砂礫石反濾料級配設(shè)計研究

史 良

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001)

1 概述

反濾層被認(rèn)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(yùn)行中至關(guān)重要。長期以來,反濾層設(shè)計一直使用太沙基反濾準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則只能計算出反濾料的 D15,由于通過一個點(diǎn)可得到無數(shù)條顆粒級配曲線,早期反濾設(shè)計要求反濾料級配曲線應(yīng)與被保護(hù)土料的級配曲線形狀大致相同,而現(xiàn)在研究與實(shí)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(shè)計為例,依據(jù)適用性更廣的謝拉德反濾準(zhǔn)則,從被保護(hù)土料級配分析、反濾料的特征粒徑和反濾層的分區(qū),以及防分離等方面進(jìn)行探討,初步求出反濾料的級配包線,并對工程區(qū)豐富的細(xì)沙、粉細(xì)沙反濾性能進(jìn)行分析。最后通過試驗(yàn)對計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 反濾層的分區(qū)

王圪堵水庫樞紐工程攔河壩為均質(zhì)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(xì)砂厚 8～13 m,左岸岸坡風(fēng)積、沖湖積砂厚 90m左右,屬強(qiáng)透水層,設(shè)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(shè)水平網(wǎng)狀排水體,壩后設(shè)堆石排水棱體。水平網(wǎng)狀排水體由礫石堆筑而成擬設(shè)兩層反濾,第一層為混合砂厚300mm,第二層為細(xì)礫層厚 200mm;排水棱體由塊石堆筑而成擬設(shè)三層反濾第一層為混合砂厚 300 mm,第二層為細(xì)礫層厚 200mm,第三層為土工織物(400 g/m2),土工織物下設(shè)200mm厚細(xì)礫石墊層。大壩上游迎水面為混凝土塊護(hù)坡設(shè)排水孔。

大壩下游排水體反濾為滲水出口,由水庫補(bǔ)給,水源充沛,為關(guān)鍵部位,必須保證反濾質(zhì)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(yuǎn)比下游好,為非關(guān)鍵部位,反濾設(shè)計可適當(dāng)放寬。

3 被保護(hù)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(jìn)行級配整理。

根據(jù)《王圪堵水庫初步設(shè)計地勘報告》試驗(yàn)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(hù)土料曲線特征值

根據(jù)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(jìn)行被保護(hù)土分類,被保護(hù)土小于 200號篩(0.075 mm)粒徑 ＞85%屬 1類。

4 細(xì)砂、粉細(xì)砂級配分析

根據(jù)《王圪堵水庫初步設(shè)計地勘報告》試驗(yàn)成果及顆粒分析,壩基及左壩肩細(xì)砂、粉細(xì)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(jìn)行被保護(hù)土分類,被保護(hù)土小于 200號篩(0.075 mm)粒徑 40% ～85%屬 2類。

5 反濾料級配設(shè)計

根據(jù)被保護(hù)土料級配特征,按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001所列的謝拉德反濾設(shè)計方法進(jìn)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(diào)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(diào)整,使該值不大于 5。

被保護(hù)土顆粒非常細(xì)且反濾處于重要功能區(qū),以最小的D15為控制點(diǎn),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(diǎn) 1,最小 D15作為控制點(diǎn) 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(diǎn)作為控制點(diǎn) 3

最小 D60=最大D60/5=2.502/5=0.5mm,此點(diǎn)作為控制點(diǎn)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(diǎn) 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(jù)防分離準(zhǔn)則,由最小 D10=0.083 mm＜0.5確定最大 D90=20mm,此點(diǎn)作為控制點(diǎn) 7。

5.7 反濾料上下包線的確定

將以上控制點(diǎn)繪制于大壩填筑土料顆粒級配曲線圖上,連接控制點(diǎn) 4、2和 5確定反濾料的上包線,連接控制點(diǎn) 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(shè)計成果。反濾料上下包線見圖 1。

6 細(xì)砂,粉細(xì)砂反濾能力分析

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

由圖 1可以看出細(xì)砂、粉細(xì)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(shù) 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(jié)省投資首先考慮當(dāng)?shù)夭牧系膽?yīng)用,工程區(qū)細(xì)砂儲量豐富,平均滲透系數(shù) 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(jīng)上面分析細(xì)砂粒徑偏小,且級配不良不能直接作為反濾料應(yīng)用?？紤]摻入適量粗砂對其級配進(jìn)行改良,經(jīng)反復(fù)試配,當(dāng)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(qū)細(xì)砂、粉細(xì)砂作為關(guān)鍵區(qū)反濾料利用價值不大。

7 反濾料設(shè)計

7.1 壩體迎水面反濾設(shè)計

壩體迎水面為混凝土塊護(hù)坡,并設(shè)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(guān)鍵部位,在排水孔局部滿足反濾要求時,工程區(qū)細(xì)砂可以作為混凝土護(hù)坡墊層應(yīng)用。

7.2 壩體與水平排水體反濾設(shè)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(shè)反濾層。

1)第一層反濾設(shè)計

第一層反濾被保護(hù)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(shè)計

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

7.3 壩后排水棱體反濾設(shè)計

a)第一層反濾設(shè)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(shè)計

第二層反濾層以上述第一層反濾層為保護(hù)土體,排水棱體為塊石堆筑,設(shè)計 d15=80mm,d85=500mm。取第一層反濾料 d15=0.40mm,d85=5 mm。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》條文說明表 8被保護(hù)土小于 200號篩(0.075 mm)粒徑＜15%,屬 4類。經(jīng)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(qū)反濾設(shè)計

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

9 試驗(yàn)驗(yàn)證

水利部西北水利科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)中心對計算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果：(1)1#反濾料(第一層)承擔(dān)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(zhǔn)則,能很好的保護(hù)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(xì)包線滿足反濾排水準(zhǔn)則,粗包線顆粒偏大,1#反濾料有流入 2#反濾層的現(xiàn)象,保土性略差。建議對 2#反濾料(第二層)下包線進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后 2#反濾料(第二層)下包線見圖 3。

圖3 調(diào)整后第 2層反濾料下包線圖

10 結(jié)論

(1)反濾料設(shè)計首先需對被保護(hù)土料的性質(zhì)進(jìn)行分析,必要時需要對級配進(jìn)行調(diào)整,消除寬級配內(nèi)部不穩(wěn)定,調(diào)整的方法可以按謝拉德提出的級配整理方法進(jìn)行。

(2)經(jīng)過對被保護(hù)土料的級配進(jìn)行整理后,謝拉德準(zhǔn)則比太沙基準(zhǔn)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(shè)計應(yīng)根據(jù)反濾料的不同位置進(jìn)行分區(qū),關(guān)鍵區(qū)域嚴(yán)格按反濾準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計,非關(guān)鍵區(qū)域可以適當(dāng)放寬要求,選擇反濾料時首先應(yīng)考慮當(dāng)?shù)夭牧系膽?yīng)用以節(jié)約投資。

(4)對于重要工程應(yīng)對計算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]孫勝利,李治明,王新奇.砂礫石反濾料級配的實(shí)用設(shè)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(shè)計規(guī)范.

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