浅析粘土心墙风化料坝反滤层设计包络线的绘制及调整

马智恒

摘要：文章介绍了粘土心墙风化料坝反滤层包络曲线的计算过程，以及在实际项目中的应用，为今后类似工程设计，提供思路及参考借鉴。

关键词：反滤层设计；包络线；最大D₁₅调整；

引言

粘土心墙风化料坝中反滤层的级配设计尤为重要，设计根据被保护土颗分实验初步拟定的反滤层上、下包络线，在施工阶段会出现配备的反滤层级配曲线部分点位不在上、下包络线范围内，而在反滤层设计过程中最大D₁₅的取值较为重要，在规程规范允许范围内调整上述该参数的取值可以适当调整上、下包络线粒径范围，使得在实际施工过程中容易配备反滤层的级配，对提高后期施工效率、降低施工成本起到关键作用。

1包络线设计过程

以永懂水库扩建工程为例进行反滤层设计说明，永懂水库扩建工程枢纽主要建筑物由大坝、溢洪道、导流输水隧洞组成。大坝为粘土心墙风化料坝，最大坝高56.9m，大坝结构从上游到下游分别由混凝土预制块护坡、上游风化料、上游过渡层、上游反滤层、粘土心墙、下游反滤层、下游过渡层、下游风化料、下游草皮护坡、排水棱体组成。

首先进行第一层反滤层设计，第一层反滤层被保护土为粘土心墙，粘土料颗分实验成果见下表

颗料组成%
粒径（mm）	60～20	20～5	5～2	2～0.5	0.5～0.25	0.25～0.075	0.075～0.005	＜0.005	＜0.002
均值	1.54	7.14	3.13	1.6	1.67	4.42	38.75	41.75	31.95

根据颗分实验成果，绘制粘土料的粒径级配曲线，粘土料含有大于4.75mm颗料，用100除以小于4.75mm颗料的百分含量得到调整系数为1.13，将小于4.75mm各粒组百分数乘以调整系数，得到新的级配曲线，根据新的级配曲线确定小于0.075mm的百分数为91.28大于85，判断被保护土为细粉土和粘土。

根据滤土准则初步确定最大D₁₅≤9d₈₅=0.45mm,查粘土料粒径级配曲线可知，d₈₅=0.05mm，初步确定最大D₁₅=0.39mm，考虑反滤层渗透性要求，最小D₁₅≥4d₁₅（但不小于0.1mm），经计算4d₁₅=0.006mm，最终取值最小D₁₅=0.1mm，最大D₁₅/最小D₁₅=3.9＜5，故将最大D₁₅作为控制点1，最小D₁₅作为控制点2。

取初步设计反滤层的C_u=6，计算最大D₁₀值，D₁₀= D₁₅/1.2=0.325mm，计算最大D₆₀=6×D₁₀=1.95mm，将最大D₆₀作为控制点3；计算最小D₆₀=最大D₆₀/5=0.39mm，将最小D₆₀作为控制点4。

确定最小D₅和最大D₁₀₀，根据被保护土的类别确定最小D₅=0.075mm,最大D₁₀₀＜75mm，初步确定最大D₁₀₀=50mm，分别将最小D₅和最大D₁₀₀作为控制点5和6。

确定最大D₉₀和最小D₁₀，最小D₁₀=最小D₁₅/1.2=0.083mm,根据最小D₁₀＜0.5mm，确定最大D₉₀=20mm，将最大D₉₀作为控制点7。

分别将控制点4,2和5连线确定反滤层上包线，分别将控制点6、7、3和1连线确定反滤层下包线，将上、下包线延至100%，即为反滤层级配的初步设计成果。

为避免反滤层出现间断级配还需验算，使反滤层上、下包线C_u≤6，反滤层带宽还应满足D₆₀的任一最大与最小粒径比≤5，经验算上包线C_u=4.69,下包线C_u=5.57，最大D₆₀/最小D₆₀=5，满足不出现间断级配要求。

2 施工阶段反滤层适配过程

大坝填筑的反滤层均从设计规划的砂石料场购买进行配比设计，项目施工初期，施工单位对砂石料场购买后进行适配，一共适配了12组：第1组:总量2924g（1：3（瓜子石：机制砂））；第2组:总量3663g（1：4）；第3组:总量2965.5g（1:2）；第4组:总量5595g（1:1）；第5组:总量1513.8g（0:1）；第6组:总量5595g（1:1）；第7组:总量4777.7g（1:5）；第8组:总量4777.7g（1:5）；第9组:总量5619.4g（1:6）；第10组:总量5619.4g（1:8）；第11组:总量2195.4g（2:1）；第12组:总量2932.5g（3:1）。

将配比后的反滤层级配曲线放入设计反滤层上下包络线图发现，仅有第3组配比较为接近设计提供反滤层级配要求，成果见下图。

图1 初步设计的反滤层上、下包络线图和实际反滤层级配曲线对比图

经对比配备的反滤层出现一个点位不在设计反滤层上下包络线范围内，为减少重复工作量，再次验算原设计反滤层上、下包络线计算成果。

3.设计反滤层控制指标调整

实际配备反滤层过程中，反滤层级配曲线出现个别点位不在上下包络线范围内，经复核整个反滤层设计过程，最大D₁₅取值≤9d₈₅=0.45mm，初步取值0.39mm偏小，通过调整最大D₁₅取值为0.43mm，再次计算反滤层上、下包线各个控制点，计算成果分别为：最大D₁₅=0.43mm,最小D₁₅=0.1mm（最大D₁₅/最小D₁₅=4.3＜5），最大D₆₀=2.15mm，最小D₆₀=0.43mm，最小D₅=0.075mm，最大D₁₀₀=50mm，D₉₀=20mm。

将最大D₁₅、最小D₁₅分别作为控制点1、2；最大D₆₀、最小D₆₀分别作为控制点3、4；最小D₅、最大D₁₀₀分别作为控制点5、6；D₉₀作为控制点7；分别将控制点4,2和5连线确定反滤层上包线，分别将控制点6、7、3和1连线确定反滤层下包线，将上、下包线延至100%。在将实际配备的反滤层级配曲线和调整后的上下包络线放入图中对比，并验算反滤层不能出现间断级配，经验算上包线C_u=5.05,下包线C_u=5.65，均小于6，且最大D₆₀/最小D₆₀=5，满足不出现间断级配要求，且满足配备的反滤层级配曲线在上下包络线范围内，反滤层级配曲线能满足滤土和排水要求。成果见下图。

图2 调整后的反滤层上、下包络线及风化料、粘土料级配曲线图

根据求出的的第一层反滤层，用《碾压式土石坝设计规范》公式D₁₅/d₈₅≤4～5，和D₁₅/d₁₅≥5验算第一层反滤层与贝壳料的关系，第二层反滤层被保护土为第一层反滤层，d₁₅=0.28mm,d₈₅=8.2mm,查风化料级配曲线D₁₅=2mm，经计算D₁₅/d₈₅=4.1≤4～5，D₁₅/d₁₅=7.14≥5满足上述两式要求，本工程可不设置第二层反滤层。

4结论

在粘土心墙风化料坝中反滤层的设计中最大D₁₅的取值尤为重要，规范未规定准确的取值，为满足滤土原则规范给出了最小取值为0.2mm，最大取值为9d₈₅的范围值（被保护土为1类土的情况下），在实际设计过程中可以适当调整最大D₁₅取值，在满足规范取值范围的同时，还需满足最大D₁₅/最小D₁₅＜5的要求。土石坝作为当地材料坝，同时在对粘土料、风化料、砂石料取样做实验的料源是否具有代表性也是十分必要，只有具有代表性的料源做出的颗分实验成果对反滤层的设计才具有指导意见。满足取样具有代表性后，在选取合适的最大D15取值也是尤为重要，设计过程中将技术规范要求与当地材料的特性充分有机结合起来，对提高后期施工效率、降低施工成本起到关键作用，望本文能给类似工程的反滤层设计提供方案上的参考及借鉴。