紅石峁水庫壩基反濾層設計淺析

張 雁，雷 慶，崔自力

（陜西水環境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018）

1 工程概況

紅石峁水庫位于紅石峁溝口以上0.8 km。水庫是一座以供水為主，兼顧攔沙、防洪等綜合利用的Ⅲ等中型水利工程。樞紐主要由大壩、泄洪洞、輸水建筑物、充庫建筑物等四部分組成。大壩采用均質土壩壩型，壩頂高程1124.00m，最大壩高46.0m，壩頂長398.5m，寬5 m。根據地質資料，壩基河床及兩岸覆蓋層厚度較大，且均為第四系松散堆積。河床、漫灘和一級階地下部堆積的礫石層，厚度3.0～6.0 m，相對密度Dr＝0.7，滲透系數K＝40m/d，屬強透水；下部為T3w砂巖、泥（頁）巖互層，強風化層厚度2.0～4.0m,壩基強～弱風化巖體透水率q=0.38～8.42 Lu，弱透水。巖體透水率q≥5 Lu的透水層河床左側較淺，右側較大，基巖面以下45.0m仍透水率q＞5 Lu。

2 反濾層的分類

根據工程實際情況，反濾層的類型可按以下規定確定（1）均質壩的水平排水體和斜墻后的反濾層等，反濾層位于被保護土下部，滲流方向由上向下，屬于Ⅰ型反濾。（2）位于壩基滲流出逸處和排水溝下邊的反濾層等，反濾層位于被保護土上部，滲流方向由下向上，屬于Ⅱ型反濾。

反濾層每層內的顆粒不能相互產生移動，不應穿過顆粒較大一層的孔隙，應保證被保護土層的顆粒不能隨滲水被帶走，不能被堵塞，即允許被滲水帶走的顆粒能自由通過反濾層的孔隙。通常由2~3層無粘性土做成，沿滲流方向各層的顆粒粒徑逐漸加大。反濾層通常人工施工時，水平反濾層的最小厚度可采用0.3m，豎直或傾斜反濾層的最小厚度可采用0.5 m，機械施工時，最小厚度應根據施工方法確定。

反濾層的層數并不是越多越安全，層數越多表明各層層間關系較小，顆粒組成較細，用料的種類增多，結果層厚不能加大，不僅反濾層的造價提高，而且施工難度大，質量不易保證。對于Ⅰ型反濾，層數決定于下部排水體的粒徑大小，最后一層反濾與排水體之間同樣要滿足反濾要求。如果各層之間的層間系數選用的較小，則層數加多，反之，層間系數選用的較大，則層數減小。對于Ⅱ型反濾層，一般一層就可滿足要求，最多不要超過2層。如果地基是管涌土，第一層反濾一般較細，反濾層中容易出現剩余水頭，第一層反濾需要第二層反濾保護，使反濾層中最后無剩余水頭，一般設兩層反濾即可，可以保證第二層反濾中不會出現剩余水頭。

反濾層的設置應符合下列要求（1）質地致密，抗水性和風化性能滿足工程運用條件的要求。要求反濾料的母巖為飽和抗壓強度大于30 MPa的硬巖，軟化系數高、抗風化能力強，以防施工碾壓和運用中級配變化過大。采用砂礫石料篩分時，砂礫石中不應含有較多的軟弱顆粒；若采用巖石軋制生產反濾料，則應選擇新鮮巖石軋制，以免其繼續風化使含泥量增大而影響反濾料的透水性等性能，同時還應控制針、片狀顆粒含量。（2）具有要求的透水性。反濾料一般應是自由透水的，要求的滲透系數k>10-3cm/s。反濾料滲透系數為被保護料的10～100倍以上，最好100倍以上。（3）具有連續的級配。反濾料一般應為連續級配料，以提高其滲透穩定性。（4）反濾料和排水體料粒徑小于0.075mm的顆粒含量不超過5%。

3 壩基反濾層計算

反濾層的設計首先根據被保護土層的性質及具體要求的粒徑百分比確定適合的公式進行計算。

（1）當被保護土為無粘性土：

無黏性土指粘粒含量（粒徑小于0.005,mm）不大于3%、塑性指數不大于3、顆粒間不具有粘結力的土、則按照下列公式計算：

公式（1）是為了保護被保護土不會向反濾層流失，稱為保土準則，公式（2）是為了保證反濾料的透水性，也稱為透水準則。公式同樣適用于選擇第二層、第三層反濾，當選擇第二層反濾層時。應以第一層反濾層作為被保護土；而選擇第三層反濾時，應以第二層反濾作為被保護土。①對于不均勻系數Cu＞8的被保護土，宜取Cu≤5～8的細粒部分的d85、d15作為計算粒徑；對于級配不連續的被保護土，應取級配曲線平斷以下的細粒部分的d85、d15作為計算粒徑。②當第一層反濾層的不均勻系數Cu＞5～8時，應控制大于5mm顆粒的含量小于60%，選用5mm以下的細粒部分的D15作為計算粒徑。

（2）當被保護土為粘性土時，第一層反濾層的級配應按照下列方法確定：

濾土要求：根據被保護土小于0.075mm的顆粒含量的百分數不同，而采用不同的方法。當被保護土含有大于5mm顆粒時，應按照小于5mm顆粒級配確定小于0.075mm顆粒含量百分數，及按小于5mm顆粒級配的d85作為計算粒徑。當被保護土不含大于5 mm顆粒時，應按全料確定小于0.075 mm顆粒含量的百分數，即按全料的d85作為計算粒徑。

①對于小于0.075mm顆粒含量大于85%的土，其反濾層可按公式（3）確定：

當9d85＜0.2mm時，取D15等于0.2mm。

②對于小于0.075mm顆粒含量為40%～85%的土，其反濾層可按公式（4）確定：

③對于小于0.075mm顆粒含量為15%～39%的土，其反濾層可按公式（5）確定：

A為小于0.075 mm的顆粒含量，%若公式5中4d85＜0.7 mm，應取0.7 mm。滿足排水要求以上三種粘性土還應符合公式（6），以滿足排水要求。

式中D15應為被保護粘性土全料的D15，當4D15＜0.1 mm時，應取D15不小于0.1mm。

4 紅石峁水庫反濾層計算

因紅石峁水庫壩基砂礫石層與壩體填筑土層之間不滿足反濾要求，則在壩基與砂礫石接觸部位設置反濾層。

（1）壩體填土反濾層

按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）附錄B第B.0.3可知，壩基反濾層位于被保護土層下部，滲流方向由上向下，屬于Ⅰ型反濾。根據地質報告可知，壩體填筑土料粘粒含量11.1%～11.3%。大壩填筑土料為低液限粘土，計算粒徑d85=0.058mm；d15=0.0077mm，小于0.075mm顆粒含量為100%，不均勻系數為10.8。

第一層反濾層：根據濾土準則，對于小于0.075mm顆粒含量大于85%的土，其反濾層d15≤9d85=9×0.058=0.522mm，取d15為0.52；

根據排水準則計算的反濾層最小d15≥4d15=4×0.0077=0.0308 mm，按規定取最小d15=0.1 mm，計算的最大d15和最小d15比值為5.22大于5，同時考慮濾土和排水要求，按最大d15和最小d15比值小于5，確定反濾層最大d15=0.52mm，最小d15=0.11mm。根據計算確定的最大及最小d15值，按規范要求，對于不均勻系數Cu＞8的被保護土，宜取反濾層不均勻系數Cu≤5～8（取6）計算其它級配粒徑見表1。

表1 反濾層級配粒徑計算表（第一層） 單位：mm

壩體填土顆粒級配曲線

第二層反濾層：第二層反濾層以上述第一層反濾層作為保護體（小于0.075mm粒徑含量＜15%，為砂或砂礫石，不均勻系數為6），按照濾土及排水準則以D15/d85≤4～5和 D15/D15≥5，并取該層反濾料不均勻系數為6，計算該層反濾料級配粒徑見表2。

表2 反濾層級配粒徑計算表（第二層） 單位：mm

（2）壩基砂礫石層滲流出溢處反濾設計

反濾設計原則：由規范可知，滲流出溢點處反濾屬于Ⅱ型反濾。根據類似工程經驗在大壩截滲槽下游設置三層反濾層。

反濾層的作用是當地基或防滲體滲流出口的水力比降超過土體本身的抗滲強度后，防止土體的滲透破壞，因此可以說增加反濾層后，提高了土體的抗滲強度。

壩基砂礫石顆粒級配曲線

5 結語

壩體土與壩基土層接觸部位及滲流出逸處經判斷不滿足反濾要求時，均應必須設置反濾層。紅石峁水庫反濾層根據被保護土層的類型及地質提供的壩體填筑土及基礎砂礫石層的級配曲線進行計算分析，并確定出反濾料級配范圍及層數，為壩體反濾層的設置提供了數據依據，以保證工程的滲流穩定。在具體施工時，對于重要的土石壩和高壩計算出的反濾層數據可作為參考依據，并應進行反濾試驗驗證。

[1]關志誠主編.水工設計手冊［M］.北京:中國水利水電出版社2014(9)：44-48.

[2]劉杰.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓［M］.北京:中國水利水電出版社,2006：107.