穆家溝水庫大壩黏土心墻反濾料級配設(shè)計與思考

□馮光春 譚建龍

土石壩填筑料為散粒體材料，在不同的填筑料層間以及滲流出口位置，容易發(fā)生滲透破壞，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，由于滲透（特別是反濾層的設(shè)計不合理）破壞引起的土石壩失事，已占土石壩失事總數(shù)的近一半。

按規(guī)范要求，在心墻土石壩中，一般都需要在心墻兩側(cè)設(shè)置反濾料。上游側(cè)反濾料主要在水位降落時，起保護防滲體不受沖蝕的作用，承受的水力坡降較小，下游側(cè)反濾料長期起保護防滲體不受沖蝕的作用，承受的水力坡降較大，因此需要重點設(shè)計。

反濾層的材料一般為砂或者砂礫石，主要有濾土和排水兩個功能。濾土，保證被保護的土料不被水流帶走；排水，保證水流能快速的流出，不至于產(chǎn)生過大的滲透壓力。同時，反濾料還要求有比較好的可施工性，即施工時不能出現(xiàn)粗細分離現(xiàn)象。

工程按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)要求對黏土心墻反濾料級配進行設(shè)計，蓄水鑒定時按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274—2020）進行計算，說明新舊標準對反濾料級配的異同，并復(fù)核工程建設(shè)實際級配是否滿足新版要求。

1.工程概況

穆家溝水庫位于四川省眉山市東坡區(qū)崇禮鎮(zhèn)柏楊村鯽江河支流穆家溝上，穆家溝屬于岷江左岸二級支溝，鯽江河右岸一級支溝，距眉山市約9 km，距成都市約83 km。水庫大壩采用黏土心墻石渣壩，壩頂軸線長575 m，壩頂高程448 m，最大壩高35 m，壩頂寬10 m。

壩體上游在438 m 處設(shè)置一級馬道，馬道寬2.5 m，馬道以上邊坡為1∶2.5，以下為1∶3.0。壩體下游在高程438 m 處一級馬道，馬道寬2 m，在高程428 m 處設(shè)棱體排水平臺，棱體內(nèi)側(cè)坡比為1∶1，外側(cè)坡比為1∶1.8。在下游壩殼高程424 m~423 m 之間設(shè)置厚度為1m 的卵礫石反濾層，423 m~420 m 之間設(shè)置厚度為3 m 厚的卵礫石排水帶。壩體上游壩坡采用預(yù)制混凝土塊護坡，下游壩坡采用框格梁植草護坡。壩體填筑料從上游至下游依次分為上游壩殼石渣料區(qū)、上游反濾過渡料區(qū)、黏土防滲心墻、下游反濾過渡料區(qū)、下游壩殼石渣料區(qū)、下游壩殼底部排水帶及排水棱體。穆家溝水庫大壩壩體分區(qū)圖見圖1。

圖1 穆家溝水庫大壩壩體分區(qū)圖

2.反濾料級配設(shè)計

2.1 黏土心墻料

根據(jù)初步設(shè)計報告，本項目黏土料料場為喬家院土料場，位于富牛鎮(zhèn)喬家院子，華宇眉山2017(M)-19 號地塊建設(shè)用地，無需征地，面積0.13 km2（195 畝）。距壩平距4.5 km～5.0 km，運距6.5 km～7.5 km，有公路相通，交通便利。該料場采運條件較好。

料場為一級階地的臺地，局部為緩坡，地形較開闊，高程為435 m～441m，組成物質(zhì)為第四系更新統(tǒng)冰水堆積層，下伏基巖為白堊系灌口組砂泥巖互層地層。局部為素填土。據(jù)勘探揭示冰水堆積層分為2 層：上部為粉質(zhì)黏土層，褐黃色，硬塑～可塑狀，偶夾礫石，平均厚度為2.2 m～3.5 m，有用層儲量12.4×104m3；下部為卵礫石土，該層土以卵礫石為主，土含量少，為無用層。淺表部為人工回填素填土和含植物根系的耕植土，平均厚度1.8 m～2.2 m，為無用層，無用層體積8.6×104m3。剝采比為1∶1.4。

根據(jù)土工試驗報告，代表性黏土心墻料顆粒級配組成見表1，根據(jù)表1 作出心墻料（被保護土）顆粒級配曲線見圖2。

表1 黏土心墻料顆粒級配組成

圖2 黏土心墻料顆粒級配曲線

2.2 反濾料

選用李家河壩砂礫石料場的骨料作為反濾料，該料場位于東坡區(qū)岷江二橋上游1.4 km 處河心灘上，與大壩有公路相連，運距約10 km。料場順河長度570 m，寬度100 m～170 m，平面面積0.08 km2，地面高程410 m～415 m，高于河水面0 m～5 m?？碧浇沂?，上覆剝離層為含植物根系的砂礫石層，平均厚度0.5 m；有用層為砂礫石，平均厚度4.2 m（其中水上2.2 m，水下2 m，未揭穿）。計算得水上儲量為17.75 萬m3，水下為15.82 萬m3，總計33.57 萬m3,儲量滿足設(shè)計要求。

按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251-2015)反濾料的質(zhì)量技術(shù)指標要求，李家河壩砂礫石料場作為反濾層料，從含泥量、不均勻系數(shù)等參數(shù)看，均能滿足要求。

2.3 反濾料級配設(shè)計

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）附錄B，當被保護土為粘性土時，其第一層反濾層的級配按謝拉德1989年方法，優(yōu)點為：一是對被保護土的分類簡單明了，涵蓋所有類土；二是設(shè)計步驟明確，可直接求出反濾料級配。

因本項目被保護土不含大于5 mm 顆粒，故按全料確定小于0.075 mm 顆粒含量的百分數(shù)。對于d85，則統(tǒng)一按全料的d85作為計算粒徑。查圖2 可知，計算粒徑d85為0.05 mm，d15為0.0015 mm。

第一，濾土要求確定最大D15max。

根據(jù)被保護土小于0.075 mm 顆粒含量的百分數(shù)不同，而采用不同的方法。根據(jù)表1 可知，被保護土（心墻黏土）小于0.075 mm 顆粒含量的百分數(shù)為92%，大于85%，其反濾層可按下式確定：

式中：

D15max——反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；

d85——被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%；

當9d85＜0.2 mm 時，取D15等于0.2 mm。則D15≤9×0.05=0.45 mm>0.2 mm。故取D15max=0.45 mm。

第二，排水要求確定最小D15min。

式中：

d15——被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；

當4d15＜0.1 mm 時，應(yīng)取D15不小于0.1 mm，則D15≥4×0.0015=0.006 mm＜0.1 mm，故取D15min=0.1 mm。

第三，調(diào)整最大或最小D15。

最大D15max取0.45 mm，最小D15min取0.1 mm，D15max/D15min=4.5，故無需調(diào)整最大或最小D15。如其比值大于5，則根據(jù)其排水或者濾土的重要性調(diào)整最大或最小D15，使最終取得最大D15max和最小D15min的比值不大于5。

第四，確定D10及D60。

依據(jù)初始設(shè)計反濾層的不均勻系數(shù)為6。最大D10max等于最大的D15max除以1.2（1.2 的系數(shù)是假定不均勻系數(shù)為6，D15與D10連線的坡度確定的），即

D10max=D15max/1.2=0.45/1.2=0.375mm

同理，可得最小D10min等于最小D15min除以1.2，即

D10min=D15min/1.2=0.1/1.2=0.083mm

由最大D10max值乘以6 計算得到最大的D60max，即

D60max=D10max×6=0.375×6=2.25mm

最大D60max除以5 確定反濾層帶細料的最小D60min粒徑，即

D60min=D60max/5=2.25/5=0.45mm

第五，根據(jù)最大最小準則確定D100max及D5min。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001 條文說明表12 可知，最大D100max＜75mm，最小D5min為0.075 mm。本工程取D100max=50 mm。

第六，根據(jù)防止施工分離的原則確定D90max。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）表B.0.6 可知，最小D10min=0.083 mm＜0.5 mm 時，最大D90max為20 mm。

根據(jù)第四步確定最小D60min的辦法，可得最小D90min=D90max/5=4 mm。

根據(jù)上述步驟，求得的反濾料級配曲線如表2。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，畫出反濾料的級配包絡(luò)曲線如圖3。

表2 反濾料顆粒級配組成

圖3 反濾料設(shè)計級配包絡(luò)線（按SL274-2001 設(shè)計）

3.按新版規(guī)范計算級配

在穆家溝水庫下閘蓄水驗收時，已實施SL274—2020，新版規(guī)范反濾層設(shè)計與2001 版略有不同。主要是合并了反濾層設(shè)計，不再區(qū)分黏性土與無黏性土，全部采用謝拉德準則設(shè)計反濾料。同時提高了部分反濾料的要求，比如對于排水時要求最小D15min≥5d85，而2001 版規(guī)范大于等于4d85，同時對于反濾層的級配曲線寬度的確定，新規(guī)范要求“上、下包線的相同粒徑的含量百分數(shù)差值不宜大于35%。以濾土為主的反濾層宜先確定下包線，以排水為主的反濾層宜先確定上包線”，而2001 版規(guī)范為“設(shè)計反濾料應(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”。要求級配曲線范圍變窄了，進一步防止采用間斷級配。

現(xiàn)根據(jù)新規(guī)范的要求進行計算，反濾料級配曲線與SL274-2001 不同，主要表現(xiàn)在級配曲線寬度。本工程反濾料設(shè)計以濾土為主，根據(jù)上述確定的下包線（粗限），調(diào)整上包線（細限）。

調(diào)整最小D15min為0.15 mm，最小D60min由0.45 mm 調(diào)整為0.75 mm，最小D5min由0.075 mm 調(diào)整為0.1 mm。調(diào)整后的級配曲線如圖4。

圖4 反濾料設(shè)計級配包絡(luò)曲線（按2020 版規(guī)范設(shè)計）

4.施工實測級配曲線與新版規(guī)范計算成果對比

通過業(yè)主收集到了其委托的第三方檢測單位測得的5 次反濾料級配曲線成果，其粒徑組成見表3。

表3 粒徑組成以及小于某粒徑的百分比含量（%）

將按SL274-2020 計算的級配曲線及收集到的5 次實測成果放在同一顆分曲線圖上進行對比，如圖5?？梢妰H第1次成果中小于0.1 mm 含量略超設(shè)計的上包線，大部分實測級配曲線落在設(shè)計包絡(luò)線內(nèi)，可認為實際級配曲線也能基本滿足SL274-2020 計算的要求。

圖5 填筑實測級配曲線與SL274-2020 計算級配曲線對比圖

5.結(jié)論與建議

根據(jù)規(guī)范要求，以穆家溝水庫工程反濾料設(shè)計為例，詳細介紹了反濾料級配曲線的設(shè)計步驟，同時根據(jù)新舊兩版規(guī)范的要求計算了級配曲線，并通過填筑實測的級配曲線與SL274-2020 計算的級配包絡(luò)線做對比，可知實測級配曲線基本能滿足新版規(guī)范的要求。

反濾料中設(shè)計以D15為重要的特征粒徑，說明該粒徑對反濾層設(shè)計非常重要，應(yīng)充分重視該參數(shù)的選擇。

反濾料應(yīng)滿足濾土、排水、級配連續(xù)、防止施工分離等準則，具體設(shè)計時，因以項目重點確定上（下）包線后，再調(diào)整下（上）包線，以確保設(shè)計的反濾料級配連續(xù)。

本項目因壩高不大，心墻料承受的水頭較小，設(shè)計時未經(jīng)滲流試驗驗證，但從目前運行情況看，在正常蓄水位時，大壩滲流量僅為1L/s，且水流非常清澈，未見滲透破壞現(xiàn)象，說明該水庫的反濾料設(shè)計較為成功。對于高壩大庫，建議通過滲流試驗驗證反濾料設(shè)計的合理性。