4.2　反滤料研究

4.2.1　初步设计阶段主要设计成果

4.2.1.1　料场及材料特性

在初步设计阶段，经分析比较选择了马粪滩料场和连地滩料场。马粪滩料场位于坝址右岸下游6～7km处，总面积约为130.00万m2，水上有效厚1～3m，储量141.2万m3，水下有效开采厚3～10m，储量783.4万m3，总储量约924.6万m3。连地滩料场位于坝址左岸下游约10km，总面积约69.3万m2，水上储量37.1万m3，水下储量600.1万m3，总储量637.2万m3。两料场砂砾料岩石成分主要为石英岩和石英砂岩，质地坚硬、强度较高，两料场的颗粒组成见图4.2－1。

从图4.2－1可以看出，两料场有以下几个共同点：

（1）粒径5mm以下的颗粒含量少，马粪滩料场为19.2%，连地滩料场为28.7%。

（2）粒径5mm以下的颗粒中，以细砂和粉细砂为主，缺乏中、粗砂。马粪滩料场粒径1mm以下细颗粒含量占5mm以下颗粒的75%，连地滩为87%。

（3）粒径20mm以上粗颗粒含量较多。也就是说料场中缺少反滤料所需要的小石和中粗砂。

由于连地滩料场同时也是泄水发电建筑物混凝土骨料料场，所以仅可使用混凝土骨料的筛余料（粒径小于5mm的颗粒）作为反滤料料源。

4.2.1.2　选择的反滤料

初步设计阶段初选的反滤料有：

（1）保护斜心墙下游坡的反滤共应设三层，第一层用筛分粒径5～0.1mm；第二层用筛分（或人工粉碎）粒径20～0.5mm颗粒级配；第三层用筛分粒径80（100）～5mm颗粒级配。后根据初设预审会的意见，考虑到设置了级配较细的过渡层取消了第三层，改为二层。

（2）保护斜心墙下游河床砂卵石的反滤级配为20～0.5mm。

（3）保护斜心墙上游的反滤为粒径20mm和100mm以下的两种级配。

（4）保护内铺盖上部的反滤与保护斜心墙上游的反滤相同。

（5）保护内铺盖下部的反滤与保护斜心墙下游的反滤相同。

4.2.2　反滤料的分类

招标设计阶段，通过坝型优化坝体横剖面有所改变，典型剖面见图3.3－2。由于坝体结构比较复杂。因此，设置反滤的部位较多。从图3.3－2中可看出，在斜心墙（1区）、内铺盖（5区）的上游侧设置有一层反滤；围堰斜墙（1B区）及内铺盖下游侧设置了一层反滤；在斜心墙下游侧设置有二层反滤；在斜心墙下游的河床砂卵石和坝壳之间设置了一层反滤。根据反滤料所处的部位及重要性，它们可分为两大类：

（1）主防渗线下游侧的反滤，包括斜心墙下游侧的第一层（2A）和第二层（2B）反滤，河床砂卵石和坝壳之间水平反滤（2C）。这些反滤均位于渗流出口处，应能控制和封闭通过防渗体的集中渗漏，确保不致发生渗透破坏。对于这一类反滤，某些文献中称为“关键性反滤”或“控制性反滤”。

（2）主防渗线上游侧的反滤（2C），包括斜心墙上游侧和内铺盖两侧及围堰斜墙下游侧的反滤层，这几个部位的反滤的作用是有所区别的，其重要性较上面相对差些，称为“非关键性”的反滤。

对于上述两种不同类型的反滤，其设计要求是不同的。

各区反滤料工程量为261.00万m3，其中2A区料80万m3，2A区料65万m3，2A区料101万m3。

4.2.3　设计原则

反滤设计遵循以下设计原则：

（1）提高“关键性”反滤的可靠性，简化“非关键性”反滤。在已建成的土石坝中，由于集中渗漏导致渗透破坏以致溃坝的事故时有发生。统计资料表明，这种原因导致溃坝的约占溃坝总数的25%，仅次于洪水漫顶的溃坝率。近几十年来设计和施工的土石坝，仍不能完全避免集中渗漏的发生。引起集中渗漏的原因很多，归纳起来可概括为四方面：①不均匀沉陷所产生的张开裂缝；②防渗体与岩基或混凝土接触面的渗流；③施工缺陷；④水力劈裂。

对于如何防止因集中渗漏引起渗透破坏而危及大坝安全的问题，国外曾有人提出“多道防线”的设计思想，即：尽力减少不均匀沉陷引起的开裂；万一开裂渗水，要能控制和制止这种渗漏。而美国土石坝专家谢拉德认为，在堆石坝内防止防渗体或坝基发生管涌破坏的有效措施是设置级配良好的反滤层和有效的排水体。总结国内外的经验，并根据小浪底土石坝的特点，确定了以下设计原则：

1）提高“关键性”反滤的可靠性，加厚斜心墙下游的反滤层。

2）当防渗体开裂出现集中渗漏时，反滤应能控制集中渗漏，并迅速使裂缝愈合。

3）在确保工程安全的条件下，尽量简化“非关键性”反滤，降低工程造价。

（2）合理利用天然筛分料和人工轧制料。

（3）以科学试验为主，以常规计算为辅确定反滤料级配。采用计算方法初选反滤料，最终以试验为依据选择反滤料。考虑防渗体产生裂缝时的工况，采用孔洞试验和缝隙试验两种方法，模拟反滤料的工作条件。确保当发生集中渗漏时，下游反滤料能控制渗漏通道发展并逐渐自愈。

4.2.4　料场和料源选择优化

按照招标的标段划分，选择马粪滩料场作为大坝反滤料料场。

马粪滩料场缺乏反滤需要的中、粗砂（粒径5～1.0mm）和小石子（10～5mm）。若仅采用筛分料，不仅筛分反滤料级配不好，而且由于中、粗砂和小石子需求量大，料场储量不够。为此采用筛分料和人工轧制料掺合配制反滤料。反滤料总量为261万m3，考虑开采、加工和运输等各种损耗，并留一定的富裕度，设计总开采量约为437万m3，其中包括大坝标混凝土骨料用砂卵石量。

4.2.5　斜心墙下游侧反滤（2A、2B区）

4.2.5.1　级配选定

2A、2B区位于斜心墙下游侧，处于渗流出口的关键部位，属“关键性反滤”，是反滤设计应重点。从初步设计研究结果可看出，应设置三层反滤，否则需要设置颗粒较细的过渡料。但是，若采用三层反滤，则第一、第二层反滤细颗粒含量较多，而料场中恰恰缺乏反滤需要的中、粗砂。这样势必增加中、粗砂的人工轧制量，使反滤料生产成本大大增加。参照近代国外修建的高100m以上的土石坝，一般反滤层不超过两层。为此，决定加大反滤粒径范围，减少反滤层数。经多种方案的初步比较，将第一层反滤（2A区）的粒径范围由原设计的5～0.1mm改为20～0.1mm，第二层反滤（2B区）的粒径范围由原设计的20～0.5mm改为60（或80）～5mm。

经多种方案比较选定的斜心墙下游第一层（2A）和第二层（2B）反滤级配见表4.2－1和图4.2－2所示。

4.2.5.2　基本性质

（1）特征粒径。特征粒径及几何特征见表4.2－2。

（2）2A区的渗透变形特性。相对密度Dr＝0.7，渗透变形试验结果见表4.2－3。

从表4.2－3可看出，四个试样中三个为流土型破坏，一个试样为管涌型破坏。但试验表明，管涌型破坏的试样主要是装样不均匀所造成的，说明反滤料自身虽然具有较好的渗透稳定性。但应注意到由于轧制料颗粒形状不好，针、片状较多，在反滤料生产配制施工中轧制料掺量不宜过大，施工铺设时应采取措施尽量减少和避免粗细颗粒分离现象发生。

（3）2B的渗透变形特性。该层反滤料采用的相对密度与2A区相同，由于其渗透系数高达1.65～6.8cm/s增加水头后渗流量较大，受仪器出水口限制未求出临界坡降（见表4.2－3）。试验表明，2B反滤料的渗透系数为2A反滤料的1000倍，能满足透水性要求。

4.2.5.3　反滤料特性

（1）2A区料保护1区土料。试验土样为寺院坡中粉质壤土，典型土样的物性指标见表4.2－4。2A区保护1区反滤试验是在考虑了防渗体产生裂缝条件下进行的，试验结果见表4.2－5。

从表4.2－5可以看出，即使用第一层反滤（2A）下包线保护1区料也能起到较好的反滤作用。试验还表明，轧制料掺量为75%时，2A料对1区料的反滤保护性能优于轧制料掺量为65%时对1A区的反滤保护性能。说明天然砂砾石级配不好，宜适当增加轧制料掺量，以确保反滤料质量。

（2）2B区料保护2A区料。试验结果见表4.2－6。

4.2.6　斜心墙下游保护河床砂卵石的2C区反滤

河床砂卵石的渗透特性如前所述，基础砂卵石含砂量变化较大，且砂卵石中有细砂、粉细砂透镜体。因此，其透水性变化范围也较大，渗透系数约在10－1～10－4cm/s之间。

河床砂卵石允许渗透坡降小于0.1。据渗流计算，工程运用后在心墙下游渗流出口处的渗透坡降大于0.1。在这种情况下，砂卵石结构将会重新调整，细颗粒将会向渗流出口处移动。若在有效的反滤保护下，这些细颗粒将会停留在砂卵石表面，而不致流失。该处的砂卵石的透水性将会随着细颗粒涌入而减小。当反滤层下面与表层河床砂卵石层接触带的透水性减至等于小于反滤层透水性时，其结构渐趋定，由管涌型破坏变为流土型破坏。这时，反滤料满足了保护河床砂卵石的反滤要求，又满足透水性要求。根据这种情况，拟定了多种反滤级配。经试验论证选用的反滤见图4.2－3和表4.2－7，反滤料的渗透变形试验结果见表4.2－8，保护典型的河床砂卵石样品反滤试验结果见表4.2－9。

表4.2－8的试验结果可看出，2C区料的渗透破坏形式由管涌型最终转变为流土型，临界坡降达1.26以上，远大于河床砂卵石实际产生的水力坡降，具有较高的安全度。同时从表4.2－9的试验结果可以看出，当河床砂卵石承受的渗透比降高达5.02～14.2时，未出现破坏现象，能起到较好的反滤保护作用。

4.2.7　其他部位的反滤

（1）围堰斜墙（1B区）下游的反滤。该反滤层为两部分，其一位于1B区下游侧；其二位于河床右岸下游的砂砾石层顶面。当围堰挡水时，前者的作用是保护斜墙，后者保护河床砂卵石。

（2）内铺盖（5区）下面的反滤。该层反滤的主要作用是当初蓄水运用，在内铺盖内发生从上向下的渗流时保护内铺盖。

（3）内铺盖（5区）上面的反滤。当水库水位下降，内铺盖上下出现渗压差而发生由下而上的渗流时保护内铺盖。

（4）主坝斜心墙（心墙）上游的反滤。当库水位骤降时，保护心墙。

以上四种不同部位的反滤，其作用虽稍有不同，但从运用条件而言不如斜心墙下游反滤重要。比如第四种，大量资料表明当水库水位骤降时，靠近反滤层面的防渗体内的渗透比降很小，一般小于1.0。对于小浪底大坝而言，坝前最终淤积高程，深槽段部位可达高程230.00m左右，滩面可达高程250.00m左右。由于泥沙淤积的阻渗作用，在库水位骤降情况下，反滤层面附近防渗体的渗透坡降会更小。因此，可以认为上述部位的反滤均可简化。由于反滤料采用筛分料和轧制料两种材料掺合配制而成，为便于施工降低成本，所以在保证工程安全的情况下，尽量减少反滤料的类型，同时，考虑反滤料与过渡料的层间关系，粒径范围尽量加大，其粒径范围为60～0.1mm，级配与斜心墙下游保护河床砂卵石的相同。土料缝隙反滤试验结果见表4.2－10。

从表4.2－10可看出，在试验比降高达37.2～38.5的条件下，渗水在20min后即由浑变清，渗流量减少，缝隙愈合，反滤层未淤塞，这说明可以保护防渗土料。在实际运用中，上述几种反滤均不可能出现试验中高比降的运用条件。因此可以说，上述反滤级配是偏于安全的。

4.2.8　反滤料的施工要求

2A、2B和2C区反滤料应符合美国标准ASTMC88所规定的细骨料坚固度要求。填筑时，各层反滤宽度不能小于设计宽度，并不应出现粗细颗粒分离。

用振动平碾压实，单轮总静重不小于10t，通过鼓轮传到地面上的重量不小于总静重的90%。鼓轮直径不小于1.5m，宽度不小于2m。运行时，滚轮的振动频率应在20～30Hz之间。滚轮的振动频率在30Hz时所产生的离心力应不小于29t。牵引或驱动速度应不大于3.2km/h。

铺料厚度按压实后的层厚不超过0.25m控制，压实前应进行含水量调节，含水量应由试验确定。要求用规定的振动碾压实两遍，压实干密度应大于或等于按照美国标准ASTMD4253进行的震动密度试验所得的最大干密度的95%。