砂砾石反滤料级配设计研究

２０１１年５月　第３３誊第３期　地下水　Ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　Ｍａｙ．，２０１１　Ｖｏｌ＿３３　Ｎ０．３　

砂砾石反滤料级配设计研究　

史　良　（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安７１０００１）　

［摘　要］　在土石坝和堤防工程砂砾石反滤设计中，长期以来，一直使用太沙基反滤准则，而太沙基准则适用　范围有其局限性。在王圪堵水库大坝反滤设计中，根据适用范围更广的谢拉德反滤准则，按反滤料分区设计思想，　由被保护土料的特征求出适宜的反滤料级配包线。　［关键词］　反滤料；级配；包线；砂砾石　

［中图分类号】ＴＶ２２２　［文献标识码］　Ｂ　［文章编号］　１００４—１　１８４（２Ｏｌ　１）０３～００９７—０２　

１　概述　３　被保护土料资料整理　

反滤层被认为是土石坝和堤防工程安全的第一道防线，　

在保证土坝和堤防工程安全运行中至关重要。长期以来，反　滤层设计一直使用太沙基反滤准则，该准则只能计算出反滤　

料的Ｄ　山于通过一个点可得到无数条颗粒级配曲线，早期　

反滤设计要求反滤料级配曲线应与被保护土料的级配曲线　

肜状大致相同，而现在研究与实践表明，这一要求并无必要，　所以仅计算出Ｄ。　并不能确定反滤料级配及其上下包线。本　文以王圪堵水库大坝反滤设计为例，依据适用性更广的谢拉　德反滤准则，从被保护士料级配分析、反滤料的特征粒径和　

反滤层的分区，以及防分离等方面进行探讨，初步求出反滤　料的级配包线，并对工程区丰富的细沙、粉细沙反滤性能进　

行分析。最后通过试验对计算结果进行验证。　

２　反滤层的分区　

王圪堵水库楸绍工程拦河坝为均质土坝，最大坝高　

４６．０　ｉｌｌ，坝长９５０　ｍ，坝顶宽度８．０　ｍ，大坝Ｅ游坝坡坡比　

ｌ：３．０，下游坝坡坡比１：２．５。坝基河床覆盖层细砂厚８～１３　ｍ，左岸岸坡风积、冲湖积砂厚９０　ｍ左右，属强透水层，设计　

采川膨润土塑性混凝土防渗墙和帷幕灌浆作为垂直防渗体，　

防渗墙后设水平网状排水体，坝后设堆石排水棱体。水平网　状排水体由砾石堆筑而成拟设两层反滤，第一层为混合砂厚　

３００　ｉｎｍ，第二层为细砾层厚２００　ｍｍ；排水棱体由块石堆筑而　

成拟没三层反滤第一层为混合砂厚３００　ｍｍ，第二层为细砾　

层厚２００　ｍｉｌｌ，第三层为土工织物（４００　ｇ／１＂Ｉ１　），土工织物下设　２００　ｍｉｌｌ厚细砾石垫层。大坝上游迎水面为混凝土块护坡设　排水孔。　

大坝下游排水体反滤为渗水出口，由水库补给，水源觅　沛，为关键部位，必须保证反滤质量；上游反滤的主要作用是　

防止水位下降时坝体土料孔隙中水分向　游排泄时引起水　土流火。但由于向＿Ｉ二游排泄的渗透比降一般不大，土料孔隙　

含水不多，水源有限。上游迎水面反滤工作条件远比下游　好，为非关键部位，反滤设汁可适当放宽。　按谓｛拉德级配整理方法，本　程筑坝土料为不含粗颗粒　

的窄级配料，不需要进行级配整理。　根据《王圪堵水库初步没计地勘报告》试验成果及颗粒　

分析，筑坝土料粒径级配曲线见图１，曲线特征值见表１。　

表１　被保护土料曲线特征值　

根据筑坝土料粒径级配曲线特征值，按谢拉德提出的分　类方法进行被保护土分类，被保护土小于２００号筛（０．０７５　

ｍｍ）粒径＞８５％属１类。　

４细砂、粉细砂级配分析　

根据《王圪堵水库初步设计地勘报告》试验成果及颗粒　

分析，坝基及左坝肩细砂、粉细砂颗粒径级配曲线见图１，曲　

线特征值见表２。　表２　曲线特征值　

按谢拉德提出的分类方法进行被保护土分类，被保护土　

小于２００号筛（０．０７５　ｍｍ）粒径４０％～８５％属２类。　

５反滤料级配设计　

根据被保护土料级配特征，按《碾压式土石坝设计规范》　ＳＬ２７４—２００１所列的谢拉德反滤设计方法进行各特征粒径的　

计算。　５．１　按滤土要求确定反滤层允许最大Ｄ１５值　确定反滤层的允许最大Ｄ。　值，对１类土最大Ｄ。　≤９ｄ　

［收稿日期】　２０１　１—２一ｔ５　［作者简介］　史良（１９７６一），男，陕两礼泉人，工程师，主要从事水利工程设计　［作。　

９７　３３卷　第３　地下水　２Ｏｌｌ卓５　

（如９ｄ８５小于０．２　ｍｍ，取０．２　ｍｍ）。最大Ｄ。　＜９ｄ　５＝９　ｘ　入粗砂较多，工程区细砂、粉细砂作为关键区反滤料利用价　

０．０７５：０．６７５　ｍｍ。　值不大。　

５．２按排水要求确定反滤层允许最小Ｄ１５值　

对于１，２号料场最小Ｄ。　≥４ｄ　＝４×０．０　０２５＝　０．０１　ｍｍ；对于３，４号料场最小Ｄｌ５≥４ｄｌ　５＝４×０．０　０３８＝　

０．０１５２　ｍｍ。取最小ＤＩ　值为０．１　ｌｒｌｌｔｌ。　５．３　最大Ｄ，　值与最小Ｄ。　值调整　上述计算的最大Ｄ１５与最小Ｄ　的比值０．６７５／０．１＝６．７５　

＞５，需调整，使该值不大于５。　被保护土颗粒非常细且反滤处于重要功能区，以最小的　

Ｄ，　为控制点，将其乘以５得到最大Ｄ，　＝０．１　Ｘ　５＝０．５　ｍｍ。　把最大Ｄ。　＝０．５　ｍｍ作为控制点１，最小Ｄ　作为控制点２。　

５．４　Ｄ６ｏ值确定　

最大Ｄｌ０＝最大Ｄｌ５／１．２＝０．４１７　ＩＴｌｍ　最大Ｄ６０＝最大Ｄｌ０×６＝０．４１７×６＝２．５０２　ｍｍ，此点作　

为控制点３　最小Ｄ６ｏ＝最大Ｄ６ｏ／５＝２．５０２／５＝０．５　ｍｒｒｌ，此点作为控　

制点４　５．５最小Ｄ５与最大Ｄｌ∞的确定　确定反滤料的最小Ｄ　与最大Ｄ　加，对所有类另Ｕ土最小　Ｄ　为０．０７５　ｆｉｌｍ，最大Ｄ。。ｏ＜７５　ｍｉｌｌ，分别作为控制点５和６。　

５．６最小Ｄｌｏ与最大Ｄ，０的确定　最小Ｄｌ０＝最小Ｄｌ５／１．２＝０．１／１．２＝０．０８３　ｍｍ　根据防分离准则，由最小Ｄ　。＝０．０８３　ＩＴ１１１＂１＜０．５确定最　

大Ｄ。。＝２０　ｍｍ，此点作为控制点７。　

５．７　反滤料上下包线的确定　将以上控制点绘制于大坝填筑土料颗粒级配曲线图上，　

连接控制点４、２和５确定反滤料的上包线，连接控制点６、７、　

３和１，确定反滤料的下包线，将上下包线延至１００％即反滤　料级配初步设计成果。反滤料上下包线见图ｌ。　

６　细砂　粉细砂反滤能力分析　

将计算的反滤料上、下包线和细砂、粉细砂级配曲线绘　

于大坝填筑土料颗粒级配曲线图上进行分析，见图１。　

由图ｌ可以看出细砂、粉细砂颗粒级配曲线基本重合，位　于反滤料上包线上方，不均匀系数１．８～１．９＜５，为不良级　

配，粒径８５％小于０．２　ｍｍ偏小，不满足反滤要求。　

ｔ　１，２上料颗粒级　曲线　，反滤料　包线　反滤料Ｆ包线　０　４十　颗粒轾配曲缱　细砂级配曲线　《　：珊　

＿｛ｌ｝ⅢＨ黼　『１　．粉身ｌＪ砂级配曲线　川ｌｌｌ　ｌ　ｌ　ｌｌｍ　ＩｌＩ　ｌＩｌｌＩｌＩ　ｊ　ｌ　㈨ｌ¨１　１　ｌｌ　㈨ｌＩ¨１１１Ｉ　轻　删　

Ｉ】　ｌｌＩｌｊ　ｌ　ｊ　ｊｉｌ＿　ｌＩ｝】Ｉ】｝｝…｝　０ｌ００　１０　１　０　１　０　０１　０　００１　图１　填筑土料级配曲线图　

为节省投资首先考虑当地材料的应用，工程区细砂储量　丰富，平均渗透系数１．７７　ｘ１０～ｃｍ／ｓ，且大部分为冲积砂，其　

渗透性和耐久性满足反滤料要求，但经上面分析细砂粒径偏　小，且级配不良不能直接作为反滤料应用。考虑掺人适量粗　

砂对其级配进行改良，经反复试配，当掺入１３０％粗砂后颗粒　级配曲线位于反滤料上下包线之间，满足反滤要求。但需掺　

９８　７反滤料设计　

７．１坝体迎水面反滤设计　

坝体迎水面为混凝土块护坡，并设置排水孔，反滤层要　

求以排水为主，局部（排水孔）需满足滤土要求。坝前迎水面　

反滤层主要作用为排水和过渡垫层，为反滤非关键部位，在　排水孑Ｌ局部满足反滤要求时，工程区细砂可以作为混凝土护　坡垫层应用。　７．２坝体与水平排水体反滤设计　

水平排水带由砾石堆筑而成，砾石最大粒径５０　ｍｍ，　

ｄ　＝４０　ｒｎｍ，ｄ，　＝１０　ｍｍ，含泥量小于５％。砾石和大坝填筑　料之间不满足反滤要求，需设反滤层。　

１）第一层反滤设计　

第一层反滤被保护土为大坝填筑料，其反滤料上下包线　同图１。　

２）第二层反滤设计　

第二层以上述第一层反滤料为被保护土体，取第一层反　

滤料ｄｊ５＝０．４０　ｉｒｌｍ，ｄ８ｊ＝５　ｌｌｌｍ。按照滤土和排水准贝Ｉｊ，　Ｄ，　／ｄ，　＝５／０．４：１２．５≥５和Ｄ　／ｄ　＝１０／５≤４—５，满足规　

范要求。可不设第二层反滤。　７．３坝后排水棱体反滤设计　

ａ）第一层反滤设计　坝后排水棱体第一层反滤料上下包线同图１。　ｂ）第二层反滤设计　

第二层反滤层以上述第一层反滤层为保护土体，排水棱　

体为块石堆筑，设计ｄ。　＝８０　ｍｍ，ｄ　＝５００　ｍｍ。取第一层反　滤料ｄ　＝０．４０　ｍｍ，ｄ。　＝５　ｍｍ。根据《碾压式土石坝设计规　

范》条文说明表８被保护土小于２００号筛（０．０７５　ｍｍ）粒径　

＜１５％，属４类。经计算，第二层反滤料上下包线见图２。　

接　州　＇ｆ　蛆　＋卜＋１２颗粒级配曲线　ｌｌｊ』＿滤科卜　Ｉ—　｝反料下包线，３．４土场颗缓１＿　１一　＋ｎ‘＿　一糟细砂级配曲　ｌ　抖１１’～Ｉ　…Ｊ　｝】ｊ＃Ｊｌ　［ｉ　Ｔ

１　０　１　０　１　０　０１　０　００１　圈２　笛一屏后滤ｊＩ｝ｉｌ卜．下旬鱼售圈　

８　坝体与左坝肩接触区反滤设计　

由以上分析可以看出左坝肩细沙不满足反滤要求，但根　

据地勘报告其破坏类型为流土型，反滤对其保护作用不大，　故坝体与左坝肩接触区不设反滤层，根据出逸比降考虑在坝　后进行压脚处理。　

９　试验验证　

水利部西北水利科学研究所实验中心对计算结果进行了试　

验验证，试验结果：（Ｉ）ｌ｝｝反滤料（第一层）承担了９５％以上的水　头，土料与１＃反滤料接触的允许坡降在１Ｉ．５９～１３．２４之间。ｌ栉反　

滤料满足反滤排水准则，能很好的保护土料。　（２）２＃反滤料（第二层）允许坡降在　（下转第１５３页）　

∞∞鲫加鲫蛐如∞　加ｄ一　３３卷　第３期　地下水　２０１　１年５月　

２．５场次降雨量对比分析　

（１）单站遥测存储数据与整编数据对比，平均误差在　

一２．２５％～５．７０％，最大误差３．７０％～３８．５ｌ％，最小洪差　

在０．Ｏ％～１．６７％，平均合格率７１．９６％。　（２）单站人二Ｉ：观洲与整编数据对比，平均误差在　

一８．６３％～８．７２％，最大误差在０．４９％～ｌ９．１２％，最小误　

差０．Ｏ０—３．１　５％，平均合格率在８１．０５％。　（３）单站遥测接收数据与存储数据误差为０。　

以上三项数据详情请见场次雨鼍对比分析表及汇总表２。　

…下表中看出遥测存储数据与整编数据对比，腰寨子、　薛家、二站超标准次数栩对较多，人１二与资料整编对比，王宝　

厌、横迫河于趟标准次数卞目对较多。　

表２　铁岭分中心场次雨量分析次数统计表　３　遥测系统存在的问题及建议　

（１）遥测雨量器信息传输采用双信道ＧＰＲＳ为主信道，　

ＧＳＭ为备用信道，但是由于移动公司经１常检修维护或升级　

ＧＰＲＳ系统，有时ＧＰＲＳ会中断。　

（２）从日旬月、及场次雨龄汇总表中看出，遥测存储与　

资料整编对比、人工报汛与资料整编对比、遥ｉ！『１４接收与遥测　

存储对比的误差合格率较高，能够达到精度要求。　

（３）遥测存储数据误差的合格率都在８０％以上，其中宝　

力、腰寨子、薛家等站虽然合格率都存８０％以上，但出现超出　

允许误差的数据（存储数据）都人于整编数据，数据明显存在　

系统偏大，经分析有可能是雨量器翻　・的误差影响，可对该