南水北調(diào)中線總干渠磁縣段膨脹土渠基排水反濾層設(shè)計(jì)探討

□付明軍

南水北調(diào)中線總干渠磁縣段膨脹土渠基排水反濾層設(shè)計(jì)探討

□付明軍

南水北調(diào)中線總干渠磁縣段膨脹土高地下水位渠段采用內(nèi)排或外排方式降低渠外地下水浮托力，根據(jù)反濾料保護(hù)的膨脹土顆分曲線,對(duì)反濾料進(jìn)行設(shè)計(jì)。反濾料作為保護(hù)膨脹土滲流穩(wěn)定的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，除應(yīng)滿足規(guī)范要求的濾水、排水、自身級(jí)配均勻連續(xù)等條件外,還應(yīng)綜合考慮施工設(shè)備等因素影響,以確保工程質(zhì)量。

膨脹土；高地下水位渠段；渠基排水；反濾

反濾結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重要的水工結(jié)構(gòu)，其級(jí)配設(shè)計(jì)是水工設(shè)計(jì)的核心之一，南水北調(diào)中線工程總干渠磁縣段膨脹土分布范圍較廣，大部分為挖方渠段，且地下水位較高，總干渠施工和運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生地基土滲透問題。土體顆粒在滲透力的作用下，容易發(fā)生侵蝕而引起顆粒流失產(chǎn)生滲透破壞。反濾層可充分發(fā)揮濾土和排水的作用，是防止土體滲透破壞的有效措施。濾土能夠防止顆粒流失，保證不發(fā)生管涌、流土等有害的滲透變形，同時(shí)能夠阻止被保護(hù)土顆粒進(jìn)入反濾層，排水能夠使進(jìn)入反濾層的滲透水順利排走，滲透水壓力全部或大部分消失，從而達(dá)到滲透穩(wěn)定的目的。因此，對(duì)于高地下水位的膨脹土渠段，加強(qiáng)反濾層級(jí)配設(shè)計(jì)，是總干渠安全運(yùn)行的重要保障。

1.工程概況

南水北調(diào)中線工程總干渠磁縣段以冀豫交界處的漳河北岸為起點(diǎn)，與中線控制性工程漳河倒虹吸相連接，沿京廣鐵路西側(cè)的太行山東麓自南向北，途經(jīng)海河南系漳衛(wèi)河和子牙河兩大水系中上游地區(qū)，至河北省磁縣、邯鄲縣交界的河北村為終點(diǎn)，線路總長(zhǎng)40.056km，其中膨脹土 （巖）累計(jì)分布長(zhǎng)度14.211km，且大部分為深挖方、高地下水位渠段，渠基排水設(shè)計(jì)是渠道工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。

磁縣段設(shè)計(jì)流量為235m3/s，加大流量265m3/s，渠道為梯形斷面，底寬17.5～25.0m，設(shè)計(jì)水深6.0m，縱坡1／23000～1／26000。渠道反濾排水系統(tǒng)采用粗砂、砂礫石結(jié)合的軟式透水軟管匯集，由逆止閥集中排除。防滲采用600g/m2復(fù)合土工膜和800g/m2復(fù)合土工膜，土工膜下鋪設(shè)擠塑聚苯乙烯保溫板防凍脹層。一般渠段渠道混凝土襯砌厚度渠坡為10cm，渠底為8cm，高填方安全加強(qiáng)措施渠段渠坡、渠底厚度為25cm，強(qiáng)膨脹土及中膨脹土挖深大于15m渠段渠坡、渠底襯砌厚度15cm。渠道襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，抗?jié)B等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F150。

根據(jù)膨脹土渠段的排水設(shè)計(jì)方案，渠坡設(shè)置縱、橫向排水盲溝，盲溝內(nèi)設(shè)置反濾料，渠底布置反濾料墊層，渠外地下水通過反濾料滲入盲溝和反濾料墊層的透水軟管內(nèi)，如果反濾料沒有起到反濾效果，膨脹土顆粒將進(jìn)入反濾料造成於堵，不能有效排水，導(dǎo)致襯砌板在浮托力的作用下破壞。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以反濾料為重點(diǎn)，反濾料應(yīng)滿足濾土、排水、級(jí)配良好等要求，因此對(duì)膨脹土渠段的高地下水位渠段，在選擇排水反濾料時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守反濾準(zhǔn)則，確定合理的反濾級(jí)配，保證起到濾土、排水等效果。

2.膨脹土顆分試驗(yàn)

反濾層設(shè)計(jì)的核心是保證被保護(hù)土在滲流作用下不發(fā)生滲透變形破壞，膨脹土渠基地下水滲流的被保護(hù)土為膨脹土，要保證膨脹土的滲流穩(wěn)定，首先必須了解膨脹土的顆粒粒徑分布情況，這樣才能針對(duì)膨脹土的粒徑，按照反濾準(zhǔn)則，確定反濾料的級(jí)配。

該渠段膨脹土主要分布在樁號(hào)10+650—13+410、17+370—19+200、21+520—22+700、27+150—28+873、30+765—40+056，選擇這5段中具有代表性的膨脹土，進(jìn)行顆分試驗(yàn)。顆分試驗(yàn)成果見表1，顆分曲線見圖1。

3.反濾層設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù) 《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)和典型渠段膨脹土代表試樣的顆分試驗(yàn)，對(duì)排水反濾料進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用規(guī)范中介紹的謝拉德1989方法。

3.1 反濾層應(yīng)滿足濾土要求

依據(jù)典型渠段的膨脹土顆分試驗(yàn)成果，膨脹土土料小于0.075mm顆粒

表1 典型渠段的膨脹土顆分試驗(yàn)成果表

圖1 典型渠段的膨脹土顆分曲線

式中：

D10—反濾料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的10%；

D60—反濾料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的60%。

根據(jù)規(guī)范，反濾料最大粒徑D100＜75mm,最小粒徑D5=0.075mm，反濾料最小D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.083mm,據(jù)此，最大D90=20mm。

3.4 繪制包絡(luò)圖

根據(jù)上述成果繪制反濾料級(jí)配設(shè)計(jì)包絡(luò)圖。見圖2。含量大于85%,反濾層按下式確定：

D15≤9d85

式中：

D15—反濾料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的15%；

d85—被保護(hù)土的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的85%。

根據(jù)顆粒大小分配曲線可知，d85=0.05mm,則D15≤9×0.05=0.45mm。

3.2 反濾層應(yīng)滿足排水要求

反濾層需符合下式要求：

D15≥4d15,且D15≥0.1mm

式中：

d15—黏土料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的15%。

根據(jù)黏土料顆粒大小分配曲線可知,d15=0.004mm,取D15≥0.1mm，因此設(shè)計(jì)取最大 D15=0.45mm,最小 D15= 0.1mm，最大D15與最小D15比值為4.5,小于5.0,可避免反濾料出現(xiàn)間斷級(jí)配。

3.3 其他要求

防止采用間斷級(jí)配的反濾料：設(shè)計(jì)反濾料應(yīng)滿足過篩率為60%粒料中任一粒徑的最大值與最小值的比率不大于5。

反濾料級(jí)配范圍：不均勻系數(shù)小于等于6。

主要計(jì)算內(nèi)容如下：

最大 D10=最大 D15/1.2=0.45/1.2= 0.375mm；

最大 D60=6×最大 D10=6×0.375= 2.25mm；

最小 D60=最大 D60/5.0=2.25/5= 0.45mm；

4.結(jié)論

一是反濾層級(jí)配設(shè)計(jì)是反濾設(shè)計(jì)的核心，是防止土體滲透破壞的有效措施。膨脹土渠坡的穩(wěn)定與水密切相關(guān),選擇合理的排水措施和反濾料，可以保證渠坡的穩(wěn)定。二是根據(jù)被保護(hù)土（膨脹土）的性質(zhì)和顆粒組成，采用恰當(dāng)?shù)姆礊V準(zhǔn)則，是反濾層設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵，反濾設(shè)計(jì)要保證土體不發(fā)生滲透變形和滲透水通暢排出。三是反濾層設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿足濾水、排水要求,其自身還應(yīng)滿足級(jí)配連續(xù)均勻的要求。四是南水北調(diào)中線總干渠磁縣段高地下水位膨脹土渠段設(shè)計(jì)最關(guān)鍵部位為渠基排水反濾料設(shè)計(jì)。五是反濾層設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到被保護(hù)土體的滲透穩(wěn)定性，關(guān)系到總干渠邊坡的穩(wěn)定和安全，同時(shí)也要嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，使反濾層發(fā)揮預(yù)期效果。

圖2 反濾料級(jí)配設(shè)計(jì)包絡(luò)圖

2017-02-08

付明軍，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，正高級(jí)工程師。