红石峁水库坝基反滤层设计浅析

张 雁，雷 庆，崔自力

（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018）

1 工程概况

红石峁水库位于红石峁沟口以上0.8 km。水库是一座以供水为主，兼顾拦沙、防洪等综合利用的Ⅲ等中型水利工程。枢纽主要由大坝、泄洪洞、输水建筑物、充库建筑物等四部分组成。大坝采用均质土坝坝型，坝顶高程1124.00m，最大坝高46.0m，坝顶长398.5m，宽5 m。根据地质资料，坝基河床及两岸覆盖层厚度较大，且均为第四系松散堆积。河床、漫滩和一级阶地下部堆积的砾石层，厚度3.0～6.0 m，相对密度Dr＝0.7，渗透系数K＝40m/d，属强透水；下部为T3w砂岩、泥（页）岩互层，强风化层厚度2.0～4.0m,坝基强～弱风化岩体透水率q=0.38～8.42 Lu，弱透水。岩体透水率q≥5 Lu的透水层河床左侧较浅，右侧较大，基岩面以下45.0m仍透水率q＞5 Lu。

2 反滤层的分类

根据工程实际情况，反滤层的类型可按以下规定确定（1）均质坝的水平排水体和斜墙后的反滤层等，反滤层位于被保护土下部，渗流方向由上向下，属于Ⅰ型反滤。（2）位于坝基渗流出逸处和排水沟下边的反滤层等，反滤层位于被保护土上部，渗流方向由下向上，属于Ⅱ型反滤。

反滤层每层内的颗粒不能相互产生移动，不应穿过颗粒较大一层的孔隙，应保证被保护土层的颗粒不能随渗水被带走，不能被堵塞，即允许被渗水带走的颗粒能自由通过反滤层的孔隙。通常由2~3层无粘性土做成，沿渗流方向各层的颗粒粒径逐渐加大。反滤层通常人工施工时，水平反滤层的最小厚度可采用0.3m，竖直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5 m，机械施工时，最小厚度应根据施工方法确定。

反滤层的层数并不是越多越安全，层数越多表明各层层间关系较小，颗粒组成较细，用料的种类增多，结果层厚不能加大，不仅反滤层的造价提高，而且施工难度大，质量不易保证。对于Ⅰ型反滤，层数决定于下部排水体的粒径大小，最后一层反滤与排水体之间同样要满足反滤要求。如果各层之间的层间系数选用的较小，则层数加多，反之，层间系数选用的较大，则层数减小。对于Ⅱ型反滤层，一般一层就可满足要求，最多不要超过2层。如果地基是管涌土，第一层反滤一般较细，反滤层中容易出现剩余水头，第一层反滤需要第二层反滤保护，使反滤层中最后无剩余水头，一般设两层反滤即可，可以保证第二层反滤中不会出现剩余水头。

反滤层的设置应符合下列要求（1）质地致密，抗水性和风化性能满足工程运用条件的要求。要求反滤料的母岩为饱和抗压强度大于30 MPa的硬岩，软化系数高、抗风化能力强，以防施工碾压和运用中级配变化过大。采用砂砾石料筛分时，砂砾石中不应含有较多的软弱颗粒；若采用岩石轧制生产反滤料，则应选择新鲜岩石轧制，以免其继续风化使含泥量增大而影响反滤料的透水性等性能，同时还应控制针、片状颗粒含量。（2）具有要求的透水性。反滤料一般应是自由透水的，要求的渗透系数k>10-3cm/s。反滤料渗透系数为被保护料的10～100倍以上，最好100倍以上。（3）具有连续的级配。反滤料一般应为连续级配料，以提高其渗透稳定性。（4）反滤料和排水体料粒径小于0.075mm的颗粒含量不超过5%。

3 坝基反滤层计算

反滤层的设计首先根据被保护土层的性质及具体要求的粒径百分比确定适合的公式进行计算。

（1）当被保护土为无粘性土：

无黏性土指粘粒含量（粒径小于0.005,mm）不大于3%、塑性指数不大于3、颗粒间不具有粘结力的土、则按照下列公式计算：

公式（1）是为了保护被保护土不会向反滤层流失，称为保土准则，公式（2）是为了保证反滤料的透水性，也称为透水准则。公式同样适用于选择第二层、第三层反滤，当选择第二层反滤层时。应以第一层反滤层作为被保护土；而选择第三层反滤时，应以第二层反滤作为被保护土。①对于不均匀系数Cu＞8的被保护土，宜取Cu≤5～8的细粒部分的d85、d15作为计算粒径；对于级配不连续的被保护土，应取级配曲线平断以下的细粒部分的d85、d15作为计算粒径。②当第一层反滤层的不均匀系数Cu＞5～8时，应控制大于5mm颗粒的含量小于60%，选用5mm以下的细粒部分的D15作为计算粒径。

（2）当被保护土为粘性土时，第一层反滤层的级配应按照下列方法确定：

滤土要求：根据被保护土小于0.075mm的颗粒含量的百分数不同，而采用不同的方法。当被保护土含有大于5mm颗粒时，应按照小于5mm颗粒级配确定小于0.075mm颗粒含量百分数，及按小于5mm颗粒级配的d85作为计算粒径。当被保护土不含大于5 mm颗粒时，应按全料确定小于0.075 mm颗粒含量的百分数，即按全料的d85作为计算粒径。

①对于小于0.075mm颗粒含量大于85%的土，其反滤层可按公式（3）确定：

当9d85＜0.2mm时，取D15等于0.2mm。

②对于小于0.075mm颗粒含量为40%～85%的土，其反滤层可按公式（4）确定：

③对于小于0.075mm颗粒含量为15%～39%的土，其反滤层可按公式（5）确定：

A为小于0.075 mm的颗粒含量，%若公式5中4d85＜0.7 mm，应取0.7 mm。满足排水要求以上三种粘性土还应符合公式（6），以满足排水要求。

式中D15应为被保护粘性土全料的D15，当4D15＜0.1 mm时，应取D15不小于0.1mm。

4 红石峁水库反滤层计算

因红石峁水库坝基砂砾石层与坝体填筑土层之间不满足反滤要求，则在坝基与砂砾石接触部位设置反滤层。

（1）坝体填土反滤层

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录B第B.0.3可知，坝基反滤层位于被保护土层下部，渗流方向由上向下，属于Ⅰ型反滤。根据地质报告可知，坝体填筑土料粘粒含量11.1%～11.3%。大坝填筑土料为低液限粘土，计算粒径d85=0.058mm；d15=0.0077mm，小于0.075mm颗粒含量为100%，不均匀系数为10.8。

第一层反滤层：根据滤土准则，对于小于0.075mm颗粒含量大于85%的土，其反滤层d15≤9d85=9×0.058=0.522mm，取d15为0.52；

根据排水准则计算的反滤层最小d15≥4d15=4×0.0077=0.0308 mm，按规定取最小d15=0.1 mm，计算的最大d15和最小d15比值为5.22大于5，同时考虑滤土和排水要求，按最大d15和最小d15比值小于5，确定反滤层最大d15=0.52mm，最小d15=0.11mm。根据计算确定的最大及最小d15值，按规范要求，对于不均匀系数Cu＞8的被保护土，宜取反滤层不均匀系数Cu≤5～8（取6）计算其它级配粒径见表1。

表1 反滤层级配粒径计算表（第一层） 单位：mm

坝体填土颗粒级配曲线

第二层反滤层：第二层反滤层以上述第一层反滤层作为保护体（小于0.075mm粒径含量＜15%，为砂或砂砾石，不均匀系数为6），按照滤土及排水准则以D15/d85≤4～5和 D15/D15≥5，并取该层反滤料不均匀系数为6，计算该层反滤料级配粒径见表2。

表2 反滤层级配粒径计算表（第二层） 单位：mm

（2）坝基砂砾石层渗流出溢处反滤设计

反滤设计原则：由规范可知，渗流出溢点处反滤属于Ⅱ型反滤。根据类似工程经验在大坝截渗槽下游设置三层反滤层。

反滤层的作用是当地基或防渗体渗流出口的水力比降超过土体本身的抗渗强度后，防止土体的渗透破坏，因此可以说增加反滤层后，提高了土体的抗渗强度。

坝基砂砾石颗粒级配曲线

5 结语

坝体土与坝基土层接触部位及渗流出逸处经判断不满足反滤要求时，均应必须设置反滤层。红石峁水库反滤层根据被保护土层的类型及地质提供的坝体填筑土及基础砂砾石层的级配曲线进行计算分析，并确定出反滤料级配范围及层数，为坝体反滤层的设置提供了数据依据，以保证工程的渗流稳定。在具体施工时，对于重要的土石坝和高坝计算出的反滤层数据可作为参考依据，并应进行反滤试验验证。

[1]关志诚主编.水工设计手册［M］.北京:中国水利水电出版社2014(9)：44-48.

[2]刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训［M］.北京:中国水利水电出版社,2006：107.