土壩填筑及反濾保護設計

栗 佳

(大伙房水庫輸水工程建設局，沈陽110166)

土壩壩體結構為黏土心墻砂礫壩，利用防浪墻擋水。防滲體采用黏土心墻結構，心墻頂部寬度為3.0 m，心墻底部最大寬度為16.7 m，心墻坡比為1∶0.2。心墻上部與鋼筋混凝土防浪墻緊密連接，心墻外側設反濾層，上游厚1.2 m，下游厚1.5 m。心墻底部開挖至砂卵石層面下0.5 m。

1 壩體防滲形式的選擇

1.1 瀝青混凝土心墻

本工程壩基覆蓋層較厚，壩體采用瀝青混凝土防滲心墻受力復雜，并且心墻施工需與壩體填筑同時進行，施工干擾大，漏水檢查困難，不易維修。

1.2 黏土心墻

黏土心墻壩適應變形能力強，施工期孔隙壓力消散快，穩定性高;結合壩體填筑料抗剪強度的提高，壩坡可放陡，減少壩體填筑量;便于與岸邊和非土質建筑物連接［1］。

對上述兩種防滲材料，選取典型斷面按單寬壩體進行投資比較見表1。

表1 土壩防滲材料工程量及投資比較表

2 壩體填筑料設計

2.1 土料設計

2.1.1 黏土填筑指標的確定

2.1.1.1 設計壓實干密度指標的確定

設計壓實干密度計算公式為:

式中:Pds為設計壓實度;ρds為設計壓實干密度，kN/m3;ρd·max標準擊實試驗最大干密度，為 17.5kN/m3。

本次設計采用壓實度為98%，設計壓實干密度應為17.15 kN/m3。

2.1.1.2 設計最優含水量指標的確定

根據規范，黏土的含水量計算公式為:

式中:ωop為土的最優含水量，以小數計;ωp為塑限含水量，以小數計，取18.3%;Ip為塑性指數，以小數計，取13.8%;B為稠度，中壩采用±0.1～0.2。

經計算，黏土的設計最優含水量在16.92%～21.06%。

2.1.1.3 設計C、φ指標的采用

由于本工程土料場取樣組數偏少，抗剪設計指標應乘以代表性系數0.95，則:C=14.25，本次設計采用14.0 kPa;φ =19.0，本次設計采用19o。

2.1.2 砂性土料填筑指標的確定

2級壩的砂礫料的填筑相對密度≥0.75，反濾料的相對密度為0.70，設計干容重計算公式為:

式中:γd為設計干容重，kN/m3;γ最大為最小孔隙比時的干容重，kN/m3;γ最小為最大孔隙比時的干容重，kN/m3;D為相對密度，采用0.75。

經計算，砂礫石土的設計干容重初步確定采用為17.26 kN/m3。

2.1.3 砂性土料其他設計參數的確定

2.1.3.1 內摩擦角(采用小值平均值)

根據本工程統計，砂礫料內摩擦角試驗統計值較大，本設計砂礫料內摩擦角采用水上 32°、水下 30°。

2.1.3.2 滲透系數

壩體砂礫料的滲透系數采用小值平均值即6.3×10-2cm/s。筑壩材料設計參數詳見表2。

表2 筑壩材料設計參數表

3 反濾層設計

3.1 上游護坡反濾層設計

反濾層計算公式為:

式中:D15為反濾料粒徑，＜該粒徑的土重占總土重的15%;d15為被保護土粒徑，＜該粒徑的土重占總土重的15%，d15=0.25 mm;d85為被保護土粒徑，＜該粒徑的土重占總土重的85%;d85=4.5 mm。

由于壩殼料為不連續級配土，其不均勻系數Cu=10＞5，因此，被保護土的計算粒徑d15，d85取級配曲線平段以下的細粒部分進行計算。通過計算，反濾粒徑要求1.25 mm≤D15≤20.0 mm。

3.2 心墻上下游反濾層設計

3.2.1 反濾層滿足濾土要求

因土料＜0.075 mm，顆粒含量＞85%，反濾層計算公式為:

式中:D15為反濾料的粒徑＜該粒徑的土重占總土重的15%;d85為被保護土的粒徑，＜該粒徑的土重占總土重的 85%，取 d85=0.05 mm;則:D15≤0.45 mm。

3.2.2 反濾層滿足排水要求

反濾層需符合下式要求:

式中:d15為黏土料的粒徑，＜該粒徑的土重占總土重的15%，取d15=0.004 mm。則:D15≥0.1 mm

通過上述計算，本工程反濾粒徑采用0.1 mm≤D15≤0.45 mm?？紤]采用機械施工，并保證有效厚度，心墻反濾層厚度確定為:上游鋪設1.2 m厚、下游鋪設1.5 m厚。

［1］楊開濱.平原水庫土壩填筑質量控制標準及成果分析［J］. 黑龍江水利科技，2012，40(03):163-164.