土石坝坝体反滤料特征粒径计算与包线设计

贺新华，蔡勇平，蔡晓鸿

（1.江西省莲花县水利局，江西 莲花，337100；2.江西省吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安，343000；3.江西省吉安市水利局，江西 吉安，343000）

0 引言

土石坝是孔隙介质土的碾压堆积体。土石坝挡水后，在上下游水位差的作用下，库水将在坝体土与坝基土中流动，形成土石坝渗流，并由此产生土石坝的渗流稳定问题。理论分析与工程原型观测均揭示，土石坝坝体与坝基的渗流破坏都始于渗流出口，然后逐步向上游发展。迄今为止，尚未发现先从内部发生渗透破坏，然后向上游发展的工程实例。对均质土坝，渗流破坏往往始于下游坝坡、坝基出逸段或浸没段。对设有土质防渗体的土石坝，渗流破坏则往往始于渗流水穿过防渗体进入强透水体的所谓内部出口部位，如黏土斜墙、黏土心墙与反滤层接触部位。此外，坝体土与坝基透水覆盖接触区、坝体土与岩基中断层破碎带、裂隙密集带接触区，也是渗流破坏易发高发部位[1]。由此可见，采用可靠反滤层保护渗流出口与不同土层的接触渗流部位，保障坝体细粒土不被带出反滤层，是防止渗流破坏、保证土石坝渗流安全的关键性工程措施。

笔者探究了就土石坝反滤层功能，反滤层设置部位，反滤料特征粒径计算推求，反滤料包线初拟及调整、校验等涉及反滤层设计关键问题，供参考。

1 反滤层的功能

土石坝反滤层的功能是滤土排水，要求反滤层既能防止坝体或坝基的被保护土随渗流水析出，又能保证渗流水顺畅排出，使坝体、坝基内的渗流水能量得以释放，达到排水减压效果，保证土石坝的渗流安全。

众所周知，土石坝坝体、坝基的渗流控制设计理念与工程措施是“上堵下排”，即采用上游防渗与下游排渗相结合的工程设施进行综合防治。坝体与坝基防渗体的功能，一是延长渗径，减小渗流流速和渗流压力，承担较高的渗流水头，削减过防渗体后的渗流位势，防止坝体、坝基产生危害工程安全运行的渗流冲蚀破坏。二是拦截渗流水量，避免出现影响工程效益正常发挥的渗漏量损失。但众多土石坝防渗工程实践表明，仅靠防渗措施以求完全截断坝体渗流，保障土石坝渗流安全，往往是不可能的，也是不经济的，甚至是不科学的。特别是在土石坝两坝端与岸坡接触部位、坝体与其他穿坝建筑物连接部位，防渗体的连续性往往难以实现，使防渗体的封闭整体性遭受破坏，而上述坝体防渗结构薄弱部位将成为潜在的渗流通道。因此，在土石坝采取防渗措施的同时，应设置坝体排水体，保护渗流出口[2]。

土石坝坝体排水反滤设施的设计功能要求既能阻止坝体与坝基中细粒土随渗流水析出，又能顺畅排除上游坝体内渗流水，且当坝体或防渗体存有局部缺陷，甚至存在贯穿性裂缝时，能在反滤层的保护下，随着细粒土沿渗漏通道的逐渐沉积、固结，使防渗体存在的缺陷及裂缝渐趋淤塞，甚至修复自愈。

综上可见，设计合理、性能良好的反滤层是保证土石坝渗流安全的重要设施。因此，设计人员应精心设计土石坝各部位的反滤层，避免设计的盲目性，甚或虚设误导。

2 反滤层设置部位

理论分析与工程运行观测表明，土石坝反滤层设置部位为存在潜在渗透变形部位，如土质防渗体与坝壳、坝基透水层之间及下游渗流出逸处，土质防渗体与坝下涵管接触部位下游管段，下游坝壳与坝基底部、两岸坡透水层及岩基中发育的断层破碎带、裂隙密集带接触区等。

3 反滤层设计

3.1 被保护土料颗粒级配取用[1]

反滤层设计中，被保护土料颗粒级配是重要基础资料，通常按以下方法取用确定：

（1）对最大粒径小于5 mm的被保护土，取用被保护土的原始颗粒级配。

（2）对含有大于5 mm颗粒的连续级配被保护土，宜取粒径小于等于5 mm的颗粒级配。

（3）对含有大于5 mm颗粒的被保护土，若小于等于5 mm部分颗粒级配为不连续级配，宜选取“台阶”起点粒径以下部分的颗粒级配。

3.2 反滤料特征粒径计算与级配包线设计

现行SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》推荐采用谢拉德反滤设计准则，给出了依据被保护土颗粒级配初步拟定反滤料级配包线的基本原则，但未能完整提出反滤料包线各特征粒径的计算方法，未全面给出反滤料级配上、下包线调整确定应满足的定量与定性设计要求，致使反滤料级配包线设计在相当程度上依赖设计人员的经验，有一定盲目性和较大不确定性。

SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》，分别按滤土要求与排水要求，给出反滤料下包线特征粒径D15max与上包线特征粒径D15min的计算公式及取值，如表1所示。

表1 反滤料下包线特征粒径D15max、上包线特征粒径D15min计算公式及取值[1]Table 1 Calculation formula and values of the characteristic particle size D15max at the lower envelope line of filter material and the characteristic particle size D15min at the upper envelope line of filter material

据表1计算确定的特征粒径D15max和D15min，可初步拟定反滤层下包线与上包线之间的带宽：

为避免反滤料出现间断级配，现行SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》在标准条文中明确规定，反滤料颗粒级配带宽按上、下包线相同粒径的含量百分数差值不宜大于35%校验。

众所周知，绘制一条曲线至少需要3个点，确定反滤料上、下包线也是如此。给出的包线上特征粒径点愈多，点绘的包线将愈精确。反滤料颗粒级配包线特征粒径取值，除应满足表1给出的滤土排水要求外，还应符合以下定量与定性规定：

（1）反滤料应不具黏性，不出现裂缝[3]。

（2）反滤料应防止分离，防止分离的特征粒径适配关系见表2。

表2 防止分离的下包线D90max和上包线D10min粒径关系Table 2 Particle size of the D90max at the lower envelope line and the D10min at the upper envelope line to prevent separation

（3）反滤料应为连续级配，不均匀系数Cu≤6，以满足铺筑压实标准要求。

（4）反滤料在坝体内传递应力，其强度应坚硬致密，具抗水抗风化性能。

（5）反滤料应使裂缝防渗体中细粒土不沿裂缝随渗流水流失，并能逐渐淤塞裂缝。

于是，据反滤料不具黏性，可得反滤层上包线特征粒径D5min≤0.075 mm。进而，据带宽α，可推求得下包线特征粒径D5max=αD5min。

另据防止反滤层分离准则，对黏土类被保护土，有D10min≤0.5 mm，从而据表2，可查得D90max≤20 mm。又据SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》有关条款规定，下包线最大粒径D100max≤50 mm。

再据反滤料为连续级配，便可由D15max线性外推 ，求 算 特 征 粒 径D10max。 为 此 ，令另，据有关学者研究，β=1.2~1.5。

求算出下包线特征粒径D10max后，则由反滤料不均匀系数可得特征粒径D60max≤6D10max。

此外，依据以上求算的反滤料下包线特征粒径D10max、D60max、D90max与上包线特征值D5min，按初步计算拟定的上、下包线带宽α，便可推求得：

综上，据所得反滤料下包线特征粒径D5max、D10max、D15max、D60max、D90max和反滤料上包线特征粒径D5min、D10min、D15min、D60min、D90min，可分别点绘出反滤层的下包线和上包线，并将其顺延至D100max、D100min，便得反滤料下包线和上包线的雏形。

为使所推求绘制的反滤料上、下包线及拟定的设计级配曲线更合理，尚需按以下设计要求对其做进一步定形修正、校验、调整。

首先，为防止反滤料级配范围较宽，出现间断级配的反滤料，应按相同粒径的含量百分数差值不宜大于35%的原则，对基本确定的反滤层上、下包线雏形的带宽进行修正。其次，应据具体工程反滤层设计的功能侧重，对反滤料设计级配曲线做进一步适配调整。如以滤土为主，则先确定下包线，按反滤料级配曲线更接近上包线特征粒径D15min进行拟合；如以排水为主，则先确定上包线，按反滤料级配曲线更接近下包线特征粒径D15max进行拟合。此外，考虑到土石坝防渗体存在裂缝是常见病害，难以绝对避免，为使防渗体裂缝在反滤层保护下可逐渐被淤塞，据有关渗流试验[2]，反滤层反滤料特征粒径D15与裂缝防渗体的抗渗强度J间应满足关系式：

式中：Gs为防渗体土粒比重；WL为防渗体的液限含水率。

土工试验中，防渗体的土粒比重、液限含水率均是较易测定且相对稳定的物理性质指标。因此，采用式（6）校验裂缝防渗体是会进一步恶化，还是在反滤层保护下得到控制且逐渐淤堵修复，具有工程实用价值。

再者，鉴于土石坝防渗体的功能重要性，大型水利工程或重要中型水利工程土石坝的反滤层设计还应通过渗透破坏试验，论证坝体各部位反滤排水体的型式取用、工程布置、反滤料级配及反滤层层厚拟定的合理性。

4 工程算例

某水库大坝为黏土心墙土石坝，心墙填筑土料颗粒组成见表3。

表3 大坝黏土心墙填筑土料颗分表Table 3 Composition and grading of filling materialof the clay core wall

鉴于黏土料场含有大于5 mm颗粒，选取粒径不大于5 mm部分的黏土料颗粒级配进行反滤设计，相应颗粒级配见表4。

表4 黏土料场不大于5 mm部分颗粒级配Table 4 Grading of the grains smaller than 5 mm from the clay yard

表5 黏土心墙反滤料包线特征粒径Table 5 Characteristic particle size at the envelope line of filter materialof the clay core wall

下面验算反滤层实际填筑反滤料特征粒径D15=0.25 mm对裂缝防渗体的修复功能。据土工试验，黏土心墙土粒比重Gs=2.75，土体液限含水率WL=0.204，裂缝防渗体的抗渗强度J=45。据式（6）计算得最大反滤料特征粒径D15max=0.56 mm，而实际填筑的黏土心墙反滤料特征粒径D15=0.25 mm小于D15max=0.4 mm，满足心墙裂缝后的反滤要求。

5 结语

依据被保护土颗粒级配，介绍反滤料包线特征粒径的计算推求方法及相关反滤层设计要求，给出了裂缝防渗体在反滤层保护下，裂缝渐行淤塞修复的特征粒径控制条件，有效提高了反滤层设计合理性，使防渗体进一步规避潜在的渗透破坏风险。