国外某大型水库第一层反滤料优化设计分析

卢志男，王兴云

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

国外某水库正常蓄水库容为2.57亿m3，调节库容为2.53亿m3，为大(2)型水库。本项目的主要建筑物包括左岸土坝、泄洪闸、砼非溢流坝段、右岸土坝、副坝等。

左右岸土坝为均质土坝，最大坝高14m，坝体填筑土料为含砂粉质黏土，通过对土料进行颗粒分析，小于0.075mm颗粒含量约占70%，采用中粗砂作为保护黏性土的第一层反滤料，土坝典型设计断面如图1所示。

图1 土坝典型断面图(水位单位：m；尺寸单位：cm)

本工程所需中粗砂约4.1万m3，由于工程区附近缺少天然砂砾料，保护黏性土的第一层反滤料只能由制砂系统进行生产。项目部将生产碎石的筛余石屑料和机制砂作为反滤料的备选料，为合理利用材料，优先选用石屑料。石屑料及机制砂的颗粒级配曲线如图2所示。

图2 石屑料及机制砂颗粒级配曲线

2 保护黏性土的第一层反滤层的设计准则

我国现行设计规范[1]采用了美国垦务局的反滤设计准则[2]，认为反滤料级配应均匀连续，而美国垦务局的反滤准则是在Sherard等[3-4]的反滤设计准则的基础上，对以往试验研究和实践经验的总结。Sherard等[3-4]及刘杰等[5-6]通过试验研究证实，采用了“开裂-自愈”的理念对防渗料进行假设：防渗料产生裂缝后，通过反滤层的保护，裂缝会淤填并通过渗透固结而愈合，或重新闭合。解决了土体结构破坏条件的难题，允许用渗流通道的直径及通道中流动颗粒直径的概念来设计反滤料的级配。根据本工程地质勘探成果，坝体填筑土料以含砂粉质黏土为主，小于0.075mm颗粒含量约70%。根据规范[1]要求，保护黏性土的第一层反滤层设计要求及准则如下：

(1)滤土要求

对于小于0.075mm颗粒含量为40%～85%的土，其反滤层可按式(1)确定：

D15≤0.7mm

(1)

式中，D15—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%。

(2)排水要求

对于黏性土，排水要求按式(2)确定：

D15≥4d15

(2)

式中，D15—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d15—被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%。当4d15<0.1mm时，应取D15不小于0.1mm。

(3)最大最小粒径准则，按式(3)确定：

D100<75mm，D5≥0.075mm

(3)

式中，D100—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的100%；D5—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的5%。

(4)防止分离准则

对于所有类别被保护土，防止分离准则见表1。

表1 防止分离准则 单位：mm

(5)其他准则

反滤料的设计级配须相对窄，以防采用间断级配的反滤料，标准见表2。

表2 其他反滤设计准则

3 第一层反滤料优化设计分析

由图2可知：石屑料的D10=0.56mm，D15=0.9mm，D60=3.8mm，其中，D15=0.9mm>0.7mm，不满足第一层反滤料的滤土要求，总体粒径较大；机制砂的D10=0.075mm，D15=0.13mm，D60=1.4mm，由D10=0.075mm可推出D5<0.075，不满足第一层反滤料的最小粒径准则，细粒含量偏多。因此，石屑料及机制砂均不能直接作为第一层反滤料使用。

为最大程度的利用石屑料，针对石屑料总体粒径较大的特性，反滤料最大D15取0.7mm，根据规范[1]中的反滤设计方法，依次可推出最小D15取0.14mm，最大D60取3.5，最小D60取0.7，最小D5取0.097，最大D100取30，最大D90取15。第一层反滤料颗粒级配包络线如图3所示。

图3 第一层反滤料颗粒级配包络线

为了解决石屑料及机制砂均不能直接作为第一层反滤料的问题，在石屑料中分别掺入不同比例的机制砂进行颗粒级配分析，石屑料及机制砂的掺和比例分别为10∶1、10∶2、10∶3。不同比例掺合料的颗粒级配曲线与包络线如图4—图6所示。

图4 掺合料(石屑料+10%机制砂)颗粒级配曲线

图5 掺合料(石屑料+20%机制砂)颗粒级配曲线

图6 掺合料(石屑料+30%机制砂)颗粒级配曲线

不同比例掺合料的主要特征参数见表3。

表3 不同比例掺合料主要特征参数

由以上分析结果可知，当石屑料及机制砂的掺和比例为10∶1或10∶2时，混合后的砂砾掺合料颗粒级配较好，能满足滤土要求、排水要求、最大最小粒径准则、防止分离准则及其他准则，为最大程度利用筛余石屑料，建议石屑料及机制砂的掺和比例为10∶1。

4 结论

文章结合项目现场材料实际情况，为最大程度利用生产碎石的筛余石屑料，做到废料再利用，将适当比例的机制砂掺入石屑料中后，掺合料可满足第一层反滤料的设计要求，为当地天然反滤材料缺乏的土石坝设计提供一定的借鉴意义。