津桥湖粘土心墙坝反滤料的材料级配

　　1概述。

　　考虑土石坝填筑料的散粒体特性， 渗透水流经过两层级配相差较大的填筑层以及渗流流出部位，可将细小颗粒带出，从而造成管涌和流土的发生。 据国内外统计， 由于渗流（特别是反滤设施设计不当），造成土石坝破坏的情况已占全部土石坝失事总数的 40%.

　　在土石坝中， 为达到防止坝体发生渗透破坏的目的，需要合适部位设置反滤层。反滤料的材料多为砂或砂砾，其作用为：滤土，即满足被保护土料不会流失；排水，即保证渗流通道顺畅；能使土质防渗体出现的裂缝自愈。本论文参照土石坝设计规范中的谢拉德准则及太沙基准则， 结合四川省巴中市津桥湖粘土心墙坝，设计其反滤料的材料级配。

　　2工程概况。

　　四川省巴中市津桥湖水库位于巴中市城区，坝体包括粘土心墙挡水坝体和“以堤代路”的公路培厚体，粘土心墙坝坝顶轴线长 128.77m,坝顶高程 384.00m,最大剖面建基面高程 355.00m,截水槽底高程 350.00m, 最大坝高 34.00m, 坝顶宽度取5m.

　　公路培厚体主要在粘土心墙坝下游填筑堆石体至公路路面高程。 填筑体轴线长 155.90m,路面高 程 395.55m. 填 筑 体 最 大 剖 面 建 基 面 高 程355.00m,最大填筑体高 40.55m,公路宽度 30.00m.

　　其具体的坝体分区如下：

　　心墙顶高程定为 383.60m,顶宽 4.0m,上下游坡比均为 1:0.3. 心墙底部设置截水槽，截水槽底部放在密实的强风化基岩层上，底高程 350.00m.

　　沿截水槽底部做基础帷幕灌浆防渗， 灌浆深度深入地基相对不透水层下 5m. 心墙上、下游侧设置反滤层；下游侧铺设一层土工膜与心墙联合防渗。

　　截水槽底部周边用 10cm 厚 M75 砂浆封闭， 并在底部设混凝土刺墙。反滤层上游为上游坝壳区，其上游坡比为 1:2.4;反滤料下游为下游坝壳区（即公路填充区），其上下游坡比分别为 1:1.6 和 1:1;最下游部分为下游堆石区， 其下游坡比为 1:1.6;下游坝壳区与下游堆石区与地基接触的部分，设置排水区。

　　具体坝体结构见图 1 所示。

　　3反滤料颗粒级配设计。

　　3.1防渗体两侧第一层反滤料设计。

　　第一步：作出被保护土料的粒径级配曲线，判断被保护土的分类。根据成勘院巴中实验室提供的心墙料颗粒级配组成（见表 1），做出被保护土料的粒径级配曲线见图 2.

　　由于被保护土料中，粗粒（大于 4.75mm）的含量为 23.55%, 需要选取细料部分， 调整其级配曲线；调整后，粒径小于 0.075mm 的颗粒占调整后的被保护土料的 72.24%,则被保护土为 2 类土。

　　第二步：根据滤土要求，确定反滤层的允许最大 D15 值。

    D15≤0.7mm

    式中：D15 为反滤料中， 小于该粒径的颗粒质量占总量的 15%,mm.

　　第三步：根据排水准则，确定反滤层的允许最小 D15 值。

    D15≥0.1mm；D15≥4d85

    式中：d15 位被保护土料中， 小于该粒径的颗粒质量占总量的 15%,mm.

　　根据图 2 心墙料的材料级配曲线， 得到 d15=0.0045mm,则反滤层的 D15 值≥0.1mm.

　　第四步：调整最大 D15 与最小 D15 的比值，使其小于 5.

　　本 设 计 反 滤 要 求 较 高 , 调 整 最 小 D15 取0.1mm,最大 D15 取 0.5mm.

　　第五步：根据初始设计反滤层的 Cu 值为 6,同时避免使用间断级配的反滤料 （过筛率为 60%粒料的任一粒径最大与最小的比不大于 5）， 设计D10、D60.

　　最大 D10=最大 D15/1.2=0.5/1.2=0.417mm;

    最大 D60=最大 D10×6=0.417×6=2.50mm;

    最小 D60=最大 D60/5=2.50/5=0.50mm;

    第六步：根据最大最小粒径准则，最大 D100<75mm,最小 D5=0.075mm.

　　第七步： 控制反滤料最大的 D90 和最小的D10,减少施工中的分离。

　　最小 D10=最小 D15/1.2=0.1/1.2=0.083mm;最大 D90=20mm.

　　根据以上步骤， 得到第一层反滤料级配范围见表 2.

　　然后， 将设计的反滤料上下包线延长， 得到100%的完整的级配曲线；根据初步设计，心墙外设置的反滤层为粗砂。 在“粗砂”范围内选取相应的级配曲线。

　　3.2防渗体两侧第二层反滤料设计。

　　防渗体两侧第一层反滤料为粗砂， 即无粘性土；其不均匀系数？5―8,可根据太沙基准则进行设计。 根据图 3 第一层反滤材料级配曲线，得到第一层反滤料的关键级配数字见表 3.

　　根据太沙基准则， 以设计的第一层反滤土作为被保护土料，第二层反滤层的级配应满足：D15/d85<4 且 D15/d15>4.

　　坝 体 石 渣 料 的 D15=18.45 ― 32.55mm,D15/d85=4.62―15,不满足滤土准则；为保证安全，在坝体堆石料与第一层反滤层之间设置第二层反滤层。

　　D15<4d85=4×2.17=8.68mm;

　　D15>4d15=4×0.25=1.00mm;

    为防止使用分离的反滤料， 调整 D15=1.50―4.50mm;在级配良好的前提下，得到相应的级配曲线，见表 4.

　　3.3第二层反滤料与坝壳料关系验算。

　　根据太沙基准则， 以设计的第二层反滤土作为被保护土料， 坝体石渣料的级配应满足：D15/d85<4 且 D15/d15>4.

　　坝体石渣料的 D15=18.45-32.55mm, 满足上述要求，不需增设第三层反滤层。

　　4结语及建议。

　　1）反滤 料的设计准则为 :滤土 、排水 、防止分离准则，综合考虑以上三个准则，并选取级配较为良好的反滤料，是反滤料级配设计的核心问题。

　　2）D15（反滤层的过筛重量占 15%时的反滤料粒径）为反滤层设计的较为关键的数据，对渗流变形及破坏影响较大。

　　3）对于 本工程 ,未取得详实的试验数据验证反滤料是否满足反滤及排水准则， 以及其坡降是否满足要求。 重要的反滤层设计还须通过反滤试验论证材料合理性。

　　参考文献：

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　　[2]United States Department of Agriculture,National EngineeringHandbook[S].

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　　[5]郭庆国。砂石滤层准则的研究与发展[J].西北水电，2001,（2）：29-34,47.