土石坝粘土土心墙反滤料参数组合优化模拟

王清君

(北票市高标准农田建设管理办公室，辽宁 北票 122113)

0 引言

图1 大坝防渗结构图

1 工程概况

辽宁独岗寺水利枢纽工程属于大(Ⅰ)型，主坝为土石坝，全场538 m，坝顶宽度8.0 m，底部宽度18.2 m，最大坝高35 m，坝基采用混凝土防渗墙和帷幕灌浆处理，心墙设计为粘土心墙，整个大坝的防渗系统结构见图1所示。本项目大坝心墙反滤料分为两层，其不同级配土料和厚度对渗透性有着重要影响，在此主要针对该参数进行优化分析。

2 反滤层厚度和粒度组成对渗流特征影响模拟分析

由于粘土心墙土石坝分为饱和、饱和-非饱和两种渗流状态，因此我们通过设置不同参数分情况模拟分析。

2.1 饱和渗流模拟分析

2.1.1 模拟参数设计

在此利用Geo-Studio软件对土石坝饱和渗流进行模拟分析，结合相关实际工程数据，各区域渗透系数见表1所示。反滤料厚度组合模拟方案详见表2所示，其他参数完全一致[1]。

表1 各区域材料模拟渗透系数k

表2 独岗寺土石坝粘土心墙反滤料厚度组合模拟方案

2.1.2 不同厚度组合模拟结果分析

(1)由模拟结果分析：设计的上述11种反滤料厚度组合方案，大坝总体渗透系数k均处于10-5量级上，心墙最大出逸比降值为1.24，对于粘土心墙来说该参数已经完全满足安全稳定性要求；

(2)由图2所示的两层反滤料不同厚度组合方案心墙出逸比降曲线图可知：无论何种水位下，随着第一层反滤料厚度增加，心墙出逸比降在逐渐增加，增长曲线基本为一条直线。以正常水位为例，出逸比降平均增长率为1.5×10-5。相对来说正常水位增长幅度最小，不过差距不大[2]；

(3)由图3所示的两层反滤料不同厚度组合方案反滤料出逸比降曲线图可知：当第一层反滤料由0.5 m增至1.5 m时，出逸比降增幅约为20%。当其厚度由1.5 m增至2.5 m时，出逸比降增幅约为50%，增幅增长显著。相比于第一层反滤料，第二层反滤料的出逸比降总增长量较小。

具有工业价值的外生钼矿床主要有：(1)产于煤系地层中的钼矿床；(2)产于碳质粘土岩及碳、硅质粘土岩(即黑色页岩)中的钼矿床；(3)固体沥青页岩中的钼矿床等。这些外生钼矿床中，主要是与碳质有机成分密切相关，而且往往和铀、钒、锗等有用元素共生。但是由于其中含钼较贫而且赋存状态复杂，所以目前还未能有效提取，只能作为将来研究利用的对象。

综合分析：在饱和渗流状态下，反滤料总厚度一定，第一层反滤料厚度越小，第二层反滤料厚度越大，越有利于提高心墙防渗性[3]。

图2 心墙出逸比降与反滤料厚度组合关系曲线

图3 反滤料出逸比降与反滤料厚度组合关系曲线

2.1.3 不同粒度组合模拟结果分析

为了模拟两层反滤料不同粒度下对坝体饱和渗流影响(厚度组合为6#方案：第一层反滤料1.5 m，第二层反滤料1.5 m)，在此共设计了如下4种粒度方案：1细+2细，1粗+2细，1细+2粗，1粗+2粗(粗粒径为2～5 mm；细粒径为小于2 mm)，具体模拟结果见图4所示[4]。

由图4可知：①当第二层反滤料均为细粒径时，改变第一层反滤料粒径，心墙出逸比降基本没变化；②保持第一层反滤料粒径，第二层反滤料粒径由细变粗时，心墙出逸比降显著减小。

综合分析：在两层反滤料厚度组合一定情况下，保持第二层反滤料为粗粒径，可以有效减小心墙出逸比降。究其原因是当反滤料经压实后，粗料孔隙基本被充满且固定，此时反滤料的渗透破坏类型属于“流土型”，其抗渗安全稳定性远好于“管涌型”[5]。

图4 出逸比降和粒度变化关系曲线

2.2 饱和—非饱和渗流模拟分析

2.2.1 模拟参数设计

在此利用Geo-Studio软件对土石坝饱和—非饱和渗流进行模拟分析，结合相关实际工程数据，各区域渗透系数见表3所示。反滤料厚度组合模拟方案与饱和渗流模拟一致，在此不再详述。

表3 各区域材料模拟渗透系数k

2.2.2 不同厚度组合模拟结果分析

(1)由图6模拟结果可知：在反滤料总厚度一定的情况下，随着第一层反滤料厚度的逐渐增加，正常蓄水位和设计洪水位时，心墙出逸比降总体趋势在下降，中间存在一定波动；校核洪水位时，心墙出逸比降基本没有太大变化，还有一些上升[6]；

(2)当第一层反滤料厚度大于1.5 m时，心墙出逸比降波动明显减小，基本稳定在1.61～1.64范围内，其中正常蓄水位最稳定，基本稳定在1.61～1.62范围。

综合分析：在饱和—非饱和渗流状态下，反滤料总厚度一定，第一层反滤料应大于1.5 m，最适合厚度在2.2 m左右。这一结论与前文的饱和渗流状态模拟结果正好相反。

第一层反滤料厚度(m)图5 心墙出逸比降与反滤料厚度组合关系曲线

2.2.3 不同粒度组合模拟结果分析

为了模拟两层反滤料不同粒度下对坝体饱和-非饱和渗流影响(厚度组合为6#方案：第一层反滤料1.5 m，第二层反滤料1.5 m)，在此共设计了如下4种粒度方案：1细+2细，1细+2粗，1粗+2细，1粗+2粗(粗粒径为2～5 mm；细粒径为小于2 mm)，具体模拟结果见图6所示[7]。

图6 出逸比降和粒度变化关系曲线

由图6可知：①当粒度组合方案为1细+2细和1粗+2粗时，第一层和第二层反滤料的出逸比降均处于较大值，在1.166左右，此时心墙出逸比降处于中间位置，大概1.162 5～1.164之间；②当粒度组合方案为1细+2粗时，心墙和第二层反滤料出逸比降值均最小，约为1.161 6，而第一层反滤料出逸比降约为1.164；③当粒度组合方案为1粗+2细时，第一层和第二层反滤料出逸比降处于低位，约为1.161 5，但心墙出逸比降达到了最大值，约为1.166。

综合分析：在两层反滤料厚度组合一定情况下，1细+2粗的粒径组合，可以有效降低水流冲蚀力度，反滤料渗透破坏类型被限定为“流土型”，其抗渗安全稳定性远好于“管涌型”[8]。

3 结语

由上述研究可知：反滤料的不同组合对大坝出逸比降有着明显影响，而且由于水力条件处于不断变化中，需要综合多种工况来考虑相关设计问题。本文通过模拟分析，在综合考虑两种渗流状态下，建议独岗寺土石坝粘土反滤料厚度组合为：第一层1.5 m，第二层1.5 m；建议粒度组合为：1细+2粗。在此需注意：本文只是通过电脑模拟软件给出了相关设计值，存在条件设计过于简单、理想化的缺点，在实际设计时还需要结合工程实际条件作适当调整，否则可能无法达到理想水平。