國外某大型水庫第一層反濾料優(yōu)化設(shè)計分析

盧志男，王興云

(浙江省水利水電勘測設(shè)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(diào)節(jié)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(zhì)土壩，最大壩高14m，壩體填筑土料為含砂粉質(zhì)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(shè)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(qū)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(tǒng)進行生產(chǎn)。項目部將生產(chǎn)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(yōu)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(shè)計準則

我國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[1]采用了美國墾務(wù)局的反濾設(shè)計準則[2]，認為反濾料級配應(yīng)均勻連續(xù)，而美國墾務(wù)局的反濾準則是在Sherard等[3-4]的反濾設(shè)計準則的基礎(chǔ)上，對以往試驗研究和實踐經(jīng)驗的總結(jié)。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(shè)：防滲料產(chǎn)生裂縫后，通過反濾層的保護，裂縫會淤填并通過滲透固結(jié)而愈合，或重新閉合。解決了土體結(jié)構(gòu)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(shè)計反濾料的級配。根據(jù)本工程地質(zhì)勘探成果，壩體填筑土料以含砂粉質(zhì)黏土為主，小于0.075mm顆粒含量約70%。根據(jù)規(guī)范[1]要求，保護黏性土的第一層反濾層設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計準則

3 第一層反濾料優(yōu)化設(shè)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(jù)規(guī)范[1]中的反濾設(shè)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(luò)線如圖3所示。

圖3 第一層反濾料顆粒級配包絡(luò)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(luò)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(shù)見表3。

表3 不同比例摻合料主要特征參數(shù)

由以上分析結(jié)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(jié)論

文章結(jié)合項目現(xiàn)場材料實際情況，為最大程度利用生產(chǎn)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(shè)計要求，為當?shù)靥烊环礊V材料缺乏的土石壩設(shè)計提供一定的借鑒意義。