土石壩壩體反濾料特征粒徑計算與包線設(shè)計

賀新華，蔡勇平，蔡曉鴻

（1.江西省蓮花縣水利局，江西 蓮花，337100；2.江西省吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西 吉安，343000；3.江西省吉安市水利局，江西 吉安，343000）

0 引言

土石壩是孔隙介質(zhì)土的碾壓堆積體。土石壩擋水后，在上下游水位差的作用下，庫水將在壩體土與壩基土中流動，形成土石壩滲流，并由此產(chǎn)生土石壩的滲流穩(wěn)定問題。理論分析與工程原型觀測均揭示，土石壩壩體與壩基的滲流破壞都始于滲流出口，然后逐步向上游發(fā)展。迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)先從內(nèi)部發(fā)生滲透破壞，然后向上游發(fā)展的工程實例。對均質(zhì)土壩，滲流破壞往往始于下游壩坡、壩基出逸段或浸沒段。對設(shè)有土質(zhì)防滲體的土石壩，滲流破壞則往往始于滲流水穿過防滲體進入強透水體的所謂內(nèi)部出口部位，如黏土斜墻、黏土心墻與反濾層接觸部位。此外，壩體土與壩基透水覆蓋接觸區(qū)、壩體土與巖基中斷層破碎帶、裂隙密集帶接觸區(qū)，也是滲流破壞易發(fā)高發(fā)部位[1]。由此可見，采用可靠反濾層保護滲流出口與不同土層的接觸滲流部位，保障壩體細粒土不被帶出反濾層，是防止?jié)B流破壞、保證土石壩滲流安全的關(guān)鍵性工程措施。

筆者探究了就土石壩反濾層功能，反濾層設(shè)置部位，反濾料特征粒徑計算推求，反濾料包線初擬及調(diào)整、校驗等涉及反濾層設(shè)計關(guān)鍵問題，供參考。

1 反濾層的功能

土石壩反濾層的功能是濾土排水，要求反濾層既能防止壩體或壩基的被保護土隨滲流水析出，又能保證滲流水順暢排出，使壩體、壩基內(nèi)的滲流水能量得以釋放，達到排水減壓效果，保證土石壩的滲流安全。

眾所周知，土石壩壩體、壩基的滲流控制設(shè)計理念與工程措施是“上堵下排”，即采用上游防滲與下游排滲相結(jié)合的工程設(shè)施進行綜合防治。壩體與壩基防滲體的功能，一是延長滲徑，減小滲流流速和滲流壓力，承擔(dān)較高的滲流水頭，削減過防滲體后的滲流位勢，防止壩體、壩基產(chǎn)生危害工程安全運行的滲流沖蝕破壞。二是攔截滲流水量，避免出現(xiàn)影響工程效益正常發(fā)揮的滲漏量損失。但眾多土石壩防滲工程實踐表明，僅靠防滲措施以求完全截斷壩體滲流，保障土石壩滲流安全，往往是不可能的，也是不經(jīng)濟的，甚至是不科學(xué)的。特別是在土石壩兩壩端與岸坡接觸部位、壩體與其他穿壩建筑物連接部位，防滲體的連續(xù)性往往難以實現(xiàn)，使防滲體的封閉整體性遭受破壞，而上述壩體防滲結(jié)構(gòu)薄弱部位將成為潛在的滲流通道。因此，在土石壩采取防滲措施的同時，應(yīng)設(shè)置壩體排水體，保護滲流出口[2]。

土石壩壩體排水反濾設(shè)施的設(shè)計功能要求既能阻止壩體與壩基中細粒土隨滲流水析出，又能順暢排除上游壩體內(nèi)滲流水，且當(dāng)壩體或防滲體存有局部缺陷，甚至存在貫穿性裂縫時，能在反濾層的保護下，隨著細粒土沿滲漏通道的逐漸沉積、固結(jié)，使防滲體存在的缺陷及裂縫漸趨淤塞，甚至修復(fù)自愈。

綜上可見，設(shè)計合理、性能良好的反濾層是保證土石壩滲流安全的重要設(shè)施。因此，設(shè)計人員應(yīng)精心設(shè)計土石壩各部位的反濾層，避免設(shè)計的盲目性，甚或虛設(shè)誤導(dǎo)。

2 反濾層設(shè)置部位

理論分析與工程運行觀測表明，土石壩反濾層設(shè)置部位為存在潛在滲透變形部位，如土質(zhì)防滲體與壩殼、壩基透水層之間及下游滲流出逸處，土質(zhì)防滲體與壩下涵管接觸部位下游管段，下游壩殼與壩基底部、兩岸坡透水層及巖基中發(fā)育的斷層破碎帶、裂隙密集帶接觸區(qū)等。

3 反濾層設(shè)計

3.1 被保護土料顆粒級配取用[1]

反濾層設(shè)計中，被保護土料顆粒級配是重要基礎(chǔ)資料，通常按以下方法取用確定：

（1）對最大粒徑小于5 mm的被保護土，取用被保護土的原始顆粒級配。

（2）對含有大于5 mm顆粒的連續(xù)級配被保護土，宜取粒徑小于等于5 mm的顆粒級配。

（3）對含有大于5 mm顆粒的被保護土，若小于等于5 mm部分顆粒級配為不連續(xù)級配，宜選取“臺階”起點粒徑以下部分的顆粒級配。

3.2 反濾料特征粒徑計算與級配包線設(shè)計

現(xiàn)行SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》推薦采用謝拉德反濾設(shè)計準(zhǔn)則，給出了依據(jù)被保護土顆粒級配初步擬定反濾料級配包線的基本原則，但未能完整提出反濾料包線各特征粒徑的計算方法，未全面給出反濾料級配上、下包線調(diào)整確定應(yīng)滿足的定量與定性設(shè)計要求，致使反濾料級配包線設(shè)計在相當(dāng)程度上依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗，有一定盲目性和較大不確定性。

SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，分別按濾土要求與排水要求，給出反濾料下包線特征粒徑D15max與上包線特征粒徑D15min的計算公式及取值，如表1所示。

表1 反濾料下包線特征粒徑D15max、上包線特征粒徑D15min計算公式及取值[1]Table 1 Calculation formula and values of the characteristic particle size D15max at the lower envelope line of filter material and the characteristic particle size D15min at the upper envelope line of filter material

據(jù)表1計算確定的特征粒徑D15max和D15min，可初步擬定反濾層下包線與上包線之間的帶寬：

為避免反濾料出現(xiàn)間斷級配，現(xiàn)行SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》在標(biāo)準(zhǔn)條文中明確規(guī)定，反濾料顆粒級配帶寬按上、下包線相同粒徑的含量百分數(shù)差值不宜大于35%校驗。

眾所周知，繪制一條曲線至少需要3個點，確定反濾料上、下包線也是如此。給出的包線上特征粒徑點愈多，點繪的包線將愈精確。反濾料顆粒級配包線特征粒徑取值，除應(yīng)滿足表1給出的濾土排水要求外，還應(yīng)符合以下定量與定性規(guī)定：

（1）反濾料應(yīng)不具黏性，不出現(xiàn)裂縫[3]。

（2）反濾料應(yīng)防止分離，防止分離的特征粒徑適配關(guān)系見表2。

表2 防止分離的下包線D90max和上包線D10min粒徑關(guān)系Table 2 Particle size of the D90max at the lower envelope line and the D10min at the upper envelope line to prevent separation

（3）反濾料應(yīng)為連續(xù)級配，不均勻系數(shù)Cu≤6，以滿足鋪筑壓實標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）反濾料在壩體內(nèi)傳遞應(yīng)力，其強度應(yīng)堅硬致密，具抗水抗風(fēng)化性能。

（5）反濾料應(yīng)使裂縫防滲體中細粒土不沿裂縫隨滲流水流失，并能逐漸淤塞裂縫。

于是，據(jù)反濾料不具黏性，可得反濾層上包線特征粒徑D5min≤0.075 mm。進而，據(jù)帶寬α，可推求得下包線特征粒徑D5max=αD5min。

另據(jù)防止反濾層分離準(zhǔn)則，對黏土類被保護土，有D10min≤0.5 mm，從而據(jù)表2，可查得D90max≤20 mm。又據(jù)SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》有關(guān)條款規(guī)定，下包線最大粒徑D100max≤50 mm。

再據(jù)反濾料為連續(xù)級配，便可由D15max線性外推 ，求 算 特 征 粒 徑D10max。 為 此 ，令另，據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，β=1.2~1.5。

求算出下包線特征粒徑D10max后，則由反濾料不均勻系數(shù)可得特征粒徑D60max≤6D10max。

此外，依據(jù)以上求算的反濾料下包線特征粒徑D10max、D60max、D90max與上包線特征值D5min，按初步計算擬定的上、下包線帶寬α，便可推求得：

綜上，據(jù)所得反濾料下包線特征粒徑D5max、D10max、D15max、D60max、D90max和反濾料上包線特征粒徑D5min、D10min、D15min、D60min、D90min，可分別點繪出反濾層的下包線和上包線，并將其順延至D100max、D100min，便得反濾料下包線和上包線的雛形。

為使所推求繪制的反濾料上、下包線及擬定的設(shè)計級配曲線更合理，尚需按以下設(shè)計要求對其做進一步定形修正、校驗、調(diào)整。

首先，為防止反濾料級配范圍較寬，出現(xiàn)間斷級配的反濾料，應(yīng)按相同粒徑的含量百分數(shù)差值不宜大于35%的原則，對基本確定的反濾層上、下包線雛形的帶寬進行修正。其次，應(yīng)據(jù)具體工程反濾層設(shè)計的功能側(cè)重，對反濾料設(shè)計級配曲線做進一步適配調(diào)整。如以濾土為主，則先確定下包線，按反濾料級配曲線更接近上包線特征粒徑D15min進行擬合；如以排水為主，則先確定上包線，按反濾料級配曲線更接近下包線特征粒徑D15max進行擬合。此外，考慮到土石壩防滲體存在裂縫是常見病害，難以絕對避免，為使防滲體裂縫在反濾層保護下可逐漸被淤塞，據(jù)有關(guān)滲流試驗[2]，反濾層反濾料特征粒徑D15與裂縫防滲體的抗?jié)B強度J間應(yīng)滿足關(guān)系式：

式中：Gs為防滲體土粒比重；WL為防滲體的液限含水率。

土工試驗中，防滲體的土粒比重、液限含水率均是較易測定且相對穩(wěn)定的物理性質(zhì)指標(biāo)。因此，采用式（6）校驗裂縫防滲體是會進一步惡化，還是在反濾層保護下得到控制且逐漸淤堵修復(fù)，具有工程實用價值。

再者，鑒于土石壩防滲體的功能重要性，大型水利工程或重要中型水利工程土石壩的反濾層設(shè)計還應(yīng)通過滲透破壞試驗，論證壩體各部位反濾排水體的型式取用、工程布置、反濾料級配及反濾層層厚擬定的合理性。

4 工程算例

某水庫大壩為黏土心墻土石壩，心墻填筑土料顆粒組成見表3。

表3 大壩黏土心墻填筑土料顆分表Table 3 Composition and grading of filling materialof the clay core wall

鑒于黏土料場含有大于5 mm顆粒，選取粒徑不大于5 mm部分的黏土料顆粒級配進行反濾設(shè)計，相應(yīng)顆粒級配見表4。

表4 黏土料場不大于5 mm部分顆粒級配Table 4 Grading of the grains smaller than 5 mm from the clay yard

表5 黏土心墻反濾料包線特征粒徑Table 5 Characteristic particle size at the envelope line of filter materialof the clay core wall

下面驗算反濾層實際填筑反濾料特征粒徑D15=0.25 mm對裂縫防滲體的修復(fù)功能。據(jù)土工試驗，黏土心墻土粒比重Gs=2.75，土體液限含水率WL=0.204，裂縫防滲體的抗?jié)B強度J=45。據(jù)式（6）計算得最大反濾料特征粒徑D15max=0.56 mm，而實際填筑的黏土心墻反濾料特征粒徑D15=0.25 mm小于D15max=0.4 mm，滿足心墻裂縫后的反濾要求。

5 結(jié)語

依據(jù)被保護土顆粒級配，介紹反濾料包線特征粒徑的計算推求方法及相關(guān)反濾層設(shè)計要求，給出了裂縫防滲體在反濾層保護下，裂縫漸行淤塞修復(fù)的特征粒徑控制條件，有效提高了反濾層設(shè)計合理性，使防滲體進一步規(guī)避潛在的滲透破壞風(fēng)險。