袁湾水库工程土坝段反滤层设计

曹捷

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016）

1 引言

反滤层是土石坝渗流控制的重要措施之一，设计方法主要分为保护无黏性土和保护黏性土两大类。无论被保护土属于哪一类型，反滤层均应具有滤土和排水的双重功能，承担着“防”和“排”的重要任务，不仅要防止被保护土料颗粒不被带走，又要确保坝体渗流畅通的排向下游。相较于普通的天然建材填筑料，反滤料的设计和施工难度大，技术要求高，如果设计或施工任一环节出现问题，都有可能造成反滤功能的失效，甚至引发严重的工程事故。为有效防止反滤层失效情况发生，在施工前进行准确的反滤层级配设计就显得尤为重要。

2 工程概况

袁湾水库工程位于淮河一级支流潢河上游光山县泼陂河镇和晏河乡交界处，是一座以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电、改善生态等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。水库建成后可使淮河干流王家坝以上圩区的防洪标准由现状10 年一遇提高到20 年一遇，同时为新县、光山县和潢川县提供城市生活、工业及农业灌溉水源。水库总库容2.43 亿m3，控制流域面积480 km2设计洪水标准采用100 年一遇，设计水位74.52 m，校核洪水标准采用2000 年一遇，校核水位78.11 m。工程主要由拦河主坝、副坝和水电站等组成，主坝采用“土坝+混凝土坝”的组合坝型，选定的土坝代表坝型为土质防渗体分区坝，总需填筑用防渗土料151 万m3，坝壳砂料34 万m3。经勘探，库周缺乏石料，库区内管围孜土料场土料和杨楼砂料场砂砾料距坝址运距较近，储量丰富，质量满足设计要求。管围孜土料场总储量444.91 万m3；杨楼砂料场总储量288.99万m3，共分为A、B、C三个料区，储量分别为156.60 万m3、10.15 万m3、122.24 万m3，由于B 料区总储量偏少，设计坝壳砂用料以A、C区为主。

3 防渗体反滤层设计

防渗体上游紧贴坝坡，与护坡连锁块之间设置了200 mm厚中粗砂垫层、200 mm厚2～20 mm碎石层、200 mm厚20～40 mm碎石层。下游侧与坝壳砂料间分别设水平宽度3 m 的粗砂反滤层、2 m 宽碎石排水带和1 m 宽的过渡料层，其底部通过水平排水带与下游坡贴坡排水相连，共同组成坝体排水系统。防渗土料选用管围孜土料场重粉质壤土，颗粒分析成果见表1。

表1 料场土料颗分成果表

由土料颗粒分析成果查出被保护土的d15和d85，计算出反滤层的D15以及反滤层的D10和D90等反滤计算评价所需粒径值。

3.1 反滤料要求

防渗体土料为粘性土，不含大于5 mm颗粒，小于7.50×10-2mm颗粒含量为73.60%，含量范围为40%～85%，反滤层根据式（1）确定：

3.2 排水要求

反滤层排水要求按式（2）确定：

式中d15：为全料的d15。当4d15＜0.10 mm 时，取D15≥0.10 mm；防渗料d15= 0.50×10-2mm，代入式（2）得4d15= 0.02 mm＜0.10，取D15≥0.10 mm。

调算出反滤层D10（上包线）和D90（下包线）分别为0.09 mm和15 mm，满足防止分离的反滤料级配要求。

为考察料场砂料是否能直接作为防渗体反滤层，将调算出的防渗体反滤层级配包络线和料场砂料A区、C区代表样品料形成的级配包络线进行对比，见图1。

图1 反滤级配包络线成果和料场砂料级配包络线对比图

经与反滤级配包络线成果对比，料场砂料整体级配不良，C区砂料整体偏粗，不适宜做为反滤料；A区砂料仅少部分颗粒偏细的样品料满足反滤料要求，固不推荐直接采用，如考虑将A区料作为反滤料，应进行必要的筛分。

4 坝壳料反滤层设计

河床土坝段下游水位变幅54.00～61.50 m，受下游水位影响，考虑一定的超高，62.00 m 以下坝壳砂料下游需设置反滤料。

4.1 无黏性土级配曲线调整

料场砂料为级配不连续的非黏性土，且含有＞5 mm颗粒，分别选择A、C区砂料级配包络线进行级配调整：100除以＜5 mm颗粒的百分比含量得到一调整系数→将粒径5 mm以下各粒组的百分数乘以调整系数→绘制这些调整后的百分数得到一新的级配曲线→用新的级配曲线确定第4步中所需通过200号筛（7.50×10-2mm）的百分数。

A砂料区样品4和样品24为该区砂料级配上、下包线，C砂料区样品6和样品9为该区砂料级配上、下包线，按上述步骤分别调整A、C砂料区砂料级配上、下包线，成果见图2。

图2 A、C区砂料级配包络线调整后的级配曲线图

由调整后的成果可知，各级配曲线粒径7.50×10-2mm以下含量均为0，确定保护土类型为4类（砂和砂砾石）。

4.2 反滤料要求

计算反滤料的容许D15max，按式（3）确定：

4.3 排水要求

按照反滤排水准则计算D15min，按式（4）确定：

设计反滤层级配不一定具有很宽的粒径范围，以免出现间断级配。调整反滤层的设计粒径范围，使反滤料上、下包线不均匀系数不大于6。反滤料带的宽度应满足过筛量60%粒料的任一最大与最小粒径之比不大于5。此外，还应满足最大、最小粒径准则：D100max＜75 mm，D15min＞7.50×10-2mm。

设计反滤层级配不一定具有很宽的粒径范围，以免出现间断级配。调整反滤层的设计粒径范围，使反滤料上、下包线不均匀系数不大于6。反滤料带的宽度应满足过筛量60%粒料的任一最大与最小粒径之比不大于5。此外，还应满足最大、最小粒径准则：D100max＜75 mm，D15min＞7.50×10-2mm。

各代表样品料计算反滤料级配曲线见图3，取其内包线（A区样品24 反滤层下包线、C 区样品9 反滤层上包线）为反滤料设计级配包络线。

图3 各代表样品料计算反滤料级配曲线与一级配碎石级配曲线对比图

坝壳砂料反滤层外侧为下游护坡，对其应设置过渡垫层予以保护。根据类似工程经验，通常选用一级配碎石（5～20 mm）作为反滤层的过渡垫层。作为反滤层的过渡垫层亦应满足滤土排水的设计要求，因此为考察一级配碎石（5～20 mm）是否能直接作为反滤层的过渡垫层，将调算出的反滤层级配包络线和一级配碎石（5～20 mm）级配包络线进行对比，一级配碎石选用《建设用卵石、碎石》中要求的级配，成果见图3。

经对比，一级配碎石（5～20 mm）粗颗粒部分与反滤层相应部分有重叠，细粒部分与反滤层细粒部分级配连续，满足反滤和排水要求。最终确定的坝壳料反滤排水料按如下层间关系过渡至下游预制块护坡：200 mm厚5～20 mm碎石过渡层、200 mm厚20～40 mm碎石垫层。

各反滤层料质量要求：使用砂砾石料是未经溶蚀的材料并应耐风化且不易为水所溶解；其颗粒组成必须满足反滤及排水要求；无塑性。级配：尽量均匀、要求一层的粒组不被带入另一层粒组的孔隙中去，粒径小于7.50×10-2mm 的颗粒含量应不超过5%，颗粒坚硬抗冻，其渗透系数大于1.00×10-3cm/s。

填筑要求：以相对密度为设计指标，防渗体和坝壳砂料反滤料均为无黏性土，设计压实标准为相对密度不小于0.75，上、下游护坡碎石、粗砂垫层设计相对密度不小于0.70。

5 结语

①通过对各被保护土料颗粒筛分试验成果的分析和处理，提出了各被保护土料的反滤层级配包络线，为坝体分区和坝料层间关系提供设计支撑。②砂料场天然砂砾料级配不良，离散性较大，通常不适宜直接作为防渗土料反滤层。通过对料场砂料代表样品料和防渗土料反滤层颗粒级配定量对比，为准确判断料场砂料不同砂料区是否适宜作为反滤料提供数理依据。③由于库周缺乏石料，对比分析坝壳砂料反滤料与市场采购一级配碎石的粒径级配，明确反滤料与下游预制块护坡之间坝料过渡的层间关系设计，并提出了反滤层填筑与质量要求。