國外某大型水庫第一層反濾料優化設計分析

盧志男，王興云

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

國外某水庫正常蓄水庫容為2.57億m3，調節庫容為2.53億m3，為大(2)型水庫。本項目的主要建筑物包括左岸土壩、泄洪閘、砼非溢流壩段、右岸土壩、副壩等。

左右岸土壩為均質土壩，最大壩高14m，壩體填筑土料為含砂粉質黏土，通過對土料進行顆粒分析，小于0.075mm顆粒含量約占70%，采用中粗砂作為保護黏性土的第一層反濾料，土壩典型設計斷面如圖1所示。

圖1 土壩典型斷面圖(水位單位：m；尺寸單位：cm)

本工程所需中粗砂約4.1萬m3，由于工程區附近缺少天然砂礫料，保護黏性土的第一層反濾料只能由制砂系統進行生產。項目部將生產碎石的篩余石屑料和機制砂作為反濾料的備選料，為合理利用材料，優先選用石屑料。石屑料及機制砂的顆粒級配曲線如圖2所示。

圖2 石屑料及機制砂顆粒級配曲線

2 保護黏性土的第一層反濾層的設計準則

我國現行設計規范[1]采用了美國墾務局的反濾設計準則[2]，認為反濾料級配應均勻連續，而美國墾務局的反濾準則是在Sherard等[3-4]的反濾設計準則的基礎上，對以往試驗研究和實踐經驗的總結。Sherard等[3-4]及劉杰等[5-6]通過試驗研究證實，采用了“開裂-自愈”的理念對防滲料進行假設：防滲料產生裂縫后，通過反濾層的保護，裂縫會淤填并通過滲透固結而愈合，或重新閉合。解決了土體結構破壞條件的難題，允許用滲流通道的直徑及通道中流動顆粒直徑的概念來設計反濾料的級配。根據本工程地質勘探成果，壩體填筑土料以含砂粉質黏土為主，小于0.075mm顆粒含量約70%。根據規范[1]要求，保護黏性土的第一層反濾層設計要求及準則如下：

(1)濾土要求

對于小于0.075mm顆粒含量為40%～85%的土，其反濾層可按式(1)確定：

D15≤0.7mm

(1)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。

(2)排水要求

對于黏性土，排水要求按式(2)確定：

D15≥4d15

(2)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d15—被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。當4d15<0.1mm時，應取D15不小于0.1mm。

(3)最大最小粒徑準則，按式(3)確定：

D100<75mm，D5≥0.075mm

(3)

式中，D100—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的100%；D5—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的5%。

(4)防止分離準則

對于所有類別被保護土，防止分離準則見表1。

表1 防止分離準則 單位：mm

(5)其他準則

反濾料的設計級配須相對窄，以防采用間斷級配的反濾料，標準見表2。

表2 其他反濾設計準則

3 第一層反濾料優化設計分析

由圖2可知：石屑料的D10=0.56mm，D15=0.9mm，D60=3.8mm，其中，D15=0.9mm>0.7mm，不滿足第一層反濾料的濾土要求，總體粒徑較大；機制砂的D10=0.075mm，D15=0.13mm，D60=1.4mm，由D10=0.075mm可推出D5<0.075，不滿足第一層反濾料的最小粒徑準則，細粒含量偏多。因此，石屑料及機制砂均不能直接作為第一層反濾料使用。

為最大程度的利用石屑料，針對石屑料總體粒徑較大的特性，反濾料最大D15取0.7mm，根據規范[1]中的反濾設計方法，依次可推出最小D15取0.14mm，最大D60取3.5，最小D60取0.7，最小D5取0.097，最大D100取30，最大D90取15。第一層反濾料顆粒級配包絡線如圖3所示。

圖3 第一層反濾料顆粒級配包絡線

為了解決石屑料及機制砂均不能直接作為第一層反濾料的問題，在石屑料中分別摻入不同比例的機制砂進行顆粒級配分析，石屑料及機制砂的摻和比例分別為10∶1、10∶2、10∶3。不同比例摻合料的顆粒級配曲線與包絡線如圖4—圖6所示。

圖4 摻合料(石屑料+10%機制砂)顆粒級配曲線

圖5 摻合料(石屑料+20%機制砂)顆粒級配曲線

圖6 摻合料(石屑料+30%機制砂)顆粒級配曲線

不同比例摻合料的主要特征參數見表3。

表3 不同比例摻合料主要特征參數

由以上分析結果可知，當石屑料及機制砂的摻和比例為10∶1或10∶2時，混合后的砂礫摻合料顆粒級配較好，能滿足濾土要求、排水要求、最大最小粒徑準則、防止分離準則及其他準則，為最大程度利用篩余石屑料，建議石屑料及機制砂的摻和比例為10∶1。

4 結論

文章結合項目現場材料實際情況，為最大程度利用生產碎石的篩余石屑料，做到廢料再利用，將適當比例的機制砂摻入石屑料中后，摻合料可滿足第一層反濾料的設計要求，為當地天然反濾材料缺乏的土石壩設計提供一定的借鑒意義。