南水北调中线总干渠磁县段膨胀土渠基排水反滤层设计探讨

□付明军

南水北调中线总干渠磁县段膨胀土渠基排水反滤层设计探讨

□付明军

南水北调中线总干渠磁县段膨胀土高地下水位渠段采用内排或外排方式降低渠外地下水浮托力，根据反滤料保护的膨胀土颗分曲线,对反滤料进行设计。反滤料作为保护膨胀土渗流稳定的一个重要环节，除应满足规范要求的滤水、排水、自身级配均匀连续等条件外,还应综合考虑施工设备等因素影响,以确保工程质量。

膨胀土；高地下水位渠段；渠基排水；反滤

反滤结构是一项重要的水工结构，其级配设计是水工设计的核心之一，南水北调中线工程总干渠磁县段膨胀土分布范围较广，大部分为挖方渠段，且地下水位较高，总干渠施工和运行过程中会发生地基土渗透问题。土体颗粒在渗透力的作用下，容易发生侵蚀而引起颗粒流失产生渗透破坏。反滤层可充分发挥滤土和排水的作用，是防止土体渗透破坏的有效措施。滤土能够防止颗粒流失，保证不发生管涌、流土等有害的渗透变形，同时能够阻止被保护土颗粒进入反滤层，排水能够使进入反滤层的渗透水顺利排走，渗透水压力全部或大部分消失，从而达到渗透稳定的目的。因此，对于高地下水位的膨胀土渠段，加强反滤层级配设计，是总干渠安全运行的重要保障。

1.工程概况

南水北调中线工程总干渠磁县段以冀豫交界处的漳河北岸为起点，与中线控制性工程漳河倒虹吸相连接，沿京广铁路西侧的太行山东麓自南向北，途经海河南系漳卫河和子牙河两大水系中上游地区，至河北省磁县、邯郸县交界的河北村为终点，线路总长40.056km，其中膨胀土 （岩）累计分布长度14.211km，且大部分为深挖方、高地下水位渠段，渠基排水设计是渠道工程设计的关键和核心。

磁县段设计流量为235m3/s，加大流量265m3/s，渠道为梯形断面，底宽17.5～25.0m，设计水深6.0m，纵坡1／23000～1／26000。渠道反滤排水系统采用粗砂、砂砾石结合的软式透水软管汇集，由逆止阀集中排除。防渗采用600g/m2复合土工膜和800g/m2复合土工膜，土工膜下铺设挤塑聚苯乙烯保温板防冻胀层。一般渠段渠道混凝土衬砌厚度渠坡为10cm，渠底为8cm，高填方安全加强措施渠段渠坡、渠底厚度为25cm，强膨胀土及中膨胀土挖深大于15m渠段渠坡、渠底衬砌厚度15cm。渠道衬砌混凝土强度等级C20，抗渗等级W6，抗冻等级F150。

根据膨胀土渠段的排水设计方案，渠坡设置纵、横向排水盲沟，盲沟内设置反滤料，渠底布置反滤料垫层，渠外地下水通过反滤料渗入盲沟和反滤料垫层的透水软管内，如果反滤料没有起到反滤效果，膨胀土颗粒将进入反滤料造成於堵，不能有效排水，导致衬砌板在浮托力的作用下破坏。排水系统的设计以反滤料为重点，反滤料应满足滤土、排水、级配良好等要求，因此对膨胀土渠段的高地下水位渠段，在选择排水反滤料时，应严格遵守反滤准则，确定合理的反滤级配，保证起到滤土、排水等效果。

2.膨胀土颗分试验

反滤层设计的核心是保证被保护土在渗流作用下不发生渗透变形破坏，膨胀土渠基地下水渗流的被保护土为膨胀土，要保证膨胀土的渗流稳定，首先必须了解膨胀土的颗粒粒径分布情况，这样才能针对膨胀土的粒径，按照反滤准则，确定反滤料的级配。

该渠段膨胀土主要分布在桩号10+650—13+410、17+370—19+200、21+520—22+700、27+150—28+873、30+765—40+056，选择这5段中具有代表性的膨胀土，进行颗分试验。颗分试验成果见表1，颗分曲线见图1。

3.反滤层设计计算

根据 《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)和典型渠段膨胀土代表试样的颗分试验，对排水反滤料进行设计，设计采用规范中介绍的谢拉德1989方法。

3.1 反滤层应满足滤土要求

依据典型渠段的膨胀土颗分试验成果，膨胀土土料小于0.075mm颗粒

表1 典型渠段的膨胀土颗分试验成果表

图1 典型渠段的膨胀土颗分曲线

式中：

D10—反滤料的粒径,小于该粒径的土重占总土重的10%；

D60—反滤料的粒径,小于该粒径的土重占总土重的60%。

根据规范，反滤料最大粒径D100＜75mm,最小粒径D5=0.075mm，反滤料最小D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.083mm,据此，最大D90=20mm。

3.4 绘制包络图

根据上述成果绘制反滤料级配设计包络图。见图2。含量大于85%,反滤层按下式确定：

D15≤9d85

式中：

D15—反滤料的粒径,小于该粒径的土重占总土重的15%；

d85—被保护土的粒径,小于该粒径的土重占总土重的85%。

根据颗粒大小分配曲线可知，d85=0.05mm,则D15≤9×0.05=0.45mm。

3.2 反滤层应满足排水要求

反滤层需符合下式要求：

D15≥4d15,且D15≥0.1mm

式中：

d15—黏土料的粒径,小于该粒径的土重占总土重的15%。

根据黏土料颗粒大小分配曲线可知,d15=0.004mm,取D15≥0.1mm，因此设计取最大 D15=0.45mm,最小 D15= 0.1mm，最大D15与最小D15比值为4.5,小于5.0,可避免反滤料出现间断级配。

3.3 其他要求

防止采用间断级配的反滤料：设计反滤料应满足过筛率为60%粒料中任一粒径的最大值与最小值的比率不大于5。

反滤料级配范围：不均匀系数小于等于6。

主要计算内容如下：

最大 D10=最大 D15/1.2=0.45/1.2= 0.375mm；

最大 D60=6×最大 D10=6×0.375= 2.25mm；

最小 D60=最大 D60/5.0=2.25/5= 0.45mm；

4.结论

一是反滤层级配设计是反滤设计的核心，是防止土体渗透破坏的有效措施。膨胀土渠坡的稳定与水密切相关,选择合理的排水措施和反滤料，可以保证渠坡的稳定。二是根据被保护土（膨胀土）的性质和颗粒组成，采用恰当的反滤准则，是反滤层设计经济合理的关键，反滤设计要保证土体不发生渗透变形和渗透水通畅排出。三是反滤层设计不仅应满足滤水、排水要求,其自身还应满足级配连续均匀的要求。四是南水北调中线总干渠磁县段高地下水位膨胀土渠段设计最关键部位为渠基排水反滤料设计。五是反滤层设计质量关系到被保护土体的渗透稳定性，关系到总干渠边坡的稳定和安全，同时也要严把施工质量关，使反滤层发挥预期效果。

图2 反滤料级配设计包络图

2017-02-08

付明军，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，正高级工程师。