山塘分類整治典型結(jié)構設計方法探討

賴 勇,牛 坤

(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002)

1 問題的提出

山塘整治、灌區(qū)改造、節(jié)水灌溉是小型農(nóng)田水利重點縣建設的三大建設內(nèi)容,山塘整治同時也是 “強塘”工程的重要建設內(nèi)容[1]。承擔著農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)民飲水、農(nóng)村環(huán)境、農(nóng)居消防等綜合功能的山塘是山區(qū)農(nóng)民賴以生存的基礎。浙江省現(xiàn)有山塘約1.8萬余座,存在數(shù)量多、隱患多、投入少、管理弱等諸多問題。山塘整治設計工作規(guī)模小、項目多、時間緊、任務重。重點縣建設項目分3 a實施,每年單個縣市山塘整治的項目一般都在十幾個以上,有的更是多達幾十個,而山塘特別是屋頂山塘往往施工質(zhì)量差、管理差、安全隱患突出,在缺乏地質(zhì)勘探以及統(tǒng)一的建設規(guī)范和技術標準的前提下,合理、高效地進行針對設計,根除隱患是設計人員實際面臨的難題。為此,根據(jù)水庫除險加固的經(jīng)驗和山塘的工程實際,提出山塘分類整治典型結(jié)構設計方法,供探討。

2 山塘特點及存在的問題分析

2.1 山塘特點

山塘是建設在山區(qū)、丘陵地區(qū)的正常蓄水位高于下游地面高程、總?cè)莘e在1萬～10萬m3的蓄水工程。樞紐建筑物一般由大壩、溢洪道、輸水涵管3部分組成,常見壩型為黏土心墻壩、均質(zhì)土壩、混凝土壩、堆石壩、砌石壩等類型,其中均質(zhì)土壩最多。最大壩高一般不超過20.0 m,壩高在15.0 m以內(nèi)的占80%以上。

2.2 常見的問題

山塘大多數(shù)建設于20世紀五六十年代,簡易勘探、缺乏設計以及當時的施工條件是造成工程質(zhì)量差的主要原因,山塘常見的問題如下[2]:

(1)大壩填筑質(zhì)量差、壩頂高程不足,壩頂無防護,雨水沖刷消落嚴重,壩坡大部分無護坡,少部分護坡塊石風化嚴重,壩頂及壩坡因疏于管理雜草叢生,壩頂無交通條件;

(2)溢洪道泄洪能力不足,渠底及邊墻無護坡或護坡風化嚴重,下游泄槽淤積嚴重,不少山塘原溢洪道已報廢,靠壩頂挖槽或簡易的埋管泄洪;

(3)輸水涵管大多為壩體埋管,基本上都存在滲漏隱患,涵管進口啟閉設備大多數(shù)已報廢,閘門關閉不嚴,由于滲漏嚴重部分山塘已將涵管徹底封堵,灌溉供水功能得不到發(fā)揮;

(4)部分山塘無上壩公路,施工材料及設備靠人力或牲畜才能運達。

3 大壩分類及典型結(jié)構設計

山塘壩高應滿足導則[1]的要求,壩頂寬度不小于3.0 m,混凝土壩、砌石壩壩坡應滿足結(jié)構穩(wěn)定以及基底應力的要求,黏土心墻壩、均質(zhì)土壩以及堆石壩上、下游壩坡坡比(多級壩坡指平均坡比)不小于表1的要求。

表1 山塘土石壩、堆石壩壩坡要求

大壩防滲加固應結(jié)合現(xiàn)場檢查情況,有的放矢,加固方案根據(jù)壩型分類選擇。

3.1 黏土心墻壩及均質(zhì)土壩

3.1.1 防滲加固方案

大壩防滲加固一般選擇在原防滲體部位進行,對黏土心墻壩及均質(zhì)壩,可采用垂直防滲方案進行防滲加固,包括套井回填和倒掛井防滲墻方案。

套井方案是對填筑質(zhì)量較差的心墻黏土采取置換的一種處理方法,目前國內(nèi)一般采用套井施工的處理最大深度在30m左右,處理山塘大壩質(zhì)量有保障,但需有上壩公路把設備運送至壩頂,另外,考慮設備布置壩頂套井施工平臺寬度不宜小于8.0 m,因此,壩頂寬度較小的壩在套井施工時宜適當降低施工平臺高程以滿足施工機械布置要求。

與套井方案相比,倒掛井防滲墻無設備運輸及施工機械布置問題,工作人員可以下井工作直接封堵涵管,還具有成墻整體性好,質(zhì)量可靠,防滲效果好等優(yōu)點,對壩頂不均勻沉降影響也小,但施工工序較煩瑣,工期較長,并且要在無滲流或滲流不明顯,施工安全有保障的前提下實施。

除垂直防滲方案外,對于上游為土質(zhì)邊坡的黏土心墻壩以及均質(zhì)壩,還可以考慮上游黏土斜墻或迎水面增設土工膜進行防滲加固[3],其中土工膜防滲方案考慮防滲系統(tǒng)密實性對施工要求較高,耐久性相對其他方案要差。

綜合以上分析,對于山塘黏土心墻壩及均質(zhì)土壩,標準化防滲加固時,首選黏土套井防滲方案,套井施工機械難以運達壩頂時,再考慮上游土工膜防滲方案、上游黏土斜墻方案或倒掛井防滲墻方案。

3.1.2 壩頂、壩坡及細部結(jié)構

套井防滲、土工膜防滲的土石壩標準化設計典型結(jié)構分別見圖1、2。

圖1 套井防滲典型結(jié)構圖

圖2 土工膜防滲典型結(jié)構圖

(1)壩頂結(jié)構:壩頂C20混凝土路面厚20 cm,下設30 cm厚2道灰土墊層,路面向下游側(cè)放坡1%,上游側(cè)設M10漿砌條石防浪墻,下游側(cè)設條石路緣或綠化帶。

(2)上下游壩坡:上游壩坡采用混凝土預制塊護坡,厚15 cm,下設10 cm厚碎石墊層;下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁間植草皮護坡,種植土厚度30 cm,種植土表面低于混凝土網(wǎng)格梁表面5 cm。

(3)細部結(jié)構:下游坡岸坡及坡腳設排水溝、壩坡中部設上壩踏步、下游坡腳設堆石排水棱體;當上游坡放空存在困難時,上游坡腳設拋石大方腳平臺;采用土工膜防滲時,土工膜周邊設混凝土底座。

3.2 混凝土壩、堆石壩、砌石壩

3.2.1 防滲加固方案

混凝土壩主要是壩基以及壩基接觸帶存在防滲問題,壩體除伸縮縫外一般不存在防滲問題,如存在壩基滲漏,則進行帷幕灌漿處理,帷幕灌漿孔孔距2.0～2.5 m,孔深深入相對不透水層(q≤10 Lu)以下5.0 m,2壩頭延伸至正常蓄水位與相對不透水層交界處即可。壩體伸縮縫滲漏一般可在表面加設1道SR止水處理。

堆石壩、砌石壩一般采用在迎水坡表面加設1層C20W4F50混凝土面板進行防滲加固,面板厚度30～40 cm,采用錨筋與后部壩體連接,底部周邊設混凝土底座,壩頂長度較大時面板設垂直伸縮縫,縫內(nèi)設銅片止水,并采用浸瀝青杉木板嵌縫。

3.2.2 壩頂、上下游壩坡

混凝土壩壩頂及壩坡基本可不作改造,堆石壩、砌石壩加固典型斷面見圖3。

(1)壩頂結(jié)構:壩頂C20混凝土路面厚20 cm,路面向下游側(cè)放坡1%,上游側(cè)設M10漿砌條石防浪墻,下游側(cè)設條石路緣或綠化帶。

圖3 面板防滲典型結(jié)構圖

(2)上下游壩坡:上游壩坡表面增設C20W4F50混凝土襯砌層,厚30～40 cm,下游壩坡干砌塊石表面考慮排水原則上不應勾縫,考慮美觀采用漿砌石重新護面或M10水泥砂漿勾凸縫處理后,需增設排水管。

4 溢洪道典型結(jié)構設計

山塘由于庫容小,匯流時間短,調(diào)洪時不考慮調(diào)蓄能力,按導則[1]計算基本都比現(xiàn)狀規(guī)模大得多,溢洪道結(jié)構上可以分為進口段、泄槽段、消能段3段,進口段可采用自由溢流的開敞式溢流堰。

4.1 正槽溢洪道

當計算溢洪道泄洪孔口寬度不大時,可以采用正槽式溢洪道,底流消能以及挑流消能典型溢洪道結(jié)構分別見圖4、5。

圖4 底流消能正槽溢洪道典型結(jié)構圖

圖5 挑流消能正槽溢洪道典型結(jié)構圖

(1)進口段:山塘整治原則上不應加高大壩,為保證效益,降低溢洪道堰頂高程也不合理,在不增加過流寬度的前提下,進口設實用堰可以加大過流能力;進口段與壩體連接部位,壩體側(cè)防滲體開挖邊坡不宜陡于1∶3,溢洪道邊墻與壩體或岸坡連接部位背水坡不宜陡于1∶0.5,否則接觸部位應壓實質(zhì)量不好容易滲漏。

(2)泄槽段:泄槽段可采用混凝土U型薄壁槽結(jié)構,與壩體接壤時,考慮美觀,邊墻頂部可按與下游壩坡表面齊平或略高設計,末端采用底流消能方式時,陡坡泄槽可設置臺階式消能,減少下游消力池消能壓力。

(3)消能段:消能段可采用混凝土U型薄壁槽結(jié)構,底流消能時下游可再接一定長度的襯砌渠道進行保護,挑流消能時如下游為土渠應復核沖坑是否影響壩腳安全,否則應進行襯砌防護。

4.2 側(cè)槽溢洪道

當溢流寬度較大,正槽溢洪道難以滿足過流能力要求時,可考慮采用側(cè)槽溢洪道[4],典型結(jié)構見圖6。

圖6 砌石壩正槽溢洪道典型結(jié)構圖

側(cè)槽溢洪道進口段長度不受壩長限制,薄壁堰泄流能力也較大,當山體邊坡較陡時還可以采用L形溢流堰,既節(jié)省工程量又可進一步加大過流能力。側(cè)槽溢洪道除進口段結(jié)構不同外,泄槽段、消能段結(jié)構設計與正槽溢洪道設計類似。

5 輸水涵管典型結(jié)構設計

土石壩壩下涵管原則上應廢除,輸水涵管改造根據(jù)實際情況可采用虹吸管、帶面板防滲的砌石壩內(nèi)鋼管外包混凝土涵管以及岸坡基巖中埋管3種方式。

5.1 虹吸管

虹吸管[5]典型結(jié)構布置見圖1。涵管在壩頂部位高程應高于正常蓄水位,以免管壁周邊接觸產(chǎn)生滲漏。上游進口設進水池,可起防止淤積以及過濾雜物的作用。涵管段布置于護坡下部,在無需加大開挖工程量的同時,有利于涵管的抗凍及防腐,也有利于美觀,下游坡腳設閥門井,操作簡單。

5.2 帶面板防滲壩內(nèi)埋管

帶面板防滲壩內(nèi)埋管典型結(jié)構布置見圖3,涵管采用外包混凝土鋼管,在新建的面板內(nèi)管壁周邊設截水環(huán)進行防滲,涵管在壩后設閥門控制啟閉,當涵管出口需要與下游渠道連接時,出口可參照圖1改為暗埋式設計。

5.3 岸坡基巖內(nèi)埋管

岸坡基巖內(nèi)埋管一般采用外包混凝土鋼管,梯形開挖,兩側(cè)邊坡不陡于1∶0.5并將外包混凝土振搗密實即可保障混凝土表面與巖石表面不發(fā)生接觸滲漏。

6 結(jié) 語

根據(jù)山塘建筑物特點以及常見問題,提出了山塘分類整治典型結(jié)構設計方法,在水庫土石壩結(jié)構基礎上進行了簡化以及優(yōu)化設計,所設計典型結(jié)構基本涵蓋了山塘整治的關鍵點,供廣大設計人員探討。

[1]鄭敏生,董浩,蘇玉杰,等.浙江省山塘綜合整治技術導則(試行)[S].杭州:浙江省水利學會農(nóng)村水利專業(yè)委員會發(fā)布,2009.

[2]陳斌,陳曉東,董浩,等.小型土壩防滲加固處理問題探討[J].中國水利,2011(8):31-32.

[3]顧淦臣,束一鳴,沈長松.土石壩工程經(jīng)驗與創(chuàng)新 [M].北京:中國電力出版社,2004.

[4]賴勇,唐毅,顧錫春,等.L形溢流堰側(cè)槽溢洪道水力設計與試驗研究 [J].水利與建筑工程學報,2010,8(2):80-82.

[5]朱勇豪.淺析虹吸管在小型水庫、山塘運行中的應用[J].四川建材,2010,36(155):285-289.