南水北調中線總干渠磁縣段膨脹土渠基排水反濾層設計探討

□付明軍

南水北調中線總干渠磁縣段膨脹土渠基排水反濾層設計探討

□付明軍

南水北調中線總干渠磁縣段膨脹土高地下水位渠段采用內排或外排方式降低渠外地下水浮托力，根據反濾料保護的膨脹土顆分曲線,對反濾料進行設計。反濾料作為保護膨脹土滲流穩定的一個重要環節，除應滿足規范要求的濾水、排水、自身級配均勻連續等條件外,還應綜合考慮施工設備等因素影響,以確保工程質量。

膨脹土；高地下水位渠段；渠基排水；反濾

反濾結構是一項重要的水工結構，其級配設計是水工設計的核心之一，南水北調中線工程總干渠磁縣段膨脹土分布范圍較廣，大部分為挖方渠段，且地下水位較高，總干渠施工和運行過程中會發生地基土滲透問題。土體顆粒在滲透力的作用下，容易發生侵蝕而引起顆粒流失產生滲透破壞。反濾層可充分發揮濾土和排水的作用，是防止土體滲透破壞的有效措施。濾土能夠防止顆粒流失，保證不發生管涌、流土等有害的滲透變形，同時能夠阻止被保護土顆粒進入反濾層，排水能夠使進入反濾層的滲透水順利排走，滲透水壓力全部或大部分消失，從而達到滲透穩定的目的。因此，對于高地下水位的膨脹土渠段，加強反濾層級配設計，是總干渠安全運行的重要保障。

1.工程概況

南水北調中線工程總干渠磁縣段以冀豫交界處的漳河北岸為起點，與中線控制性工程漳河倒虹吸相連接，沿京廣鐵路西側的太行山東麓自南向北，途經海河南系漳衛河和子牙河兩大水系中上游地區，至河北省磁縣、邯鄲縣交界的河北村為終點，線路總長40.056km，其中膨脹土 （巖）累計分布長度14.211km，且大部分為深挖方、高地下水位渠段，渠基排水設計是渠道工程設計的關鍵和核心。

磁縣段設計流量為235m3/s，加大流量265m3/s，渠道為梯形斷面，底寬17.5～25.0m，設計水深6.0m，縱坡1／23000～1／26000。渠道反濾排水系統采用粗砂、砂礫石結合的軟式透水軟管匯集，由逆止閥集中排除。防滲采用600g/m2復合土工膜和800g/m2復合土工膜，土工膜下鋪設擠塑聚苯乙烯保溫板防凍脹層。一般渠段渠道混凝土襯砌厚度渠坡為10cm，渠底為8cm，高填方安全加強措施渠段渠坡、渠底厚度為25cm，強膨脹土及中膨脹土挖深大于15m渠段渠坡、渠底襯砌厚度15cm。渠道襯砌混凝土強度等級C20，抗滲等級W6，抗凍等級F150。

根據膨脹土渠段的排水設計方案，渠坡設置縱、橫向排水盲溝，盲溝內設置反濾料，渠底布置反濾料墊層，渠外地下水通過反濾料滲入盲溝和反濾料墊層的透水軟管內，如果反濾料沒有起到反濾效果，膨脹土顆粒將進入反濾料造成於堵，不能有效排水，導致襯砌板在浮托力的作用下破壞。排水系統的設計以反濾料為重點，反濾料應滿足濾土、排水、級配良好等要求，因此對膨脹土渠段的高地下水位渠段，在選擇排水反濾料時，應嚴格遵守反濾準則，確定合理的反濾級配，保證起到濾土、排水等效果。

2.膨脹土顆分試驗

反濾層設計的核心是保證被保護土在滲流作用下不發生滲透變形破壞，膨脹土渠基地下水滲流的被保護土為膨脹土，要保證膨脹土的滲流穩定，首先必須了解膨脹土的顆粒粒徑分布情況，這樣才能針對膨脹土的粒徑，按照反濾準則，確定反濾料的級配。

該渠段膨脹土主要分布在樁號10+650—13+410、17+370—19+200、21+520—22+700、27+150—28+873、30+765—40+056，選擇這5段中具有代表性的膨脹土，進行顆分試驗。顆分試驗成果見表1，顆分曲線見圖1。

3.反濾層設計計算

根據 《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)和典型渠段膨脹土代表試樣的顆分試驗，對排水反濾料進行設計，設計采用規范中介紹的謝拉德1989方法。

3.1 反濾層應滿足濾土要求

依據典型渠段的膨脹土顆分試驗成果，膨脹土土料小于0.075mm顆粒

表1 典型渠段的膨脹土顆分試驗成果表

圖1 典型渠段的膨脹土顆分曲線

式中：

D10—反濾料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的10%；

D60—反濾料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的60%。

根據規范，反濾料最大粒徑D100＜75mm,最小粒徑D5=0.075mm，反濾料最小D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.083mm,據此，最大D90=20mm。

3.4 繪制包絡圖

根據上述成果繪制反濾料級配設計包絡圖。見圖2。含量大于85%,反濾層按下式確定：

D15≤9d85

式中：

D15—反濾料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的15%；

d85—被保護土的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的85%。

根據顆粒大小分配曲線可知，d85=0.05mm,則D15≤9×0.05=0.45mm。

3.2 反濾層應滿足排水要求

反濾層需符合下式要求：

D15≥4d15,且D15≥0.1mm

式中：

d15—黏土料的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的15%。

根據黏土料顆粒大小分配曲線可知,d15=0.004mm,取D15≥0.1mm，因此設計取最大 D15=0.45mm,最小 D15= 0.1mm，最大D15與最小D15比值為4.5,小于5.0,可避免反濾料出現間斷級配。

3.3 其他要求

防止采用間斷級配的反濾料：設計反濾料應滿足過篩率為60%粒料中任一粒徑的最大值與最小值的比率不大于5。

反濾料級配范圍：不均勻系數小于等于6。

主要計算內容如下：

最大 D10=最大 D15/1.2=0.45/1.2= 0.375mm；

最大 D60=6×最大 D10=6×0.375= 2.25mm；

最小 D60=最大 D60/5.0=2.25/5= 0.45mm；

4.結論

一是反濾層級配設計是反濾設計的核心，是防止土體滲透破壞的有效措施。膨脹土渠坡的穩定與水密切相關,選擇合理的排水措施和反濾料，可以保證渠坡的穩定。二是根據被保護土（膨脹土）的性質和顆粒組成，采用恰當的反濾準則，是反濾層設計經濟合理的關鍵，反濾設計要保證土體不發生滲透變形和滲透水通暢排出。三是反濾層設計不僅應滿足濾水、排水要求,其自身還應滿足級配連續均勻的要求。四是南水北調中線總干渠磁縣段高地下水位膨脹土渠段設計最關鍵部位為渠基排水反濾料設計。五是反濾層設計質量關系到被保護土體的滲透穩定性，關系到總干渠邊坡的穩定和安全，同時也要嚴把施工質量關，使反濾層發揮預期效果。

圖2 反濾料級配設計包絡圖

2017-02-08

付明軍，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設計研究院，正高級工程師。