紅石峁水庫(kù)壩基反濾層設(shè)計(jì)淺析

張 雁，雷 慶，崔自力

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018）

1 工程概況

紅石峁水庫(kù)位于紅石峁溝口以上0.8 km。水庫(kù)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(kù)建筑物等四部分組成。大壩采用均質(zhì)土壩壩型，壩頂高程1124.00m，最大壩高46.0m，壩頂長(zhǎng)398.5m，寬5 m。根據(jù)地質(zhì)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(jí)階地下部堆積的礫石層，厚度3.0～6.0 m，相對(duì)密度Dr＝0.7，滲透系數(shù)K＝40m/d，屬?gòu)?qiáng)透水；下部為T(mén)3w砂巖、泥（頁(yè)）巖互層，強(qiáng)風(fēng)化層厚度2.0～4.0m,壩基強(qiáng)～弱風(fēng)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(cè)較淺，右側(cè)較大，基巖面以下45.0m仍透水率q＞5 Lu。

2 反濾層的分類(lèi)

根據(jù)工程實(shí)際情況，反濾層的類(lèi)型可按以下規(guī)定確定（1）均質(zhì)壩的水平排水體和斜墻后的反濾層等，反濾層位于被保護(hù)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(hù)土上部，滲流方向由下向上，屬于Ⅱ型反濾。

反濾層每層內(nèi)的顆粒不能相互產(chǎn)生移動(dòng)，不應(yīng)穿過(guò)顆粒較大一層的孔隙，應(yīng)保證被保護(hù)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(guò)反濾層的孔隙。通常由2~3層無(wú)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(shí)，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(jī)械施工時(shí)，最小厚度應(yīng)根據(jù)施工方法確定。

反濾層的層數(shù)并不是越多越安全，層數(shù)越多表明各層層間關(guān)系較小，顆粒組成較細(xì)，用料的種類(lèi)增多，結(jié)果層厚不能加大，不僅反濾層的造價(jià)提高，而且施工難度大，質(zhì)量不易保證。對(duì)于Ⅰ型反濾，層數(shù)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(mǎn)足反濾要求。如果各層之間的層間系數(shù)選用的較小，則層數(shù)加多，反之，層間系數(shù)選用的較大，則層數(shù)減小。對(duì)于Ⅱ型反濾層，一般一層就可滿(mǎn)足要求，最多不要超過(guò)2層。如果地基是管涌土，第一層反濾一般較細(xì)，反濾層中容易出現(xiàn)剩余水頭，第一層反濾需要第二層反濾保護(hù)，使反濾層中最后無(wú)剩余水頭，一般設(shè)兩層反濾即可，可以保證第二層反濾中不會(huì)出現(xiàn)剩余水頭。

反濾層的設(shè)置應(yīng)符合下列要求（1）質(zhì)地致密，抗水性和風(fēng)化性能滿(mǎn)足工程運(yùn)用條件的要求。要求反濾料的母巖為飽和抗壓強(qiáng)度大于30 MPa的硬巖，軟化系數(shù)高、抗風(fēng)化能力強(qiáng)，以防施工碾壓和運(yùn)用中級(jí)配變化過(guò)大。采用砂礫石料篩分時(shí)，砂礫石中不應(yīng)含有較多的軟弱顆粒；若采用巖石軋制生產(chǎn)反濾料，則應(yīng)選擇新鮮巖石軋制，以免其繼續(xù)風(fēng)化使含泥量增大而影響反濾料的透水性等性能，同時(shí)還應(yīng)控制針、片狀顆粒含量。（2）具有要求的透水性。反濾料一般應(yīng)是自由透水的，要求的滲透系數(shù)k>10-3cm/s。反濾料滲透系數(shù)為被保護(hù)料的10～100倍以上，最好100倍以上。（3）具有連續(xù)的級(jí)配。反濾料一般應(yīng)為連續(xù)級(jí)配料，以提高其滲透穩(wěn)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(guò)5%。

3 壩基反濾層計(jì)算

反濾層的設(shè)計(jì)首先根據(jù)被保護(hù)土層的性質(zhì)及具體要求的粒徑百分比確定適合的公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）當(dāng)被保護(hù)土為無(wú)粘性土：

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

公式（1）是為了保護(hù)被保護(hù)土不會(huì)向反濾層流失，稱(chēng)為保土準(zhǔn)則，公式（2）是為了保證反濾料的透水性，也稱(chēng)為透水準(zhǔn)則。公式同樣適用于選擇第二層、第三層反濾，當(dāng)選擇第二層反濾層時(shí)。應(yīng)以第一層反濾層作為被保護(hù)土；而選擇第三層反濾時(shí)，應(yīng)以第二層反濾作為被保護(hù)土。①對(duì)于不均勻系數(shù)Cu＞8的被保護(hù)土，宜取Cu≤5～8的細(xì)粒部分的d85、d15作為計(jì)算粒徑；對(duì)于級(jí)配不連續(xù)的被保護(hù)土，應(yīng)取級(jí)配曲線(xiàn)平斷以下的細(xì)粒部分的d85、d15作為計(jì)算粒徑。②當(dāng)?shù)谝粚臃礊V層的不均勻系數(shù)Cu＞5～8時(shí)，應(yīng)控制大于5mm顆粒的含量小于60%，選用5mm以下的細(xì)粒部分的D15作為計(jì)算粒徑。

（2）當(dāng)被保護(hù)土為粘性土?xí)r，第一層反濾層的級(jí)配應(yīng)按照下列方法確定：

濾土要求：根據(jù)被保護(hù)土小于0.075mm的顆粒含量的百分?jǐn)?shù)不同，而采用不同的方法。當(dāng)被保護(hù)土含有大于5mm顆粒時(shí)，應(yīng)按照小于5mm顆粒級(jí)配確定小于0.075mm顆粒含量百分?jǐn)?shù)，及按小于5mm顆粒級(jí)配的d85作為計(jì)算粒徑。當(dāng)被保護(hù)土不含大于5 mm顆粒時(shí)，應(yīng)按全料確定小于0.075 mm顆粒含量的百分?jǐn)?shù)，即按全料的d85作為計(jì)算粒徑。

①對(duì)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(dāng)9d85＜0.2mm時(shí)，取D15等于0.2mm。

②對(duì)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(duì)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(yīng)取0.7 mm。滿(mǎn)足排水要求以上三種粘性土還應(yīng)符合公式（6），以滿(mǎn)足排水要求。

式中D15應(yīng)為被保護(hù)粘性土全料的D15，當(dāng)4D15＜0.1 mm時(shí)，應(yīng)取D15不小于0.1mm。

4 紅石峁水庫(kù)反濾層計(jì)算

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

（1）壩體填土反濾層

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）附錄B第B.0.3可知，壩基反濾層位于被保護(hù)土層下部，滲流方向由上向下，屬于Ⅰ型反濾。根據(jù)地質(zhì)報(bào)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(jì)算粒徑d85=0.058mm；d15=0.0077mm，小于0.075mm顆粒含量為100%，不均勻系數(shù)為10.8。

第一層反濾層：根據(jù)濾土準(zhǔn)則，對(duì)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(jù)排水準(zhǔn)則計(jì)算的反濾層最小d15≥4d15=4×0.0077=0.0308 mm，按規(guī)定取最小d15=0.1 mm，計(jì)算的最大d15和最小d15比值為5.22大于5，同時(shí)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(jù)計(jì)算確定的最大及最小d15值，按規(guī)范要求，對(duì)于不均勻系數(shù)Cu＞8的被保護(hù)土，宜取反濾層不均勻系數(shù)Cu≤5～8（取6）計(jì)算其它級(jí)配粒徑見(jiàn)表1。

表1 反濾層級(jí)配粒徑計(jì)算表（第一層） 單位：mm

壩體填土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

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(hù)體（小于0.075mm粒徑含量＜15%，為砂或砂礫石，不均勻系數(shù)為6），按照濾土及排水準(zhǔn)則以D15/d85≤4～5和 D15/D15≥5，并取該層反濾料不均勻系數(shù)為6，計(jì)算該層反濾料級(jí)配粒徑見(jiàn)表2。

表2 反濾層級(jí)配粒徑計(jì)算表（第二層） 單位：mm

（2）壩基砂礫石層滲流出溢處反濾設(shè)計(jì)

反濾設(shè)計(jì)原則：由規(guī)范可知，滲流出溢點(diǎn)處反濾屬于Ⅱ型反濾。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)在大壩截滲槽下游設(shè)置三層反濾層。

反濾層的作用是當(dāng)?shù)鼗蚍罎B體滲流出口的水力比降超過(guò)土體本身的抗?jié)B強(qiáng)度后，防止土體的滲透破壞，因此可以說(shuō)增加反濾層后，提高了土體的抗?jié)B強(qiáng)度。

壩基砂礫石顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

壩體土與壩基土層接觸部位及滲流出逸處經(jīng)判斷不滿(mǎn)足反濾要求時(shí)，均應(yīng)必須設(shè)置反濾層。紅石峁水庫(kù)反濾層根據(jù)被保護(hù)土層的類(lèi)型及地質(zhì)提供的壩體填筑土及基礎(chǔ)砂礫石層的級(jí)配曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算分析，并確定出反濾料級(jí)配范圍及層數(shù)，為壩體反濾層的設(shè)置提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，以保證工程的滲流穩(wěn)定。在具體施工時(shí)，對(duì)于重要的土石壩和高壩計(jì)算出的反濾層數(shù)據(jù)可作為參考依據(jù)，并應(yīng)進(jìn)行反濾試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]關(guān)志誠(chéng)主編.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)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(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社,2006：107.