隆德县余家峡水库特殊地质坝基处理与褥垫排水方案研究

周攀峰ZHOU Pan-feng

（宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，银川 750000）

0 引言

水利工程建设是我国经济建设和社会发展的重要组成部分。水库是综合利用水资源的重要基础设施之一，对于保障国家的水资源安全和可持续发展具有重要的作用。在水库建设过程中，坝基处理和水库排水设计是其中至关重要的一环。关于特殊地质，坝基断裂构造较发育的砾岩坝基，目前的处理方式首先是将断层破碎带开挖，然后混凝土回填，最后加强固结灌浆处理。借助模型试验和数值模拟，通过超载方法对拱坝左、右岸坝肩抗力体内存在的地质缺陷进行研究，研究表明密集节理对拱坝1210m 高程坝肩稳定的影响不大，并以此指导工程施工[1]。采用Hype Mesh 软件可模拟河谷地形特征和坝区地质构造，通过对特殊地质模拟可验证坝体特殊地质的稳定性。关于褥垫式排水体的研究，目前有不同结构形式的方案[2]，但是适用于宁夏南部山区的褥垫排水体还有待研究。褥垫排水体布置后，坝体的渗流问题还需验证，多位大师专家采用fluent、autobank 等软件进行渗流分析[3]。针对黄土高原地区自上而下依次为壤土、角砾和强分化岩层的地质条件，坝基的处理、褥垫排水的设计以及该条件下的坝体渗流问题还需进一步研究。

1 工程概况

为缓解隆德县城乡居民用水紧缺的问题，在渝河流域甜水河支流新建余家峡水库，水库集水面积10.7km2，水库建成后可以与已建地湾水库连通，将地湾水库富裕水量通过已建隆德县城乡引水管道调入某水库，实现余家峡水库与地湾水库联合调度，向隆德县城供水，以解决城镇居民生活及工业用水紧缺问题。余家峡水库调水规模170 万m3。水库总库容452.07 万m3，属小（1）型水库。

2 水库特殊地质条件的坝基处理

2.1 坝基特殊地质条件

根据地质勘察成果，水库坝基主要存在以下问题：①主沟道顶部土层（粉质粘土及壤土），厚度1.0-8.3m，软塑-可塑状，属于Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性（河床左侧）-Ⅱ级（中等）自重湿陷性场地。顶部土层以下分布碎石及角砾，桩号范围0+137～0+408，层深0.5-3.6m，具有液化性，属强透水层。②左岸台地上部土层存在湿陷，最大厚度达11m，平均厚度为4-5m，属于Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性，右岸不湿陷，但其压缩系数为0.59MPa-1，属于高压缩性土，压缩变形量较大。③角砾层下部基岩表层2m 为强风化层，属中等透水层，透水率10～100Lu，这以下为弱、微风化岩层，透水吕容1～10Lu。

2.2 坝基处理方案

2.2.1 两岸台地粉质粘土、壤土层处理

两岸台地土层饱和度大部分在60%以上，依据《湿陷性黄土地区建筑地基处理规范》，不适宜采用强夯法、挤密法处理。当土层作为坝基使用时，经过沉降计算，最大厚度11.0m 处（左岸）沉降量达1.7m，一般断面沉降量为0.8m左右，不能满足总沉降量小于坝高1%的要求，因此，也不宜作为持力层。因此，对于两岸台地土层，可行的处理方案是全部挖除，土方用于坝体填筑。

2.2.2 主沟道土层、液化角砾层处理

对于主沟道土层及下部液化角砾层，坝基处理方案有两种，方案一：土层及下部液化角砾层全部挖除；方案二：挖除上部土层+下部液化角砾采用振动压密法处理。从经济、安全和可靠性三方面进行比选，工程采用方案一。

2.2.3 坝基防渗

2m 厚的强风化层全部挖除成本过高，故设计截水槽，使其深度以开挖至相对不透水层下1.0m 为准（10LU），截水槽布置于坝轴线处，梯形断面，开挖边坡1∶1，截水槽底宽5.0m，截水槽采用粘土回填，回填土分层夯实与主坝衔接，填筑土压实度不小于0.97，渗透系数小于1×10-5cm/s。具体设计详见图1 截水槽断面图，设计巧妙借助截水槽，同时为降低浸润线针对性布置褥垫排水，解决了2m 厚强风化层的渗水问题，该处理方法可实现坝体防渗和节约投资成本的效果。

图1 截水槽断面图

3 坝基褥垫排水体设计

根据筑坝土料颗分表（表1），判定被保护土均小于4号筛（4.75mm）的颗粒，不需要对土颗粒大小级配曲线进行调整。以通过200 号筛（0.075）颗粒的百分数为标准，确定被保护土的类别。颗粒粒径为0.075mm 时，小于0.075mm 粒径的土所占的百分数＞85%，被保护土的类别为1 类，即细粉土和粘土。

3) 在特征上，主权和契约权源的纵向竞合包含两种不同属性的协调权，两者产生的法律和理论的依据都有差别，故而会存在明显的顺位。这表明在特定的情况下，契约权源下的协调权应该让位并遵从于主权权源下的协调权，只是在何种情形或程度下才能体现并运用这一顺位，需要进一步探讨与分析。

表1 余家峡水库筑坝土料颗分曲线表

3.1 反滤层应满足滤土要求

由于土料小于0.075mm 颗粒含量＞85%，为1 类，因此反滤层最大粒径D15≤9d85，取D15=9d85=9×0.055=0.50mm。式中：D15—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d85—被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%。

3.2 反滤层应满足排水要求

以透水性作为控制的必要条件，应使D15≥4d15，且不小于0.1mm。d15=0.007mm，4d15=4×0.007=0.028mm＜0.1mm。式中：d15—被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%。

防止采用间断级配的反滤料：设计反滤料应满足过筛率为60%粒径中任一粒径的最大与最小值的比率不大于5。反滤料级配范围：不均匀系数小于等于6。

3.3 其他反滤料粒径的计算

主要计算内容如下：最大D10=最大D15/1.2=0.5/1.2=0.42mm；最大D60=最大D10×6=0.42×6=2.52mm；最小D60=最大D60/5=2.52/5=0.50mm；最大粒径D100＜75mm，取D100=50mm；最小粒径D5=0.075mm；最小D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.08mm；当最小D10＜0.5 时根据防分离准则，最大D90=20mm；最小D90=20/5=4mm。

式中：D5—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的5%；D10—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的10%；D60—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的60%；D90—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的90%；D100—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的100%。

3.4 坝基褥垫式排水体设计

图2 为褥垫排水体详图。设计坝基褥垫排水体厚2.4m，上、下两层反滤的结构均为0.4 厚细反滤料（D=0.3-2mm）+0.4m 厚粗滤料（D=2-10mm），中间层为0.8m 厚的排水层（D=20-40mm）。水库抗震烈度属于8 度区，地震动峰值加速度0.2g，峰值加速度较高。依据抗震设计规范，从防止液化的角度出发，褥垫排水压实相对密度要求不小于0.8。

图2 褥垫排水体详图

4 褥垫排水体布置后坝体渗流计算

为更好地评估水平褥垫排水的布置以后水库的渗流情况，本文借助autobank 软件对含褥垫排水的坝体进行渗流计算。

4.1 选择计算断面

选择坝体桩号K0+300（河谷段最大坝高断面，坝高37.8m）、K0+200（河岸阶地断面，坝高36.0m），共两个计算断面。

4.2 建立有限元计算模型

土坝垂直于沟道布置，坝顶高程2201.6m，最大坝高37.8m，坝顶长603.0m，坝顶宽5.0m，坝顶为沥青砼路面，上、下游坝坡自上而下依次为1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0。上、下游坝坡在高程2191.6m、2181.6m 处设马道，马道宽2.0m。坝体排水采用坝基水平褥垫+坝后贴坡排水相结合的方式，从大坝截渗槽位置至坝坡脚范围内整体设褥垫排水。依据坝体结构与坝体尺寸建立有限元模型。绘制计算断面材料分区图，模型采用三角形和四边形混合单元对其进行剖分，计算断面相应的材料分区及离散的有限元网格见图3。

图3 计算断面有限元网格图

4.3 计算参数

大坝各分区材料渗透系数通过地勘报告中建议值确定，具体选取情况见表2。

表2 大坝各分区材料计算指标表

4.4 计算工况

按《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）的规定，渗流计算需要计算下列4 种水位组合，具体见表3。

表3 大坝渗流场计算工况表

4.5 渗流有限元计算成果

根据大坝渗流计算成果表（表4），按平均水位计算水库年渗漏约为16.5 万m3/a，出溢点位于沟底壤土层上，允许渗透比降0.5。

表4 不同断面各工况大坝渗流计算成果表

5 结语

本研究依托余家峡水库设计施工中遇到的特殊地质问题，旨在探究特殊地质条件下土坝坝基的处理和褥垫排水方案。①本文通过对水库特殊地质条件的分析，依据规范设计了合理有效的坝基处理方案，将两岸台地土层、主沟道土层及下部液化角砾层全部挖除，同时巧妙借助截水槽，成功解决2m 厚强风化层的渗水问题。②本文通过对被保护土的粒径分析和计算，确定了反滤层的最大粒径和级配范围，以及反滤料的其他粒径计算。在此基础上设计2.4m 厚的坝基褥垫式排水体，包括0.4m 厚细反滤料+0.4m厚粗滤料和0.8m 厚的排水层，以满足滤土和防渗要求。为确保褥垫排水的效果，采用了autobank 软件进行含褥垫排水的坝体渗流计算，计算结果满足规范要求。本研究为土坝坝基处理和褥垫排水方案设计提供了一个可借鉴的案例，并对相关领域的研究提供了一定的启示。