土石坝7A 细反滤料级配优化设计分析

叶连奇 罗红琦

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730; 2.河南省郑州水利学校，河南 郑州 450008)

1 概述

苏丹罗赛雷斯大坝始建于20世纪60年代，修建此工程的目的旨在拦蓄青尼罗河之水以灌溉罗赛雷斯与苏丹首都喀土穆之间的大片土地，并通过坝后式电站生产电力。

罗赛雷斯大坝加高工程坐落在青尼罗河上，位于苏丹首都喀土穆东南550 km处的青尼罗州首府达马津市。大坝加高完成后，大坝整体将抬高10 m，坝体全长将从目前的13.5 km增加至25.1 km，水库总库容也将从目前的34亿m3增加到74亿m3。同时，大坝加高完工后，不仅罗赛雷斯大坝项目本身的水电站发电能力将增加40%，而且随着上游水库的蓄水量增加和水位调节，罗赛雷斯下游水电站的发电量也将随之增加。这项工程的建设对苏丹中东部灌区农业的发展起到极大的推进作用，为苏丹经济的腾飞打下坚实的基础。

苏丹罗赛雷斯大坝主要建筑物由左、右岸土石坝以及中部混凝土坝段构成，是一项主要用于发电和灌溉的控制性枢纽工程。现有大坝全长13.5 km，大坝加高完工后，全长增加至25.1 km，其中左、右岸土石坝全长占24.1 km。根据设计要求，在土石坝的基础部位水平排水系统内设置7A细反滤料，总设计方量约为72万m3。按照技术规范的规定，该细反滤料将利用人工反滤料系统进行破碎，筛分和冲洗进行加工制备，毛料全部来自于青尼罗河河道的天然沉积沙砾石料。

2 设计优化的背景

根据咨询工程师的原始设计中对于7A细反滤料级配包络线的要求，7A细反滤料中1 mm～5 mm组分的含量至少要达到35%。结合业主提供的原始勘探资料，承包商在进场后对青尼罗河天然沙砾石料场进行了一系列的补充勘探和验证勘探，勘探结果表明天然沙砾石料中1 mm～5 mm组分的含量最大仅为8%。随后，承包商在反滤料生产系统具备运行条件后进行了生产性试验，生产性试验表明，经过破碎、筛分和冲洗后制备而成的人工细反滤料中1 mm～5 mm组分的含量也仅为21.5%左右。正因为如此，导致反滤料生产系统制备出的细反滤料无法满足设计要求。与此同时，为了制备合格的细反滤料，承包商不得不对天然沙砾石料进行选择性开采，由此也导致反滤料生产系统的生产效率极低，即使在满负荷双班运行条件下月生产强度也仅达到1.5 万 m3左右。

然而根据土石坝施工进度要求，7A细反滤料的月生产强度需达到5万m3左右方能满足工期要求，鉴于反滤料生产系统的月生产能力仅1.5万m3，故此远不能满足施工进度的需要。为解决7A细反滤料的生产问题，承包商组织了专题研究，并最终结合与7A细反滤料成反滤关系的2A料级配的实际情况对7A细反滤料进行了设计优化。

3 7A细反滤料与其互为反滤的2A反滤料(天然净沙)的设计级配情况

7A细反滤料与其互为反滤的2A反滤料的设计级配见图1。

图1 工程师提供的2A和7A级配包络线

4 我方经过设计优化后建议的7A细反滤料级配包络线

经过设计优化后建议的7A细反滤料级配包络线见图2。

图2 建议的7A料级配包络线

5 设计优化的背景7A细反滤料优化设计计算依据

参照美国陆军工程兵团规范(U.S.Army Corps of Engineers)1110-2-1901，并结合本大坝加高工程项目的设计进行分析，7A细反滤料作为2A料(天然净沙)的反滤料，确定其级配需要通过已有的2A料级配来进行计算。

计算公式:

d10——在过筛率为10%时被保护的2A反滤料粗料限制的

粒径;

d15——在过筛率为15%时被保护的2A反滤料粗料限制的

粒径;

d30——在过筛率为30%时被保护的2A反滤料粗料限制的

粒径;

d60——在过筛率为60%时被保护的2A反滤料粗料限制的

粒径;

粒径;

Ce——2A 料曲率系数;

Cu——2A反滤料不均匀率系数。

通过式(1)结合2A料级配曲线，计算出过筛率为15%时反滤料7A细反滤料的粒径d15;通过式(2)和式(3)结合2A料级配曲线可计算出2A料曲率系数Ce和2A料不均匀率系数Cu。

原则上，7A细反滤料的不均匀系数和曲率系数与2A料不均匀系数和曲率系数一致时是设计最优情况，为此进行7A细反滤料级配设计计算时，认为7A细反滤料的不均匀系数和曲率系数就是2A料不均匀系数和曲率系数。

由于7A细反滤料的不均匀系数和曲率系数与2A料一致，为此可通过2A料d15与d10，d0和d85以及d100之间的关系，推算出过筛率为10%时反滤料7A细反滤料的粒径d10，d0和d85以及d100，继而通过式(2)和式(3)推算出过筛率为30%时反滤料7A细反滤料的粒径d30和过筛率为60%时反滤料7A细反滤料的粒径d60。

最后制作出反滤料7A细反滤料粗料的级配限制曲线。

6 7A细反滤料优化设计计算过程

如图1所示，查询2A料的细料级配曲线可知:

d0为过筛率为0%时被保护的2A反滤料粗料限制的粒径为0.16 mm;d10为过筛率为10%时被保护的2A反滤料粗料限制的粒径为0.3 mm;d15为过筛率为15%时被保护的2A反滤料粗料限制的粒径为0.38 mm;d30为过筛率为30%时被保护的2A反滤料粗料限制的粒径为0.6 mm;d60为过筛率为60%时被保护的2A反滤料粗料限制的粒径为1.7 mm;为过筛率为85%时被保护的2A反滤料细料限制的粒径为0.63 mm;d85为过筛率为85%时被保护的2A反滤料粗料限制的粒径为3.5 mm。

根据式(1)计算可知:

根据式(2)计算可知:

根据式(3)计算可知:

即 Dc10=2.49 mm。

将咨询工程师给定的2A料级配曲线和7A细反滤料级配曲线，以及上述计算出的7A细反滤料粗料限制粒径绘制成的曲线汇总至一张表格内，如图2所示。

上述优化设计的依据和计算过程即是承包商上报的第一版设计优化建议的理论基础。在与咨询工程师进行多次沟通之后，达成共识的是:将式(1)修改为(按照更为严谨的设计标准)，且必须以2A料的勘探实验资料为基础。据此，承包商最终更新了7A细反滤料的级配包络线并提交咨询工程师，最终获得了咨询工程师的有条件批准。

获得咨询工程师的带条件批准之后，承包商立即进行了大规模的生产性试验，通过对生产性试验进行取样和测试分析结果来看，制备出的材料满足质量要求，可以用于大坝大规模施工生产需要。

7 结语

7A细反滤料的级配包络线设计优化获得咨询工程师认可是因为该优化基于合理的利用了通用设计规范。对于海外施工项目而言，欧洲的监理咨询工程师对于承包商提交的设计优化均多少程度上抱有质疑的态度，要说服咨询工程师必须有理论基础支持。就7A细反滤料的级配包络线设计优化而言，咨询工程师刚开始确实持有不信任态度，但经过多次的沟通和讨论，咨询工程师才最终给予认可，带条件同意了承包商的设计优化建议。

目前，尽管国内水电施工行业的施工、技术及设计规范均已趋于完善，然而，对于中国水电海外施工项目仍未达到与国际接轨的情况下，要得到欧洲咨询工程师的认可，必须要学习和应用他们所熟知的技术设计规范。本项目设计优化的成功实施，希望能为从事海外项目技术工作的水电同仁提供一个解决现场问题的思路。