反濾層粒度組成及厚度對大壩滲流特性的影響

蔡世興，朱海波，馬棟和，王常明，韓松伶

(1. 吉林大學 建設工程學院，吉林 長春 130026；2. 中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061)

土石壩攔截水流抬高水位的關鍵在于防滲體的安全與穩定，為確保防滲體的滲流安全，設計合理的反濾層就顯得至關重要。反濾層的主要作用是濾土減壓，位于滲流出口的反濾料能防止土顆粒流失，同時水流一旦進入反濾層可以快速流走，滲透壓力大部分甚至全部消散以起到排水減壓的作用[1-3]。Zedan 等[4]以KHASA-CHAI 大壩為例進行了有限元滲流分析，認為心墻兩側設置的反濾層對大壩滲流量影響較小，可以明顯減小滲流出口的水力比降。自利用反濾層來防止土體破壞的理論和相應濾層設計準則[2]提出以來，諸多學者做了大量相關研究。主要可分為以下兩部分：一是反濾料的粒度組成，二是反濾層的結構形態。通常用反濾料的有效粒徑、控制粒徑、曲率系數及不均勻系數等指標來反映反濾料的粒度組成和特點。反濾料粒度組成會影響其孔隙率，進而影響反濾料的滲透系數。反濾料的排水減壓效果與其滲透系數息息相關，因此可將反濾料分為骨架粗料和填充細料。將反濾料設計觀念具體化，通過粗、細料之間的關系來判斷反濾料的作用效果[1,5-6]。隨著反濾料研究的不斷深入，使材料的選擇由單一的均勻無黏性土擴大到各種類型的土[2-3,6-8]，并提出相應的反濾層設計準則[9]。對于流土和管涌類型土的滲流規律也做了大量研究，總結經驗用于評價反濾層的性能，在工程實踐中進行初步篩選[1,10-11]。反濾層的結構形態，包括其形態和厚度。對于傾斜型心墻反濾層和中心對稱型心墻反濾層兩種不同結構形態，Calamak 等[12]通過壩體滲流概率分析得出了中心對稱型心墻反濾層結構更能有效降低滲流量的結論。而對于各反濾層厚度的選擇，設計者建議以碾壓式土石壩設計規范[13]中規定的人工施工傾斜反濾層最小厚度為0.5 m，機械施工最小厚度不小于3.0 m為基礎，結合實際工程及施工方法具體確定。

本文以引綽濟遼工程的文得根水利樞紐工程為例。該工程屬Ⅰ等工程，規模為大（1）型，其黏土心墻砂礫石壩布置在主河床處，壩頂全長1 358.00 m，壩頂高程381.50 m，防浪墻頂高程382.70 m，壩頂寬度8 m，最大壩高48.00 m，主壩典型剖面如圖1 所示。采用室內試驗研究了壩體黏土心墻兩側反濾層的粒度組成和滲透變形特性，采用有限元數值方法模擬分析反濾料粒度組成及厚度對大壩滲流特性的影響規律。

圖 1 主壩典型剖面（單位： m）Fig. 1 Typical section of main dam (unit: m)

1 試驗材料與方案

為確保黏土心墻壩的滲流安全與穩定，需在黏土心墻兩側與上下游砂礫石壩殼之間設置反濾層。根據《碾壓式土石壩設計規范》[13]第一層反濾料級配范圍線采用規范推薦的謝拉德1989 法計算得出，第二層反濾料級配范圍線采用太沙基準則計算得出（圖2）。試驗所用土樣均來自現場砂石料場，土樣經篩分，分為40～60 mm、20～40 mm、5～20 mm 及5 mm以下4 個粒組。

根據反濾料粒徑級配范圍線設計了4 組試驗（圖2）。第1、2 組試驗材料分別為粒徑小于2 和5 mm 的實際土料，第3、4 組試驗材料分別按第二層反濾料上、下設計包線配制而成。根據現場試驗結果，第一、二層反濾料試樣分別按1.78 和1.98 g/cm3的干密度進行制備。

采用有限元數值方法對剖面（圖1）進行滲流特性的數值模擬，設計了11 種計算方案（見表1）。

圖 2 反濾料設計包線Fig. 2 Design envelope of filters

表 1 黏土心墻砂礫石壩滲流數值模擬方案Tab. 1 Seepage simulation conditions of clay-core dam

2 試驗研究及數值模擬

根據《土工試驗規程》[14]的滲透試驗和粗粒土的滲透及滲透變形試驗要求進行室內試驗。第1 組試驗采用改裝的70 型滲透儀進行，其余3 組試驗采用粗粒土大型滲透儀進行。采用巖土數值計算軟件Geo-Studio 中的Seep/W 模塊按穩定滲流進行計算[15-17]。壩體及壩基材料滲透系數取值如下：壩體砂礫石的滲透系數為0.460 cm/s，黏土心墻的為3.84×10-7cm/s，混凝土防滲墻的為5×10-7cm/s，壩基級配不良礫的為0.354 cm/s，壩基粉土質礫的為5.1×10-4cm/s，壩基巖石的為5.0×10-5cm/s，第一層反濾料的為6.93×10-3cm/s，第二層反濾料的為1.78 cm/s。對大壩正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位3 種水位條件下分別進行穩定滲流計算。考慮反濾料粒度組成對大壩滲流的影響，根據滲透試驗結果選取4 組不同粒度組合進行數值模擬：①1 細+2 細，第一層反濾料上包線與第二層反濾料上包線；②1 粗+2 細，第一層反濾料下包線與第二層反濾料上包線；③1 細+2 粗，第一層反濾料上包線與第二層反濾料下包線；④1 粗+2 粗，第一層反濾料下包線與第二層反濾料下包線。

3 結果與分析

3.1 滲透試驗結果及分析

4 組不同粒度材料組成的滲透試驗結果見圖3。

第1 組試驗表明：第一層反濾料上包線起始坡降為0.5；水頭抬高，滲透坡降逐漸增加，流速緩慢變大，lgi-lgv曲線近似直線；在流速增大到0.002 cm/s、滲透坡降達到1.10 時，可觀察到試樣中細顆粒被水流帶出，水面開始變渾濁，試樣達到臨界坡降，對應曲線拐點附近；繼續抬高水頭，在流速增大到0.021 cm/s 時，水力比降為13.66，曲線斜率明顯變化，此時觀察到水流渾濁而且筒內土體隆起，試樣破壞。

第2 組試驗表明：起始坡降為0.1；在滲透坡降到達0.9 左右時，試樣中細顆粒不斷被水流帶出，水面變渾濁，試樣達到臨界坡降；水頭抬高，被水流帶出的細顆粒增多，試樣表面可見細顆粒跳動，水頭越高細顆粒跳動越劇烈，且細顆粒跳動的位置變多，細顆粒跳動處形成類似火山口的形狀，隨水頭抬高其面積逐漸增大；當坡降達到2.10 時，大量土顆粒被水流帶出，試樣發生大面積管涌破壞，放干試樣內的水，可見大量細顆粒被帶出堆積在管涌通道口附近（圖4）。

圖 3 反濾料滲透試驗結果Fig. 3 Permeability test results of filters

圖 4 管涌通道口細顆粒堆積Fig. 4 Fine particles accumulation at the piping outlet

第3 組試驗表明：第二層反濾料上包線在滲透坡降達到0.30 時，曲線斜率發生變化，試樣中細顆粒被水流帶出，水面變渾濁，達到臨界坡降；抬高水頭流速不斷增大，未見明顯破壞現象，為過渡型破壞。

第4 組試驗表明：第二層反濾料下包線在滲透坡降達到0.25 時，達到試樣臨界坡降，試驗現象與第3 組相差不大，破壞型式為過渡型。

根據上述試驗結果，確定不同粒度組成的反濾料滲透試驗結果如表2 所示，對于流土破壞的重要工程允許坡降安全系數取2.5[13]，標準溫度（20 ℃）時試樣的滲透系數k20是試驗測得平均滲透系數乘相應黏滯系數比所得。

表 2 反濾料滲透試驗結果Tab. 2 Permeability test results of filters

3.2 數值模擬結果與分析

大壩黏土心墻兩層反濾層等厚（同為1.5 m）時，不同水位穩定滲流計算結果如表3 所示。圖5 為正常蓄水位情況下大壩的滲流場及反濾層附近滲流場。

表 3 大壩滲流計算結果Tab. 3 Calculation results of dam seepage

圖 5 大壩滲流場（單位：m）Fig. 5 Seepage filed of the dam (unit: m)

由計算結果可見，大壩單寬滲流量為10-5量級,相對較小，校核洪水位下心墻出逸比降最大為1.238，對于有反濾層保護的黏性土來說很小，兩層反濾料的出逸比降都小于其允許坡降，所以大壩滲流是安全的。

在不同反濾層厚度組合的大壩滲流數值模擬中，未改變除反濾層外其他的壩體結構參數，因此大壩滲流計算結果中壩體單寬滲流量和心墻出逸點高程變化較小，心墻出逸比降、第一層反濾料出逸比降和第二層反濾料出逸比降變化顯著。心墻出逸比降結果見圖6，反濾料總厚度不變，隨著第一層反濾料厚度的增加，黏土心墻的出逸比降呈非線性增長，增長速率不斷增大。第一層反濾料厚度從0.5 m 增加到2.5 m，心墻出逸比降平均增長2.0×10-5，增幅為0.2%。

圖 6 心墻出逸比降Fig. 6 Exit gradient of core

反濾料出逸比降結果如圖7 所示，可見第一層反濾料出逸比降隨其厚度的增長呈非線性增長，且增長速度逐漸變大。第一層反濾料厚度從0.5 m 增加到1.4 m，出逸比降增幅為19.3%；第一層反濾料厚度從1.5 m 增加到2.5 m，出逸比降增幅為51.7%，總增幅為92.7%。第二層反濾料出逸比降隨第一層反濾料厚度的變化呈非線性增長，第二層反濾料厚度從2.5 m 減小到0.5 m，其出逸比降相對于0.5 m 處比降增幅為70%。對比分析兩層反濾料出逸比降變化，第一層反濾料的出逸比降總增長量大于第二層反濾料的總增長量。

反濾料粒度組成對大壩滲流的影響數值模擬結果見圖8。當第二層反濾料粒度組成不變時，第一層反濾料由細變粗對大壩滲流的影響比保持第一層反濾粒度不變、第二層反濾料由細變粗對大壩滲流的影響小，第一、二層反濾料粒度由上包線細料變為下包線粗料時，黏土心墻出逸點高程和大壩單寬滲流量變化不大，心墻出逸比降減小幅度為0.2%，第一層反濾料的出逸比降減小幅度為64.2%，第二層反濾料的出逸比降減小幅度為29.8%。

圖 7 第一層反濾料出逸比降Fig. 7 Exit gradient of the filters

圖 8 出逸比降與粒度變化的關系Fig. 8 Relationship between exit gradient and particle size

4 結 語

（1）由滲透變形試驗可知，反濾層的第一層粒度較細，整體級配在包線內土料粒度由細變粗對滲透系數的影響較小，對臨界坡降和破壞坡降影響較大，破壞類型由流土變為管涌；第二層反濾砂礫石顆粒較粗，5 mm 以下細顆粒含量很少，滲透特性取決于粗粒材料的含量，當滲透系數為1 cm/s 左右，其臨界坡降較小，滲透試驗未見明顯破壞現象，為過渡型破壞。

（2）當雙層反濾層總厚度不變（厚度3 m）時，改變兩個反濾層的厚度組合和粒度組合，對大壩單寬滲流量和心墻出逸點高程的影響較小，但對心墻出逸比降和反濾層出逸比降有較大影響。第一層反濾料厚度從0.5 m 增加到2.5 m，心墻和反濾料的出逸比降均呈非線性增長，第一層反濾料出逸比降變化最大，增幅為92.7%，第二層反濾料的出逸比降變化次之，增幅為70%，心墻出逸比降變化最小，增幅為0.2%。第一層反濾料粒度變化比第二層反濾料粒度變化對心墻和反濾料出逸比降的影響小。

（3）綜合分析物理模型試驗和數值模擬計算結果可見，兩層反濾層總厚度不變時，各層厚度不宜相差過大，第一層反濾料厚度建議取1.0～1.5 m，相應第二層反濾料厚度取2.0～1.5 m；粒度選取為兩層反濾料均靠近下包線位置，即粒度較粗時為級配最優。