□付明軍
南水北調(diào)中線總干渠磁縣段膨脹土渠基排水反濾層設(shè)計(jì)探討
□付明軍
南水北調(diào)中線總干渠磁縣段膨脹土高地下水位渠段采用內(nèi)排或外排方式降低渠外地下水浮托力,根據(jù)反濾料保護(hù)的膨脹土顆分曲線,對(duì)反濾料進(jìn)行設(shè)計(jì)。反濾料作為保護(hù)膨脹土滲流穩(wěn)定的一個(gè)重要環(huán)節(jié),除應(yīng)滿足規(guī)范要求的濾水、排水、自身級(jí)配均勻連續(xù)等條件外,還應(yīng)綜合考慮施工設(shè)備等因素影響,以確保工程質(zhì)量。
膨脹土;高地下水位渠段;渠基排水;反濾
反濾結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重要的水工結(jié)構(gòu),其級(jí)配設(shè)計(jì)是水工設(shè)計(jì)的核心之一,南水北調(diào)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(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生地基土滲透問題。土體顆粒在滲透力的作用下,容易發(fā)生侵蝕而引起顆粒流失產(chǎn)生滲透破壞。反濾層可充分發(fā)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(fā)生管涌、流土等有害的滲透變形,同時(shí)能夠阻止被保護(hù)土顆粒進(jìn)入反濾層,排水能夠使進(jìn)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(dá)到滲透穩(wěn)定的目的。因此,對(duì)于高地下水位的膨脹土渠段,加強(qiáng)反濾層級(jí)配設(shè)計(jì),是總干渠安全運(yùn)行的重要保障。
南水北調(diào)中線工程總干渠磁縣段以冀豫交界處的漳河北岸為起點(diǎn),與中線控制性工程漳河倒虹吸相連接,沿京廣鐵路西側(cè)的太行山東麓自南向北,途經(jīng)海河南系漳衛(wèi)河和子牙河兩大水系中上游地區(qū),至河北省磁縣、邯鄲縣交界的河北村為終點(diǎn),線路總長(zhǎng)40.056km,其中膨脹土 (巖)累計(jì)分布長(zhǎng)度14.211km,且大部分為深挖方、高地下水位渠段,渠基排水設(shè)計(jì)是渠道工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。
磁縣段設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)水深6.0m,縱坡1/23000~1/26000。渠道反濾排水系統(tǒng)采用粗砂、砂礫石結(jié)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(fù)合土工膜和800g/m2復(fù)合土工膜,土工膜下鋪設(shè)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(qiáng)措施渠段渠坡、渠底厚度為25cm,強(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)C20,抗?jié)B等級(jí)W6,抗凍等級(jí)F150。
根據(jù)膨脹土渠段的排水設(shè)計(jì)方案,渠坡設(shè)置縱、橫向排水盲溝,盲溝內(nèi)設(shè)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(nèi),如果反濾料沒有起到反濾效果,膨脹土顆粒將進(jìn)入反濾料造成於堵,不能有效排水,導(dǎo)致襯砌板在浮托力的作用下破壞。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以反濾料為重點(diǎn),反濾料應(yīng)滿足濾土、排水、級(jí)配良好等要求,因此對(duì)膨脹土渠段的高地下水位渠段,在選擇排水反濾料時(shí),應(yīng)嚴(yán)格遵守反濾準(zhǔn)則,確定合理的反濾級(jí)配,保證起到濾土、排水等效果。
反濾層設(shè)計(jì)的核心是保證被保護(hù)土在滲流作用下不發(fā)生滲透變形破壞,膨脹土渠基地下水滲流的被保護(hù)土為膨脹土,要保證膨脹土的滲流穩(wěn)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(duì)膨脹土的粒徑,按照反濾準(zhǔn)則,確定反濾料的級(jí)配。
該渠段膨脹土主要分布在樁號(hào)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(jìn)行顆分試驗(yàn)。顆分試驗(yàn)成果見表1,顆分曲線見圖1。
根據(jù) 《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)和典型渠段膨脹土代表試樣的顆分試驗(yàn),對(duì)排水反濾料進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)采用規(guī)范中介紹的謝拉德1989方法。
3.1 反濾層應(yīng)滿足濾土要求
依據(jù)典型渠段的膨脹土顆分試驗(yàn)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(yàn)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(jù)規(guī)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(jù)此,最大D90=20mm。
3.4 繪制包絡(luò)圖
根據(jù)上述成果繪制反濾料級(jí)配設(shè)計(jì)包絡(luò)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(hù)土的粒徑,小于該粒徑的土重占總土重的85%。
根據(jù)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(yīng)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(jù)黏土料顆粒大小分配曲線可知,d15=0.004mm,取D15≥0.1mm,因此設(shè)計(jì)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(xiàn)間斷級(jí)配。
3.3 其他要求
防止采用間斷級(jí)配的反濾料:設(shè)計(jì)反濾料應(yīng)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(jí)配范圍:不均勻系數(shù)小于等于6。
主要計(jì)算內(nèi)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;
一是反濾層級(jí)配設(shè)計(jì)是反濾設(shè)計(jì)的核心,是防止土體滲透破壞的有效措施。膨脹土渠坡的穩(wěn)定與水密切相關(guān),選擇合理的排水措施和反濾料,可以保證渠坡的穩(wěn)定。二是根據(jù)被保護(hù)土(膨脹土)的性質(zhì)和顆粒組成,采用恰當(dāng)?shù)姆礊V準(zhǔn)則,是反濾層設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵,反濾設(shè)計(jì)要保證土體不發(fā)生滲透變形和滲透水通暢排出。三是反濾層設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿足濾水、排水要求,其自身還應(yīng)滿足級(jí)配連續(xù)均勻的要求。四是南水北調(diào)中線總干渠磁縣段高地下水位膨脹土渠段設(shè)計(jì)最關(guān)鍵部位為渠基排水反濾料設(shè)計(jì)。五是反濾層設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到被保護(hù)土體的滲透穩(wěn)定性,關(guān)系到總干渠邊坡的穩(wěn)定和安全,同時(shí)也要嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān),使反濾層發(fā)揮預(yù)期效果。
圖2 反濾料級(jí)配設(shè)計(jì)包絡(luò)圖
2017-02-08
付明軍,男,漢族,河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,正高級(jí)工程師。