大壩反濾料從技施階段的設計到現場的實施，根據現場的實際情況進行了優化，并通過試驗和驗算相結合的方式得到了驗證。本文就白楊河水庫大壩的反濾料設計及優化進行了分析總結，以供類似工程借鑒。

反濾料； 含泥量； 級配； 設計優化； 驗算

1 大壩反濾料設計

1.1 壩體分區及料場選擇

白楊河水庫工程最大壩高78m，壩址區有儲量豐富、運距較近、質量滿足筑壩要求的砂礫石料。根據壩址區地形地質條件，壩體填筑分區從上游至下游分為：上游砂礫料區、上游反濾料區、黏土心墻區、下游反濾料區、下游過渡料區、下游砂礫料區。該工程調查了C1、C2、C3、C4四個砂礫料場，各砂礫料場砂礫料的質量均滿足壩殼料的技術要求；作為反濾料，各料場均存在含泥量偏大的情況。經過比選：黏土心墻采用T1料場土料；反濾料、過渡料由C3料篩分；壩殼料采用C3料場全料。

1.2 料場基本情況

C3料場顆分試驗11組試樣分組含量相差不大，顆分曲線形狀較為接近，性質均勻，但含泥量超標過大。其中不大于40mm顆粒篩余量平均為60.72%，含泥量平均為9.68%；不大于20mm顆粒篩余量平均為46.91%，含泥量平均為12.58%；不大于5mm顆粒篩余量平均為28.73%，含泥量平均為19.82%。

1.3 反濾料設計

對C3反濾料場D≤40mm的9組顆粒進行試驗，分析結果見下頁表1。由反濾料的質量指標分析， C3反濾料場D≤40mm的顆粒不均勻系數為68.6，含泥量及針片狀顆粒含量超標，其余指標滿足反濾料的質量技術要求。

表1 C3反濾料場D≤40mm顆粒分析

對C3反濾料場D≤20mm的9組顆粒進行試驗，分析結果見表2。由反濾料的質量指標分析，C3反濾料場D≤20mm的不均勻系數為49.1，含泥量及針片狀顆粒含量超標，其余指標滿足反濾料的質量技術要求。

表2 C3反濾料場D≤20mm顆粒分析

C3料場除去表面無用層后，含泥量大幅度降低，可以通過摻配的方法來加工反濾料。經摻加50%水洗砂后，C3料場Dmax≤40mm的反濾料和Dmax≤20mm的反濾料的特征粒徑見表3：

表3 反濾料部分特征粒徑

心墻土料與經摻配后的反濾料的關系驗算見表4：

表4 心墻土料與反濾料的關系驗算

從以上反濾關系驗算結果可知， C3料場D≤40mm、D≤20mm的砂礫料摻加50%水洗砂后，均滿足反濾、排水準則。其中D≤20mm的反濾料位于謝拉德設計反濾料級配包線內。C3料場D≤40mm、D≤20mm的砂礫料摻加50%水洗砂級配范圍較窄，說明由C3料場加工的反濾料較為均勻。

選擇C3料場D≤20mm的砂礫料加50%水洗砂作為下游第一層反濾料。從該次設計反濾料顆分試驗級配曲線可以看出：C3料場D≤40mm的砂礫料加50%水洗砂D90max=27mm>20mm，說明上游反濾料施工中容易產生分離情況?？紤]到該工程庫容小，上游水位變幅為38.28m，上游只設一層反濾料，故上游反濾料也采用C3料場D≤20mm的砂礫料加50%水洗砂制備。

試驗資料表明，裂縫土的抗滲強度與反濾料的粒徑有密切的關系。隨著反濾層等效粒徑的增大，抗滲比降顯著減小。當等效粒徑D20≤0.5mm時，裂縫土不會發生滲透破壞。C3料場D≤20mm的砂礫料加50%水洗砂制備的反濾料等效粒徑D20max=0.36mm，滿足要求。該工程壩殼料主料場C3料場顆粒偏細，第一層反濾料與壩殼料之間的層間關系滿足反濾要求，不需要設置第二層反濾層，過渡層只起過渡作用。經過對壩址區各料場顆分試驗結果的比選分析，選擇C3料場D≤80mm砂礫料作為過渡料。

2 大壩反濾料設計優化

2.1 技施階段反濾料設計優化

2012年3月大壩填筑前，料場加工了6萬m3、D≤20mm的篩分砂礫料，實測含泥量平均值為10.3%。水洗砂也有一定的含泥量，摻配后仍不能滿足規范要求。為保證黏土心墻壩下游側反濾料質量，減少施工工序，將C3料場D≤20mm的篩分砂礫料不摻水洗砂用于上游反濾，下游反濾料采用水洗砂?？紤]到水洗砂粒徑較細，為避免施工時產生分離造成反濾料流失，將下游過渡料改為C3料場D≤40mm的砂礫料。

2.2 現場施工期反濾料的復核

為保證工程安全，由試驗單位對大壩實際采用的黏土心墻料、上下游反濾料、過渡料進行顆分試驗，對實際筑壩材料是否滿足反濾關系進行復核。

2.2.1 顆粒分析試驗成果

分別對大壩心墻土料(T1土料場)、上游反濾料(C3料場≤20mm)、下游反濾料(水洗砂)、過渡料(C3料場≤40mm)由現場料堆取樣進行顆粒分析試驗，成果如圖1～圖4所示。

圖1 白楊河水庫T1土料場顆粒分析曲線

圖2 白楊河水庫上游反濾料顆分曲線

圖3 白楊河水庫下游反濾料水洗砂顆分曲線

圖4 白楊河水庫過渡料顆分曲線

2.2.2 反濾料與黏土心墻反濾關系驗算

反濾料要求保護心墻黏性土，心墻采用T1料場土料。按《碾壓式土石壩設計規范》要求，反濾料控制粒徑及級配要求如下：

a.濾土要求。即保證心墻土料不穿越第一層反濾料而流失。對于小于0.075mm，顆粒含量大于85%的土，其反濾層可按下式確定：

D15≤ 9d85

當9d85<0.2mm時，取D15等于0.2mm。

b.排水要求。即保證第一層反濾料不被淤塞，還應滿足下式要求：

D15≥4d15max

土料各特征粒徑及不均勻系數見表5，上下游反濾料全料部分特征粒徑見表6。

表5 土料各特征粒徑及不均勻系數

表6 上、下游反濾料全料部分特征粒徑

上游反濾料下包線與心墻土料上包線關系驗算：D15/d85=0.24/0.055=4.36≤ 9，滿足反濾關系。

上游反濾料上包線與心墻土料下包線關系驗算：D15/d15=0.08/0.012=6.7≥4，滿足排水關系。

下游反濾料下包線與心墻土料上包線關系驗算：D15/d85=0.42/0.055=7.63≤ 9，滿足反濾關系。

下游反濾料上包線與心墻土料下包線關系驗算：D15/d15=0.25/0.012=20.8≥4，滿足排水關系。

經驗算，上下游反濾料與心墻之間滿足濾土與排水要求。

2.2.3 反濾料與過渡料反濾關系驗算

過渡料特征粒徑情況見表7。

表7 過渡料特征粒徑

下游過渡料下包線與下游反濾料上包線關系驗算：D15/d85=0.27/6.9=0.04≤ 4，滿足反濾關系。

下游過渡料上包線與反濾料下包線關系驗算：D15/d15=0.27/0.42=0.64≤ 4，不滿足排水關系。

2.2.4 結論

上游反濾料存在含泥量超標問題，經驗算，上游反濾料與黏土心墻料滿足反濾排水關系，上游反濾料設計壓實標準Dr=0.85，實測壓實干容重為2.19g/cm3，施工期沒有發生機械行走困難、不易壓實情況。反濾料滲透系數是黏土心墻料的1000倍以上，上游反濾料可以保證大壩安全。

下游采用商品水洗砂作為黏土心墻下游反濾料，商品水洗砂超徑較多，下游反濾料下包線等效粒徑D20=0.6mm，不滿足等效粒徑D20≤0.5mm的設計要求。滲透系數較過渡料大，反濾料與過渡料之間不滿足排水關系。由于下游反濾料與壩殼料之間滿足濾土要求，反濾料下游過渡料起協調壩殼與心墻的變形作用，雖然其滲透系數小于下游水洗砂反濾料，但其本身滲透系數已達到10-3量級，不會對由反濾料排向下游的滲漏水起到阻擋作用，故下游反濾料也可以保證大壩安全。

3 結 語

大壩反濾料的設計是保證黏土心墻壩安全的重要內容。認真分析被保護土及反濾料的特性，仔細研究料場的實際情況，精心設計，結合工程實際，采用試驗及復核驗算相結合方式對其反濾排水性能進行驗證，是保證工程安全、優化設計的有效方式。

[1] SL 274—2001 碾壓土石壩設計規范[S].

[2] GB 50287/99 水利水電工程地質勘察規范[S].

[3] 林昭.碾壓式土石壩設計[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

Filter Material Design and Optimization of Baiyanghe Reservoir Dam

ZHANG Kang

(XinjiangHydroandPowerSurveyDesignInstitute,Urumqi830000,China)

Soil in all partitions of dam body should be designed well in designing clay core wall. Design of filter materials is directly related to dam body safety. Filer material of Baiyanghe Reservoir Dam is optimized according to actual condition in the construction site from design in the construction stage to implementation in the construction site. The filter materials are validated through method combining test and checking. Filter material design and optimization of Baiyanghe Reservoir Dam are analyzed and summarized in the paper, thereby providing reference for similar project.

filter material; clay content; grading; design optimization; checking

TV640.3

B

1005-4774(2014)07-0028-04