文得根水利樞紐粘土心墻壩反濾層設計及優化

馬 紀，寧衛琦

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 工程概況

文得根水利樞紐建筑物主要由粘土心墻砂礫石壩、引水發電系統、岸坡溢洪道、副壩及魚道等組成。粘土心墻砂礫石壩布置在主河床處，壩頂全長1 358 m，壩頂高程381.50 m，防浪墻頂高程382.70 m，壩頂寬8 m，最大壩高48 m。壩基防滲型式為混凝土防滲墻+帷幕灌漿。泄水建筑采用岸坡開敞式溢洪道，布置在右岸岸坡。

前期初設階段共詳查了5 個土料場，分別為包爾胡舒、壩下緩坡、取水口附近、壩上緩坡和巴彥烏蘭土料場，最后綜合土料有機物含量、含水率、黏粒含量等技術指標，最終確定巴彥烏蘭土料場為主要的粘土料場。

巴彥烏蘭土料場位于上壩址上游左岸山坡上，至上壩址直線距離約6 km，有公路可達上壩址，交通較便利。巴彥烏蘭土料場長約800 m，寬120～350 m，面積約16.86×104m2，地形較平緩，由西北向東南方向傾斜，地面高程352～380 m。表部耕植厚度一般小于1.0 m，其下土料由粘土組成，底部為混合土碎石。有用層厚度一般2.5～5.0 m，最大厚度約8 m。

2 初步設計階段反濾層設計

根據SL274-2001《碾壓式土石壩設計規范》附錄B.0.5規定，被保護土為粘性土反濾層設計方法的步驟，結合B1砂礫石料場、巴彥烏蘭粘土料場各土體的顆分曲線，在粘土心墻上、下游側各設一層反濾層，水平厚度均為3.0 m，進行反濾層設計計算。

文中dx代表小于x%含量的被保護土粒徑值，Dx表示小于x%含量的反濾料粒徑值。

1）足夠的土樣繪制粘土的粒徑級配曲線，巴彥烏蘭土料場的土料顆分試驗成果見表1。

表1 巴彥烏蘭土料場土料顆粒分析試驗成果表

根據顆分成果繪制的級配曲線，確定被保護土的粒徑d15為0.003 mm，d85為0.070 mm。

2）以粒徑0.075 mm 以下含量的百分數為標準，確定被保護土的分類，工程中被保護土為細粉土和黏土。

3）為滿足濾土要求，按式（1）確定反濾層的容許粒徑D15max：

4）為滿足排水要求，按式（2）確定反濾層的容許粒徑D15min：

5）以粒徑D15min確定反濾范圍，須調整使粒徑D15max與D15min之比值不大于5。

6）調整反濾層的設計粒徑范圍，使反濾料上下包線不均勻系數不大于6，按Cu 取6 進行計算，計算過程：

7）根據最大最小粒徑準則，確定反濾的D15min和D100max粒徑。

8）為減少施工中的分離，用粒徑D15min/1.2 得到初始的粒徑D10min，并查表后確定粒徑D90max，查表結果：

9）對計算的控制點進行連線后得到反濾層級配曲線，級配曲線見圖1。

圖1 反濾層級配曲線

3 技施階段反濾層優化設計

初設階段反濾層設計雖然滿足《碾壓式土石壩設計規范》中關于反濾層的設計要求，但是反濾層顆粒級配范圍較廣，最大粒徑75.000 mm，小于0.075 mm 的粒徑占到5%。根據施工現場實際情況，反濾料制備需要采用天然砂礫石和人工制砂進行摻配，來達到滿足設計要求的級配曲線。而施工過程中很容易造成摻配不均勻而影響反濾層的實際效果。

技施施工前，對反濾層設計進行了優化，將原來的單層反濾調整為雙層反濾，其中第一層反濾采用平均粒徑更小的砂反濾，總層厚不變，仍為3.0 m，每層反濾料厚1.5 m。

3.1 第一層反濾層設計

總體設計方法同上面設計方法相同，但由于第一層采用砂反濾，反濾層最大粒徑D100max調整為10.000 mm。

3.2 第二層反濾層設計

根據第一層反濾層級配曲線，從上包線（細限）中取粒徑d85為1.200 mm，從下包線（粗限）中取粒徑d15為0.500 mm，根據保護無粘性土的保土準則和透水準則，分別進行計算：

1）保土準則

2）透水準則

根據兩大準則計算后可知D15max=5d85=6.000 mm，D15min=5d15=2.500 mm，同時應滿足不均勻系數Cu在5～8 之間，最后得到的第二層反濾料級配曲線見圖2。

圖2 雙層反濾級配曲線

4 結 語

反濾層設計是文得根水利樞紐粘土心墻砂礫石壩大壩分區設計中重要的一項工作，對于大壩的安全有著重要的影響，一定要認真對待。根據《碾壓式土石壩設計規范》中的設計方法進行計算后，一定要結合現場實際情況，考慮施工中可能發生的不利因素，綜合進行設計，以保證大壩的安全。