淺談喀臘蘇銅礦供水工程蓄水池的設(shè)計(jì)與防滲措施

摘 要：復(fù)合土工膜防滲是我國(guó)目前水利工程，特別是水庫(kù)防滲應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵技術(shù)措施。文章主要針對(duì)青河縣喀拉蘇銅礦供水工程蓄水池所采用的設(shè)計(jì)及防滲措施進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：喀拉蘇銅礦；供水工程；蓄水池；設(shè)計(jì)；防滲措施

1 工程概況

工程區(qū)位于烏倫古河上游河段二臺(tái)水文站以北10km處，青河縣阿熱勒托別鄉(xiāng)西南，薩爾托海鄉(xiāng)以北，喀旦遜套山以西，青河縣與富蘊(yùn)縣交界處的阿葦戈壁上。地理坐標(biāo)為東經(jīng)89°54′14″-90°08′26″，北緯46°11′36″-46°30′42″。

本項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)是充分利用已建的阿葦灌區(qū)北干渠渠水作為礦區(qū)的水源，在渠道旁邊建設(shè)一座容量為92.54萬m3的半挖半填蓄水池，為礦區(qū)提供9月中旬至次年5月中旬的生產(chǎn)生活用水，同時(shí)，要保護(hù)項(xiàng)目區(qū)生態(tài)環(huán)境，達(dá)到人與自然和諧相處，共同發(fā)展，提供可借鑒的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

本項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)主要包括蓄水池、揚(yáng)水泵站、壓力管道及相關(guān)建筑物。

根據(jù)礦區(qū)新水用量進(jìn)行蓄水池的設(shè)計(jì)，取3400m3/d，揚(yáng)水泵站流量170.0m3/h，揚(yáng)程315m，功率132kW×3臺(tái)，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)定，該工程等級(jí)為Ⅳ等，工程規(guī)模為小⑴型，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)；蓄水池主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。

2 工程總體布置

工程總布置為：從已建的阿葦灌區(qū)北干渠末端引水，樁號(hào)為21+365，利用現(xiàn)狀節(jié)制閘，在閘后新建消力池，消力池上部設(shè)交通橋，消力池后經(jīng)過6.0m長(zhǎng)的漸變段，后接400.0m長(zhǎng)引水干渠，引水干渠末端設(shè)節(jié)制分水閘，分水閘后經(jīng)過48.0m長(zhǎng)的引水渠后，進(jìn)入半挖半填的調(diào)蓄水池，再?gòu)男钏赝饨訐P(yáng)水泵站，利用7.92km長(zhǎng)的輸水管道將水揚(yáng)至礦區(qū)高位水池，滿足礦區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)生活用水。

文章主要對(duì)工程蓄水池的設(shè)計(jì)及防滲措施做一闡述。

3 蓄水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防滲措施

3.1 工程地質(zhì)

蓄水池地層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單：表層0.20-0.50m厚的混雜碎石的含細(xì)粒土砂層，下部為厚層的碎石土層，沉積厚度大于5.0m，中等-密實(shí)沉積，屬于中等透水層。蓄水池基礎(chǔ)均座于該層上。

3.2 工程布置

本工程蓄水池為引水注入式，主要作用是調(diào)蓄水量、沉淀泥沙。因工程區(qū)處于洪積傾斜平原區(qū)，無施工導(dǎo)流防洪要求，工程布置較為簡(jiǎn)單，主要有引水渠首、引水渠、陡坡、大壩等工程組成。

工程區(qū)地形較為平坦，地勢(shì)開闊，地形東北高西南低，蓄水池為半挖半填四面擋水，壩軸線為矩形。筑壩材料盡量利用開挖料和當(dāng)?shù)夭牧?，考慮土石方挖填平衡及水量平衡計(jì)算，初步選定以地面高程1122.40m等高線為蓄水池設(shè)計(jì)底高程。蓄水池長(zhǎng)邊按西北方向布置，底寬400m，縱坡為1/400，短邊按東南方向布置，底寬350m，縱坡為1/200，長(zhǎng)邊平行于等高線布置，短邊垂直于等高線布置。

3.3 蓄水池各特征參數(shù)的確定

蓄水池大壩為細(xì)礫土均質(zhì)土壩，現(xiàn)澆砼護(hù)坡，復(fù)合土工膜斜墻防滲。大壩壩型為均質(zhì)土壩，按照《水利水電等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）劃分，該蓄水池規(guī)模為Ⅴ等?、菩托钏兀骄鶋胃?.40m，壩體最大填高10.40m（含清基0.20m）。壩頂為封閉型矩形結(jié)構(gòu)，壩頂長(zhǎng)度1562.0m，壩頂高程1129.80m，壩底平均高程為1122.40m，壩底長(zhǎng)400.0m，寬350.0m，壩頂寬4.0m，上游壩坡1：2.0，下游壩坡1：2.0；最高蓄水位1128.12m，總庫(kù)容92.54萬m3，其中，死庫(kù)容8.45萬m3，對(duì)應(yīng)死水位為1123.0m。

3.4 壩頂寬度及壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001規(guī)定，壩頂最小寬度對(duì)中、低壩可選用5-10m，結(jié)合當(dāng)?shù)赝悏胃叩膲雾攲挾认啾?，結(jié)合施工、運(yùn)行要求，確定該蓄水池壩頂寬度為4.0m。

施工中，先將壩頂加高至1129.60m高程，上鋪20.0cm厚的碎石路面，以保護(hù)壩頂，便于交通，壩頂兩側(cè)均設(shè)砼路沿石，下游側(cè)路沿石向上移20cm，以確保穩(wěn)定，上游壩坡的路沿石每隔10m設(shè)一排水孔，排水孔采用直徑為75mm的UPVC管，壩頂按1%坡度向上游傾斜，以利于排水。壩頂上游側(cè)設(shè)防護(hù)欄桿，欄桿高1.20m，橫斷面尺寸為0.15m×0.15m，橫向設(shè)置2排63mm的鋼管，蓄水池周圍20m內(nèi)設(shè)浸塑隔離柵圍欄。

3.5 壩坡及護(hù)坡設(shè)計(jì)

3.5.1 上、下游壩坡擬定

本工程為半挖半填的結(jié)構(gòu)形式，平均壩高7.40m，最大填筑高度10.40m，蓄水池大壩填筑材料主要為開挖的砂礫石料，從改善壩身斷面結(jié)構(gòu)、安全、經(jīng)濟(jì)和便于施工等方面綜合考慮，并根據(jù)壩坡穩(wěn)定分析，初定上、下游壩坡均為1：2.0。

3.5.2 上、下游護(hù)坡

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001，并進(jìn)行工程類比，上游護(hù)坡材料一般選用現(xiàn)澆砼板護(hù)坡或大塊石護(hù)坡，本工程位于嚴(yán)寒地區(qū)，本工程選上游護(hù)坡為15cm厚C20F250W6砼現(xiàn)澆護(hù)坡板。上游壩坡防滲體結(jié)構(gòu)由復(fù)合土工膜、保護(hù)層及護(hù)坡組成，將壩殼料平整碾壓密實(shí)后上面依次鋪設(shè)5.0cm厚水泥砂漿找平層、0.50mm厚的復(fù)合土工膜、3.0cm厚水泥砂漿找平層和15.0cm厚的C20F200W6砼面板護(hù)坡。在壩腳設(shè)C20F200W6現(xiàn)澆砼阻滑墻，阻滑墻水平寬度為0.50m，深度為0.80m。阻滑墻與砼護(hù)坡澆筑為整體。復(fù)合土工膜上端用“V”型槽埋置在壩體內(nèi)，高程在最高蓄水位以上0.50m（1127.62m高程）；下端埋設(shè)在阻滑墻下面，與池底土工膜連接為一體。阻滑墻每10.0m設(shè)一伸縮縫，縫寬2.0cm，縫內(nèi)下部填充高壓閉孔板，上部采用瀝青砂漿進(jìn)行封堵。砼面板護(hù)坡分縫尺寸為3.0m×3.0m，相鄰面板間設(shè)2.0cm寬的伸縮縫，縫內(nèi)下部填充高壓閉孔板，上部采用瀝青砂漿進(jìn)行封堵。砼面板上部與路沿石連接，下部與阻滑墻連接。考慮到該地區(qū)氣候寒冷，壩面冬季結(jié)冰較厚，為使護(hù)坡板填縫材料能夠在冰的作用下不產(chǎn)生破壞，因此使用柔性較好、強(qiáng)度較高的高壓閉孔板作為填縫材料，并采用瀝青砂漿進(jìn)行封堵。蓄水池入池陡坡段和揚(yáng)水泵站與土工膜的連接，采用蓋板螺栓連接，螺栓間距為0.30m。

受資金方面的限制，本次設(shè)計(jì)不對(duì)下游壩坡做護(hù)坡處理，在壩頂高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，將下游壩坡均以1：2.0坡度整平，不再做其它方式的處理。

3.6 復(fù)合土工膜設(shè)計(jì)

3.6.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和基本要求

（1）本工程蓄水池大壩設(shè)計(jì)時(shí)采用較高塑性的復(fù)合土工膜防滲作為防滲體，這種防滲體能適應(yīng)大壩的位移和筑壩時(shí)的振動(dòng)，不致造成裂縫。

（2）復(fù)合土工膜防滲與壩基的連接是防滲體的薄弱部分，需精心設(shè)計(jì)，確保連接部位的安全。

（3）復(fù)合土工膜加粘土截水槽防滲，滲透系數(shù)應(yīng)小于10-5cm/s。

3.6.2 復(fù)合土工膜防滲體結(jié)構(gòu)布置

為減少壩體的滲漏，防止?jié)B透破壞，提高水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益，本工程壩體防滲設(shè)計(jì)采用復(fù)合土工膜為防滲體，按照《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50290-98）之規(guī)定，土工膜采用二布一膜（200g/m2/0.5mm/200g/m2），復(fù)合土工膜的滲透系數(shù)應(yīng)≤1×10-11cm/s，其密度、破壞拉應(yīng)力，斷裂伸長(zhǎng)率、彈性模量、抗凍性等應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。復(fù)合土工膜幅寬4.0×4.0m，連接時(shí)用焊接的方法，焊接處復(fù)合土工膜應(yīng)熔結(jié)為一個(gè)整體，不得出現(xiàn)虛焊、漏焊或超量焊。土工膜下面鋪一層3.0cm厚的水泥砂漿找平層，其上鋪一層5.0cm厚的水泥砂漿找平層，上面設(shè)15.0cm厚的C20F250W6㈡現(xiàn)澆砼護(hù)坡。本工程平均壩高7.40m，采用復(fù)合土工膜斜鋪防滲，面積較小，工程量小，施工簡(jiǎn)單。復(fù)合土工膜鋪至防滲高程后，用“V”型槽埋置在壩體內(nèi)。

3.7 壩料規(guī)劃與設(shè)計(jì)

根據(jù)壩體剖面及工程量計(jì)算，壩殼料填筑方量約22.41萬m3。以相對(duì)密度作為壩殼砂礫料填筑的設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《混凝土面板壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL228-98）及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97），結(jié)合砂礫石料的性質(zhì)，確定壩殼砂礫料的相對(duì)密度Dr≥0.80，滲透系數(shù)在10-3cm/s量級(jí)。

3.8 蓄水池池底設(shè)計(jì)

哈臘蘇銅礦供水工程蓄水池為半挖半填結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)池底平均高程為1122.40m，根據(jù)池盤地形情況，最大挖深5.22m，平均挖深2.34m。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，蓄水池池盤范圍內(nèi)地面以下為碎石土，滲透系數(shù)K值1-5m/d，屬中等透水層，因此，需對(duì)池底進(jìn)行防滲處理，防滲結(jié)構(gòu)采用復(fù)合土工膜和土料保護(hù)層。從下往上依次為15cm礫質(zhì)砂墊層（采用壩體開挖料，剔除粒徑大于20mm的顆粒、碾壓）、0.5mm厚復(fù)合土工膜、15cm厚礫質(zhì)砂（采用壩體開挖料，剔除粒徑大于20mm的顆粒，不碾壓）保護(hù)層和40cm厚礫質(zhì)砂（壩體開挖料）蓋重層。池底土工膜與壩坡土工膜連接為整體。

3.9 壩體穩(wěn)定分析計(jì)算

3.9.1 計(jì)算斷面和計(jì)算工況

取大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面演算在正常情況及非常情況下，是否具有足夠的穩(wěn)定性，并求出最小安全系數(shù)。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），計(jì)算剖面取大壩填方段最大斷面，本設(shè)計(jì)取0+732斷面作為典型斷面。根據(jù)樞紐建筑物的布置及水庫(kù)運(yùn)行情況，本次計(jì)算以下控制土石壩穩(wěn)定的時(shí)期、兩種工況的穩(wěn)定：（1）穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡；（2）水庫(kù)水位降落期的上游壩坡。

計(jì)算工況見表1。

3.9.2 計(jì)算方法及計(jì)算原理

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），計(jì)算方法采用瑞典圓弧法。采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序》進(jìn)行計(jì)算。

3.9.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)根據(jù)壩料實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及工程類比選取，計(jì)算壩坡穩(wěn)定分析選取的計(jì)算參數(shù)詳見表2。

3.9.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算工況，壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見表3。

由計(jì)算結(jié)果可知，工程建成后，蓄水池大壩在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件下，上、下游壩坡均為穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

水利工程防滲形式及措施較多，復(fù)合土工膜作為一種防滲材料已廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)的各種工程，特別是在水庫(kù)工程的防滲措施中起到了較為顯著的作用，其施工簡(jiǎn)單，防滲效果好。

本工程是在平原區(qū)所建的一座半挖半填的蓄水池，其防滲措施尤為重要。文章僅針對(duì)該工程簡(jiǎn)單介紹蓄水池的設(shè)計(jì)及采取的防滲措施的一些經(jīng)驗(yàn)與建議，希望能對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)及防滲提供一些借鑒。另外，增強(qiáng)責(zé)任心，加強(qiáng)運(yùn)行管理，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，防患于未然，保證工程的正常運(yùn)行。