袁灣水庫工程土壩段反濾層設計

曹捷

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

反濾層是土石壩滲流控制的重要措施之一，設計方法主要分為保護無黏性土和保護黏性土兩大類。無論被保護土屬于哪一類型，反濾層均應具有濾土和排水的雙重功能，承擔著“防”和“排”的重要任務，不僅要防止被保護土料顆粒不被帶走，又要確保壩體滲流暢通的排向下游。相較于普通的天然建材填筑料，反濾料的設計和施工難度大，技術要求高，如果設計或施工任一環節出現問題，都有可能造成反濾功能的失效，甚至引發嚴重的工程事故。為有效防止反濾層失效情況發生，在施工前進行準確的反濾層級配設計就顯得尤為重要。

2 工程概況

袁灣水庫工程位于淮河一級支流潢河上游光山縣潑陂河鎮和晏河鄉交界處，是一座以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發電、改善生態等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。水庫建成后可使淮河干流王家壩以上圩區的防洪標準由現狀10 年一遇提高到20 年一遇，同時為新縣、光山縣和潢川縣提供城市生活、工業及農業灌溉水源。水庫總庫容2.43 億m3，控制流域面積480 km2設計洪水標準采用100 年一遇，設計水位74.52 m，校核洪水標準采用2000 年一遇，校核水位78.11 m。工程主要由攔河主壩、副壩和水電站等組成，主壩采用“土壩+混凝土壩”的組合壩型，選定的土壩代表壩型為土質防滲體分區壩，總需填筑用防滲土料151 萬m3，壩殼砂料34 萬m3。經勘探，庫周缺乏石料，庫區內管圍孜土料場土料和楊樓砂料場砂礫料距壩址運距較近，儲量豐富，質量滿足設計要求。管圍孜土料場總儲量444.91 萬m3；楊樓砂料場總儲量288.99萬m3，共分為A、B、C三個料區，儲量分別為156.60 萬m3、10.15 萬m3、122.24 萬m3，由于B 料區總儲量偏少，設計壩殼砂用料以A、C區為主。

3 防滲體反濾層設計

防滲體上游緊貼壩坡，與護坡連鎖塊之間設置了200 mm厚中粗砂墊層、200 mm厚2～20 mm碎石層、200 mm厚20～40 mm碎石層。下游側與壩殼砂料間分別設水平寬度3 m 的粗砂反濾層、2 m 寬碎石排水帶和1 m 寬的過渡料層，其底部通過水平排水帶與下游坡貼坡排水相連，共同組成壩體排水系統。防滲土料選用管圍孜土料場重粉質壤土，顆粒分析成果見表1。

表1 料場土料顆分成果表

由土料顆粒分析成果查出被保護土的d15和d85，計算出反濾層的D15以及反濾層的D10和D90等反濾計算評價所需粒徑值。

3.1 反濾料要求

防滲體土料為粘性土，不含大于5 mm顆粒，小于7.50×10-2mm顆粒含量為73.60%，含量范圍為40%～85%，反濾層根據式（1）確定：

3.2 排水要求

反濾層排水要求按式（2）確定：

式中d15：為全料的d15。當4d15＜0.10 mm 時，取D15≥0.10 mm；防滲料d15= 0.50×10-2mm，代入式（2）得4d15= 0.02 mm＜0.10，取D15≥0.10 mm。

調算出反濾層D10（上包線）和D90（下包線）分別為0.09 mm和15 mm，滿足防止分離的反濾料級配要求。

為考察料場砂料是否能直接作為防滲體反濾層，將調算出的防滲體反濾層級配包絡線和料場砂料A區、C區代表樣品料形成的級配包絡線進行對比，見圖1。

圖1 反濾級配包絡線成果和料場砂料級配包絡線對比圖

經與反濾級配包絡線成果對比，料場砂料整體級配不良，C區砂料整體偏粗，不適宜做為反濾料；A區砂料僅少部分顆粒偏細的樣品料滿足反濾料要求，固不推薦直接采用，如考慮將A區料作為反濾料，應進行必要的篩分。

4 壩殼料反濾層設計

河床土壩段下游水位變幅54.00～61.50 m，受下游水位影響，考慮一定的超高，62.00 m 以下壩殼砂料下游需設置反濾料。

4.1 無黏性土級配曲線調整

料場砂料為級配不連續的非黏性土，且含有＞5 mm顆粒，分別選擇A、C區砂料級配包絡線進行級配調整：100除以＜5 mm顆粒的百分比含量得到一調整系數→將粒徑5 mm以下各粒組的百分數乘以調整系數→繪制這些調整后的百分數得到一新的級配曲線→用新的級配曲線確定第4步中所需通過200號篩（7.50×10-2mm）的百分數。

A砂料區樣品4和樣品24為該區砂料級配上、下包線，C砂料區樣品6和樣品9為該區砂料級配上、下包線，按上述步驟分別調整A、C砂料區砂料級配上、下包線，成果見圖2。

圖2 A、C區砂料級配包絡線調整后的級配曲線圖

由調整后的成果可知，各級配曲線粒徑7.50×10-2mm以下含量均為0，確定保護土類型為4類（砂和砂礫石）。

4.2 反濾料要求

計算反濾料的容許D15max，按式（3）確定：

4.3 排水要求

按照反濾排水準則計算D15min，按式（4）確定：

設計反濾層級配不一定具有很寬的粒徑范圍，以免出現間斷級配。調整反濾層的設計粒徑范圍，使反濾料上、下包線不均勻系數不大于6。反濾料帶的寬度應滿足過篩量60%粒料的任一最大與最小粒徑之比不大于5。此外，還應滿足最大、最小粒徑準則：D100max＜75 mm，D15min＞7.50×10-2mm。

設計反濾層級配不一定具有很寬的粒徑范圍，以免出現間斷級配。調整反濾層的設計粒徑范圍，使反濾料上、下包線不均勻系數不大于6。反濾料帶的寬度應滿足過篩量60%粒料的任一最大與最小粒徑之比不大于5。此外，還應滿足最大、最小粒徑準則：D100max＜75 mm，D15min＞7.50×10-2mm。

各代表樣品料計算反濾料級配曲線見圖3，取其內包線（A區樣品24 反濾層下包線、C 區樣品9 反濾層上包線）為反濾料設計級配包絡線。

圖3 各代表樣品料計算反濾料級配曲線與一級配碎石級配曲線對比圖

壩殼砂料反濾層外側為下游護坡，對其應設置過渡墊層予以保護。根據類似工程經驗，通常選用一級配碎石（5～20 mm）作為反濾層的過渡墊層。作為反濾層的過渡墊層亦應滿足濾土排水的設計要求，因此為考察一級配碎石（5～20 mm）是否能直接作為反濾層的過渡墊層，將調算出的反濾層級配包絡線和一級配碎石（5～20 mm）級配包絡線進行對比，一級配碎石選用《建設用卵石、碎石》中要求的級配，成果見圖3。

經對比，一級配碎石（5～20 mm）粗顆粒部分與反濾層相應部分有重疊，細粒部分與反濾層細粒部分級配連續，滿足反濾和排水要求。最終確定的壩殼料反濾排水料按如下層間關系過渡至下游預制塊護坡：200 mm厚5～20 mm碎石過渡層、200 mm厚20～40 mm碎石墊層。

各反濾層料質量要求：使用砂礫石料是未經溶蝕的材料并應耐風化且不易為水所溶解；其顆粒組成必須滿足反濾及排水要求；無塑性。級配：盡量均勻、要求一層的粒組不被帶入另一層粒組的孔隙中去，粒徑小于7.50×10-2mm 的顆粒含量應不超過5%，顆粒堅硬抗凍，其滲透系數大于1.00×10-3cm/s。

填筑要求：以相對密度為設計指標，防滲體和壩殼砂料反濾料均為無黏性土，設計壓實標準為相對密度不小于0.75，上、下游護坡碎石、粗砂墊層設計相對密度不小于0.70。

5 結語

①通過對各被保護土料顆粒篩分試驗成果的分析和處理，提出了各被保護土料的反濾層級配包絡線，為壩體分區和壩料層間關系提供設計支撐。②砂料場天然砂礫料級配不良，離散性較大，通常不適宜直接作為防滲土料反濾層。通過對料場砂料代表樣品料和防滲土料反濾層顆粒級配定量對比，為準確判斷料場砂料不同砂料區是否適宜作為反濾料提供數理依據。③由于庫周缺乏石料，對比分析壩殼砂料反濾料與市場采購一級配碎石的粒徑級配，明確反濾料與下游預制塊護坡之間壩料過渡的層間關系設計，并提出了反濾層填筑與質量要求。