袁灣水庫工程土壩段反濾層設(shè)計

曹捷

（河南省水利勘測設(shè)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(shè)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(yīng)具有濾土和排水的雙重功能，承擔(dān)著“防”和“排”的重要任務(wù)，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(shè)計和施工難度大，技術(shù)要求高，如果設(shè)計或施工任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能造成反濾功能的失效，甚至引發(fā)嚴(yán)重的工程事故。為有效防止反濾層失效情況發(fā)生，在施工前進行準(zhǔn)確的反濾層級配設(shè)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(zhèn)和晏河鄉(xiāng)交界處，是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電、改善生態(tài)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(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)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(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉水源。水庫總庫容2.43 億m3，控制流域面積480 km2設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 年一遇，設(shè)計水位74.52 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)防滲體分區(qū)壩，總需填筑用防滲土料151 萬m3，壩殼砂料34 萬m3。經(jīng)勘探，庫周缺乏石料，庫區(qū)內(nèi)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(zhì)量滿足設(shè)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(qū)，儲量分別為156.60 萬m3、10.15 萬m3、122.24 萬m3，由于B 料區(qū)總儲量偏少，設(shè)計壩殼砂用料以A、C區(qū)為主。

3 防滲體反濾層設(shè)計

防滲體上游緊貼壩坡，與護坡連鎖塊之間設(shè)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(cè)與壩殼砂料間分別設(shè)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(tǒng)。防滲土料選用管圍孜土料場重粉質(zhì)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(jù)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(dāng)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(diào)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(diào)算出的防滲體反濾層級配包絡(luò)線和料場砂料A區(qū)、C區(qū)代表樣品料形成的級配包絡(luò)線進行對比，見圖1。

圖1 反濾級配包絡(luò)線成果和料場砂料級配包絡(luò)線對比圖

經(jīng)與反濾級配包絡(luò)線成果對比，料場砂料整體級配不良，C區(qū)砂料整體偏粗，不適宜做為反濾料；A區(qū)砂料僅少部分顆粒偏細(xì)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(qū)料作為反濾料，應(yīng)進行必要的篩分。

4 壩殼料反濾層設(shè)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(shè)置反濾料。

4.1 無黏性土級配曲線調(diào)整

料場砂料為級配不連續(xù)的非黏性土，且含有＞5 mm顆粒，分別選擇A、C區(qū)砂料級配包絡(luò)線進行級配調(diào)整：100除以＜5 mm顆粒的百分比含量得到一調(diào)整系數(shù)→將粒徑5 mm以下各粒組的百分?jǐn)?shù)乘以調(diào)整系數(shù)→繪制這些調(diào)整后的百分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)。

A砂料區(qū)樣品4和樣品24為該區(qū)砂料級配上、下包線，C砂料區(qū)樣品6和樣品9為該區(qū)砂料級配上、下包線，按上述步驟分別調(diào)整A、C砂料區(qū)砂料級配上、下包線，成果見圖2。

圖2 A、C區(qū)砂料級配包絡(luò)線調(diào)整后的級配曲線圖

由調(diào)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(zhǔn)則計算D15min，按式（4）確定：

設(shè)計反濾層級配不一定具有很寬的粒徑范圍，以免出現(xiàn)間斷級配。調(diào)整反濾層的設(shè)計粒徑范圍，使反濾料上、下包線不均勻系數(shù)不大于6。反濾料帶的寬度應(yīng)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(yīng)滿足最大、最小粒徑準(zhǔn)則：D100max＜75 mm，D15min＞7.50×10-2mm。

設(shè)計反濾層級配不一定具有很寬的粒徑范圍，以免出現(xiàn)間斷級配。調(diào)整反濾層的設(shè)計粒徑范圍，使反濾料上、下包線不均勻系數(shù)不大于6。反濾料帶的寬度應(yīng)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(yīng)滿足最大、最小粒徑準(zhǔn)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(nèi)包線（A區(qū)樣品24 反濾層下包線、C 區(qū)樣品9 反濾層上包線）為反濾料設(shè)計級配包絡(luò)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(cè)為下游護坡，對其應(yīng)設(shè)置過渡墊層予以保護。根據(jù)類似工程經(jīng)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(yīng)滿足濾土排水的設(shè)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(diào)算出的反濾層級配包絡(luò)線和一級配碎石（5～20 mm）級配包絡(luò)線進行對比，一級配碎石選用《建設(shè)用卵石、碎石》中要求的級配，成果見圖3。

經(jīng)對比，一級配碎石（5～20 mm）粗顆粒部分與反濾層相應(yīng)部分有重疊，細(xì)粒部分與反濾層細(xì)粒部分級配連續(xù)，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(guān)系過渡至下游預(yù)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(zhì)量要求：使用砂礫石料是未經(jīng)溶蝕的材料并應(yīng)耐風(fēng)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(yīng)不超過5%，顆粒堅硬抗凍，其滲透系數(shù)大于1.00×10-3cm/s。

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

5 結(jié)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(luò)線，為壩體分區(qū)和壩料層間關(guān)系提供設(shè)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(zhǔn)確判斷料場砂料不同砂料區(qū)是否適宜作為反濾料提供數(shù)理依據(jù)。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(yù)制塊護坡之間壩料過渡的層間關(guān)系設(shè)計，并提出了反濾層填筑與質(zhì)量要求。