摘要：在反滤料层的作用和设计原理方面，用反滤层滤土排水减压，防止土的渗透破坏是土力学理论和实践中的一大突破。针对中小型生产规模工程特点，考虑投资因素生产设备投入存在不足之处，设计Ⅰ反料颗粒控制较细，级配控制存在一定的难度，加工效率低下，成本较高，严重影响工程施工进度及增加施工成本。本工程通过开展的论证调整措施，有效调整扩大了中小型生产规模条件下粘土心墙坝反滤料的最大粒径宽度，有效解决了料源有限及加工成本高的问题。
关键词：粘土心墙；现状；反滤料；中小型生产规模条件
1、当前土石坝填坝料（中小型粘土心墙坝反滤料）研究探索的现状
在反滤料层的作用和设计原理方面，用反滤层滤土排水减压，防止土的渗透破坏是土力学理论和实践中的一大突破。以前常用的基于均匀无黏性土层间系数不大于4～5的准则设计反滤层，以及要求采用不均匀系数小于等于5的均匀材料作为反滤层，这已不适应于自然界存在的多种类型土的渗流控制。在结合具体工程进行广泛试验研究的基础上，建立了包括连续级配的均匀土、缺乏中间粒径的砂砾石、宽级配的砾石土、有裂缝的黏性土、分散性粘土等在内的各种土料的反滤层设计原则和方法，并对各种土的控制粒径取值方法作了规定。还积极推广不均匀土作为反滤料，放宽了反滤料最大粒径的限制，扩大了可利用料源。使反滤层的试验、设计及施工成为一个较为完善的体系[1]。
反滤层的最大作用是具有滤土和减压的双重功能，是渗流控制的主要措施之一，目前在水工建筑物中的地位越来越突出。但在具体实践中由于反滤层的设计比较复杂，料源条件有限，生产使用中问题较多。体现在设计方法较多，设计者对其适用范围掌握不透，大多工程反滤料多采用均匀料，不能大胆使用天然不均匀料，不能就地取材，导致料源缺乏；多数工程采用人工反滤料，加之设计充分考虑规范及设计安全系数较为谨慎，人工反滤料生产颗粒级配较窄。特别是在中小型工程中，反滤料需用量不大，相应生产设备投入有限，使得人工反滤料在生产使用中形成加大困难。
为此，本文以工程为实例，根据设计Ⅰ反料相关指标要求，结合工程实际情况，开展了中小型粘土心墙与反滤层整体渗变相关论证试验工作，调整扩大了该工程粘土心墙中灰岩Ⅰ反滤料粒径范围，有效扩大了生产料源。
2、工程实例
2.1工程概况
云南省文山州德厚水库坝址位于文山市德厚河中下游河段，是一座以农业灌溉和工业供水为主的综合利用的水利工程，工程由大坝枢纽工程、防渗工程和输水工程组成，拦河坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高70.9m，坝顶长181.7m。水库总库容1.13亿m³，为大（2）型水利工程。筑坝料包括反滤料加工所用石料均采自于规划石料场，料场大部分基岩裸露，用料底层为石灰系下统（C1）灰白、白色厚度、巨厚层状微晶、细晶灰岩，岩质中硬。心墙土料料源为棕红色粘土，为典型的云南红粘土。上下游各设置两层反滤层，其中Ⅰ、Ⅱ反滤层宽3m，反滤料需用量及生产规模较小。
2.2工程反滤料设计指标
工程反滤料设计指标（见图1），设计考虑被保护土高塑性、高液限、粘粒含量平均达到52.9%，属Ⅰ类土。设计按被保护土为Ⅰ类土进行Ⅰ反滤料包络曲线设计。
图1
3、Ⅰ反滤料生产调试情况
鉴于本工程中小型生产规模，生产系统投入相对有限。组织规模生产的前期我们在现场按设计包络曲线相关指标进行调试生产，现场试验室同步进行理论状态下的试配论证等试验工作。结合生产实践我们发现要满足Ⅰ反滤料生产符合设计所提供的包络曲线要求，生产的反滤颗粒最大粒径须控制在≤2mm，≤0.075mm的颗粒含量小于5%。虽然采取定制2mm的控制筛板控制了最大粒径，但由于生产的反滤料过细，小于0.075mm颗粒含量达到30%～40%，这对于灰岩地区碳酸岩原料生产符合设计要求的反滤料是十分困难的。经考察类似工程生产情况，灰岩原料生产反滤料普遍存在中间1～2mm颗粒含量偏少，≤ 0.75mm含量偏高，一般大于10%。这就对本工程Ⅰ反滤料的生产控制带来了巨大困难，我们也在现场采取了调锤、调筛、水洗去粉等措施组织了试验性生产，实践结论是生产效率极低，统计生产效率为70m3/天，（设备额定产量为：1000m3/天工程施工需求量为：450m3/天）完全不能满足工程建设的需求。小于0.075mm颗粒含量达到30%～40%须加大水量降至小于5%，技术难度大同时造成成本高昂，不具备大规模生产条件。同时，处于地震区的土石坝，如果反滤料5mm以下颗粒含量高，应验算其液化的可能性，并根据坝的地震设防烈度，确定相对密度[2]。
至此，按设计要求进行Ⅰ反滤料生产存在：生产效率低、成本高、影响工期、增加费用等问题，这跟目前倡导的创新理念不相符，特别是与土石坝在扩大筑坝料可利用料源方面的探索研究不符。为此我们组织了该工程项目参建各方开展协调工作，提出了我们的意见，并统一了组织反滤料整体渗变的论证工作思路。
4、开展的试验论证工作
4.1论证工作的实施方案
根据我国在积极推广用不均匀土做反滤，放宽反滤最大粒径的限制，扩大可利用料源研究探索目前取得的成果，结合本工程上述存在的反滤料加工生产的实际问题，充分考虑被保护土的物理特性，我们提出通过采取论证措施调整扩大反滤料粒径范围，增大最大粒径控制；同时提出上游死水位以下进一步放宽粒径要求采用现场已生产备料部分作为反滤料（死水位以下反滤层的主要作用是在防渗体和堆石料之间形成彼此间强度与变形的良好过渡，根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001中指出“根据材料性能，库水位变化情况等防渗体上游反滤材料的级配、层数和厚度相对于下游反滤层可简化”）。上述调整意见以解决生产效率低、成本高的实际问题。
我们制定了试验论证方案。即首先开展了被保护土的物理特点试验（颗粒分析），并委托中国电建集团勘测设计研究院有限公司昆明科学研究分院进行不同粒径（粒径≤6mm、粒径≤12mm、粒径≤20mm）反滤料颗粒分析、相对密度、渗透系数、整体渗透变形（临界坡降、破坏坡降）。
4.2试验描述
心墙、Ⅰ反料（粒径≤6mm）整体渗透变形试验，由下而上进水饱和后，由上而下进行试验，坡降加至12时出现水略浑，坡降加至19、29、39时出水先浑浊，稳压过程中又变清，坡降至55、80时水浑浊带有大量细粒，并有少量细粒下移，后水变清无颗粒。坡降加至130时，出水浑浊，试样中细粒被水带出，10分钟后水变清颗粒减少。拆样观察心墙料中细粒未明显移至反滤层。试验确定临界坡降为15.5，破坏坡降为34。（其它粒径组合试验渗透破坏坡降达34～67.5，见图2、图3）。
图2反滤料（粒径＜6mm）坡降与流速关系曲线
图3反滤料（粒径＜12mm）坡降与流速关系曲线
表1 文山州德厚水库工程心墙料、反滤I料整体渗透变形试验检测报告
4.3试验结论
心墙、Ⅰ反料整体渗透变形试验（包括不同粒径组合）均能满足规范要求。（见表1）。
5、粒径级配范围调整的可行性分析
根据试验结论当Ⅰ反料颗粒含量小于15%的粒径放宽至0.4时，心墙+Ⅰ反料临界渗透比降为34。考虑施工现场与实验室的不同条件因素，按安全系数为5计算后得到的允许渗透比降为6.8，仍显著大于心墙下游逸点
最大比降1.28，故对Ⅰ反料级配作适当调整是可行的。为此，对原设计Ⅰ反料包络曲线进行了调整。调整成果为：扩大Ⅰ反滤料粒径范围后，生产调整措施范围相应扩大，现场生产主要控制最大颗粒和≤0.075mm含量即可，现场采用5mm筛控制最大粒径，相应≤0.075mm颗粒含量在9%左右，适当采用可控水量水洗法控制≤0.075mm含量小于5%，方便了生产加工，生产效率显著提高，避免了因生产效率低而造成的成本高及工期延误风险。
6、结论
基于德厚水库大坝中小规模的粘土心墙坝。（1）心墙粘土料为灰岩风化产物（典型的南方红土），粘粒含量平均高达52.9%，对反滤保护设计要求高，反滤料采用当地灰岩原料加工制备。（2）针对中小型生产规模工程特点，考虑投资因素生产设备投入存在不足之处，设计Ⅰ反料颗粒控制较细，级配控制存在一定的难度，加工效率低下，成本较高，严重影响工程施工进度及增加施工成本。本工程通过开展的论证调整措施，有效调整扩大了中小型生产规模条件下粘土心墙坝反滤料的最大粒径宽度，有效解决了料源有限及加工成本高的问题。调整措施已投入工程建设，截止目前大坝填筑过半效果良好。此类中小型生产规模的类似工程条件在云南普遍分布，以此浅谈调整应用，希望能对类似工程提供参考意义。
参考文献：
[1]刘杰.水利水电 《土的渗透破坏及控制研究》2014.5.
[2]《水工设计手册》第2版第六卷.土石坝
[3]《碾压式土石坝设计规范》.
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论文作者:赵光龙,李晓松
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/27
标签：粒径论文; 滤料论文; 工程论文; 粘土论文; 颗粒论文; 含量论文; 土石论文; 《基层建设》2019年第1期论文;