喀麦隆曼维莱水电站土石坝心墙反滤设计

刘玉玺 张忠辉 李 哲 吴昊潼

喀麦隆曼维莱水电站土石坝心墙反滤设计

刘玉玺 张忠辉 李 哲 吴昊潼

反滤料的设计在心墙坝的设计中占有很重要的位置，是心墙坝设计的关键，反滤准则在国内外得到广泛应用。以喀麦隆曼维莱水电站工程为例，采用美国陆军工程师团的设计规范，叙述了反滤料的设计过程和设计步骤，为其他工程的反滤设计提供参考。

土石坝 心墙 反滤料

1 工程概况

曼维莱水电站工程位于喀麦隆南部大区恩特姆省境内，拦河坝位于恩特姆河上，工程总库容为1.3亿 m3，电站总装机容量为211 MW。首部枢纽主要由拦河坝、主溢洪道、泄洪冲沙闸、辅助溢洪道及渠道进水口等建筑物组成。拦河坝为黏土心墙土坝，全长1 257 m，最大坝高28.3 m。二道坝为黏土心墙坝，最大坝高约24 m。

黏土心墙坝坝顶宽10.0 m，坝顶高程395.0 m，坝壳用基坑开挖料或者料场开采料填筑，基岩面上的黏土心墙下部设截渗槽。上游坝坡为1∶2，下游坝坡为1∶1.8。在坝轴线上游侧设置黏土心墙，心墙顶高程394.0 m，顶部宽度5.0 m，心墙上下游坡比均为1∶0.5，心墙上、下游侧与坝壳料之间均设置反滤层和过渡层。在心墙防渗体土料与堆石料之间均设置反滤层及排水层。

2 反滤料的作用及要求

坝体上、下游坝壳堆石料与防渗料渗透系数相差较大，为防止在材料分界面发生渗透破坏，在心墙防渗体与上下游砂砾石层之间设两层反滤层。

反滤层的设计包括选定颗粒级配、层数、厚度，并满足以下要求：被保护料不会流失，并不被细粒土淤堵；有足够透水性，使渗流顺畅排泄；控制含泥量不超过5%；当黏土心墙产生裂缝导致集中渗流时，能防止黏土粒流失。

选取质地致密、抗水性和抗风化性能满足工程运用条件要求的材料作为反滤料，可利用天然或经过筛选的砂砾石料，也可采用块石砾石轧制或天然和轧制的掺合料，要求级配连续，反滤料的渗透率大于受保护土壤的渗透率。粒径小于0.075 mm的颗粒含量应不超过5%。反滤层的填筑标准：相对密度为0.7。

3 反滤料料场资料

反滤料主要来自于B1料场，B1料场共采取9组原状土样进行相关试验分析。从试验结果看，B1土料场有用层以黏土或粉质黏土为主，颗粒级配不均一，颗粒组成主要是黏粒和小砾石，二者含量的平均值超过70%，而砂粒和粉粒的含量则很低。

根据勘察试验数据，B1土料场共有9组土样，每组土样的颗粒组成累积百分比如表1。

表1 B区土料颗粒组成累积百分比 %

4 被保护土(心墙料)的分类

这里的被保护土指的就是填筑心墙的土料，对于土料中不含有大于5 mm颗粒的情况，可以直接对被保护土进行分类。

B1料场的黏土总共有9组试验样品，其中8组含有大于5 mm的颗粒，对含有大于5 mm粒径的土样进行以下调整：

(1)用100除以小于5 mm颗粒的百分含量，得到一个调整系数。

(2)将粒径5 mm以下各粒组的百分数乘以调整系数。

(3)绘制调整后的百分数得到新的级配曲线。

(4)按照新的曲线，进行被保护土的分类。

土料调整后的土料颗粒组成累积百分比见表2，土样颗粒平均值曲线见图1。

表2 调整后的土料颗粒组成累积百分比 %

图1 土样颗粒平均值曲线

根据粒径0.075 mm以下含量的百分数为标准，按照表3对被保护土进行分类。

根据表2，土料中小于0.075 mm的颗粒含量平均百分比为79%，因此，根据规范规定，3个土样的土料均属于2类土。

表3 被保护土分类表 %

5 反滤设计准则

5.1 滤土准则

根据美国陆军工程师团规范EM-1110-2-1901.D-4，为了被保护土不被流失，根据被保护土小于0.075 mm的颗粒含量的百分数不同，采用不同的方法，这就是保护土的反滤准则，即滤土准则，见表4。

表4 反滤准则(滤土)

根据表4，曼维莱水电站工程的料场土料属于2类土，因此，可以确定反滤料的D15max≤0.7 mm。如果被保护土为d15=0.03～0.1 mm的细粒土，一般取D15max≤0.5 mm。在进行心墙反滤设计时，对于心墙下游反滤层以外的反滤料，D15max是可以适当调整的。

5.2 排水准则

反滤层的作用是滤土排水，因此，反滤料还需要满足排水准则：

对于任何被保护土，反滤料的D15min都需要满足：D15min≥4d15。

为保证渗透性，一般情况下，D15min=(3～5)d15max，且不小于0.1 mm。

从B1料场的土样颗粒曲线看，d15<0.005 mm，因此，反滤料的D15min=(3～5)d15=0.015～0.025 mm，所以D15min≥0.1 mm。

5.3 其他反滤设计准则

反滤料的设计级配上、下包线带宽须相对地窄，以防采用间断级配的反滤料，这可以通过调整确定的反滤料D15max、D15min来实现，以使过筛率为60%粒料中的任一粒径最大与最小值的比率不大于5，反滤料的级配范围应满足不均匀系数小于等于6。

6 反滤料级配曲线的绘制

在完成了对被保护土的颗粒分析之后，要进行反滤料的级配曲线的绘制，可以按照以下几个步骤，通过确定的控制点，来绘制反滤料的级配曲线。

6.1 确定D15max和D15min

(1)若为保证反滤层的排水功能，应以V15max确定反滤料带的设计。以D15max为控制点，D15min=D15max/5，确定D15min，分别作为控制点1，2。

(2)对于非常细的被保护土或反滤处于最重要的功能区(如心墙)，应以D15min确定反滤范围，D15max=5D15min，确定D15max，分别作为控制点1、2。

(3)在确定D15max和D15min时，最重要的是确定D15max和D15min的合适粒径范围，以便于从人工料场得到标准级配或从施工现场附近的天然料场选出设计范围内的级配。最终确定的D15max和D15min，应与料场材料相符，并确保其比率不大于5。

从勘察资料看，B1料场的材料细粒含量多，反滤层处于黏土心墙和坝壳料之间，是坝体最重要的功能区，因此按照上述原则(2)确定：

D15min≥0.1 mm，D15max=5D15min=0.5 mm。把D15max和D15min分别作为控制点1和控制点2。

6.2 确定D60max及D60min

设计的反滤层级配不一定具有很宽的粒径范围，为了避免出现间断级配，应调整反滤层的设计粒径范围，使反滤层上下包线不均匀系数η≤6。反滤料带的宽度还应满足过筛量60%粒料的任一最大与最小粒径之比小于等于5。

初始设计反滤层的不均匀系数η值为6，如果需要，最终设计时反滤料级配曲线可调整得陡一些，即η值可小于6，只要其滤土性和渗透性满足要求即可。

为了确定D60max及D60min，先计算D10max：D10max=D15max/1.2(1.2 的系数由假定η=6，D15与D10的连线坡度确定的)。

计算得D10max=0.5/1.2=0.42 mm；

D60max=6D10max，=2.5 mm作为控制点3；

D60min=D60max/5=0.5 mm作为控制点4。

6.3 D5min和D100max的确定

对于反滤料的颗粒粒径，应该有个最大粒径和最小粒径的限制，对于所有被保护土，最小粒径应满足D5min=0.075 mm，最大粒径应满足D100max<75 mm，因此，可以把D5min=0.075 mm，D100max=75 mm作为控制点5、控制点6。

6.4 D90max的确定

宽级配的反滤料在铺筑中产生分离现象，如果分离严重，反滤料将失去保护被保护土的功能。为减小施工中的分离，要防止反滤料分离，控制反滤料的D90max和D10min。用D10min=D15min/1.2=0.1/1.2=0.083 mm，作为初始的D10min，用表5确定D90max=20 mm，作为控制点7。

表5 防止反滤料分离的准则 mm

注：被保护土类别为所有类别的土。

6.5 级配曲线的绘制

连接控制点5、2、4，确定反滤料的上包线，连接控制点1、3、7、6，确定反滤料的下包线。将上包线延伸到100%，即为所求反滤料的初步级配曲线。见图2。

7 排水层的设计

排水层不但要保护反滤层，还要满足排水要求。排水层位于心墙反滤料的外侧，排水材料可以采用质地致密、抗水性和抗风化性能好的材料，要求级配连续，透水性好，必须有足够的排水能力。

7.1 被保护土分类

按照被保护土分类原则，反滤料作为被保护土应该属于4类土——砂和砂砾石。

图2 反滤料级配上、下包线

7.2 排水准则

根据排水准则(滤土)，一般要求D15max≤5d85min，D15min≥5d15max。可从图4中查出d85min=1.1 mm，d15max=0.5 mm，故D15max≤5×1.1=5.5 mm，D15min≥5×0.5=2.5 mm。

反滤料为4类土，对于排水层，以排水功能考虑其级配。则有：

D15max≤5d85min=5.5 mm

D15min≥D15max/5=1.1 mm

以D15max和D15min作为排水层级配曲线的控制点1、2。

7.3 不均匀系数的要求

同样，为了不出现间断级配，上下包线的不均匀系数η≤6。反滤料带的宽度还应满足过筛量60%粒料的任一最大与最小粒径之比小于等于5。

因此：D10max≤D15max/1.2=4.6 mm，D60max≤5D10max=23 mm；

D60min≥D60max/5=4.6 mm；

以D60max、D60min作为反滤料II级配曲线控制点3、4。

7.4 绘制排水层材料级配曲线

连接控制点1，3，确定反滤料的下包线，连接控制点2、4，确定反滤料的上包线。将上下包线延伸到100%，即为所求反滤料的初步级配曲线，见图3。

图3 排水层材料上、下包线

8 结 语

本文反滤料的级配设计只能从总体上提出最需要的反滤特性，只是按照反滤准则，结合被保护土的情况进行的一系列计算，可以作为最终确定反滤料级配的依据，一般还要根据现场情况，经反滤试验验证后最终选定反滤料的级配。反滤料的来源可以是天然的材料，也可以采用机械加工的材料。

根据设计规范，对被保护土(黏土心墙)料进行颗粒分析，得出反滤料的上下包线，并把反滤料作为被保护土，得出排水层的上下包线。反滤料的设计主要依据土样的试验资料得出，现场反滤料的级配设计还应根据现场级配试验进行调整。

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1007-6980(2017)03-0046-04

刘玉玺 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

张忠辉 男 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

李 哲 男 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

吴昊潼 女 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

2017-07-06)