新疆呼圖壁新增供水工程濾水壩設(shè)計(jì)分析

蘭玉廷

(新疆昌源水務(wù)庫(kù)爾勒銀泉供水有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

濾水壩是在壩體中間部分利用礫石、碎石、細(xì)砂等材料砌筑一道透水墻體，可以對(duì)河砂起到初步過濾和凈化作用，再結(jié)合其他生態(tài)措施，形成生態(tài)濾水壩。濾水壩需要同時(shí)滿足透水量和過濾效果這兩個(gè)條件，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須找到最佳平衡點(diǎn)。

1 工程概況

新疆呼圖壁河流域主要行政單位有呼圖壁縣和農(nóng)六師下屬團(tuán)場(chǎng)，本次規(guī)劃供水項(xiàng)目是為呼圖壁縣提供工業(yè)及城鎮(zhèn)用水。設(shè)計(jì)近期(2020-2025年)日平均供水量8.64×104m3；遠(yuǎn)期(2025-2030年)日平均供水量17.28×104m3，本工程以近期供水量為目標(biāo)。該項(xiàng)目位于青年渠首，由于呼圖壁河主汛期(6-9月份)供水水質(zhì)含沙量過高，本次工程主要建筑為濾水壩、輸水管道，工程等別Ⅲ等，規(guī)模中型，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)，次要建筑物等級(jí)為4級(jí)。本文重點(diǎn)對(duì)濾水壩設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1 壩基巖性種類

設(shè)計(jì)濾水壩壩址位于上游主河床中，地面高程767～780 m，地勢(shì)南高北低。據(jù)勘探揭露，地層巖性表層為第四系沖洪積卵礫石層，下伏地層為第三系泥巖、泥質(zhì)砂巖、卵礫石層，含漂石，青灰色，層厚2.2～3.7 m，可見最大粒徑30 cm，一般以4～6 cm居多，地下水埋深0.5～1.0 m，其顆粒級(jí)配見表1。根據(jù)易溶鹽分析報(bào)告及水質(zhì)分析，地基土及地下水對(duì)建筑材料均無腐蝕性。

表1 各粒徑顆粒級(jí)配含量表

2.2 壩基物理力學(xué)性質(zhì)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)重型動(dòng)探試驗(yàn)(錘擊數(shù)10～19擊)，表層0.5 m～1 m屬于稍密狀，1.0 m以下屬中密狀，工程地質(zhì)條件較好，不必進(jìn)行加固，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=300 kPa～350 kPa，天然休止角β=35°～38°，其中壩基主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 壩基泥巖及礫巖主要物理力學(xué)參數(shù)建議值

抽水實(shí)驗(yàn)表明，河床卵礫石滲透系數(shù)k=3.3×10-2cm/s，屬于強(qiáng)透水層。因此，壩基開挖時(shí)需采取排、降水措施，建議砂礫石層臨時(shí)開挖邊坡為1∶1[1]。

3 濾水壩主要參數(shù)設(shè)計(jì)分析

3.1 呼圖壁河泥沙含量分析

項(xiàng)目?jī)?nèi)的石門水文站以上河長(zhǎng)96 km，河道平均坡度23‰左右，本文以該水文站資料作為基礎(chǔ)。

3.1.1 泥沙含量特征

呼圖壁河海拔1 800 m以下，植被覆蓋率逐漸降低，地表層透水性好，泥沙含量自上而下呈逐漸增多趨勢(shì)，主要集中在5-9月份，約占全年泥沙總量的98.4%。據(jù)有關(guān)部門估算，推移質(zhì)泥沙可占懸移質(zhì)輸沙量15%～30%，本文按20%計(jì)算，約為8.5×104t。平均泥沙含量為51×104t/a[2]。見表3。

表3 石門水文站多年平均懸移質(zhì)輸沙量分配表 /104 t

3.1.2 泥沙顆粒級(jí)配

為分析懸移質(zhì)泥沙級(jí)配，在石門水文站取烘干沙樣—組，采用移液管法，結(jié)果見表4。為分析推移質(zhì)泥沙級(jí)配，在水文站河床沉積砂礫石共取樣7組，結(jié)果見表5。

表4 石門站懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配表

表5 石門站推移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配表 /mm

3.2 濾水壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 壩體結(jié)構(gòu)

水壩位于樁號(hào)0+600處，壩長(zhǎng)315 m，平均高度18.3 m，壩頂高程780.70 m。為保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)壩基河床清理(深度1.5 m)并碾壓，要求密實(shí)度不低于0.75；壩體采用河床砂礫石填筑，在濾水壩上游40m以上距離庫(kù)區(qū)開挖即可(開挖深度至河床基巖面)，可就近取材，有效降低投資成本；上下游壩坡坡度均設(shè)計(jì)1∶1.5，采用干砌石護(hù)坡；壩頂設(shè)計(jì)寬3.0 m砂礫石道路，壩肩設(shè)計(jì)預(yù)制C20砼路沿石，道路坡度2%。濾水壩整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1[3]。

圖1 砂礫石透水壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2.2 壩體滲流穩(wěn)定性分析

本項(xiàng)目采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所的滲流分析軟件對(duì)該大壩進(jìn)行有限元模擬，并結(jié)合理論計(jì)算公式。但理論計(jì)算公式在本項(xiàng)目中誤差較大，因此以軟件模擬結(jié)果為準(zhǔn)。

本項(xiàng)目模擬滲流參數(shù)設(shè)計(jì)如下：壩基泥巖1.0×10-6cm/s；壩基砂礫石6×10-2cm/s；壩體砂礫石2×10-2cm/s，模擬結(jié)果見表6[4]。

表6 濾水壩壩體斷面滲流量及滲透穩(wěn)定計(jì)算表

由表6可知，下游清水池水位宜控制在776.95～778.45 m范圍內(nèi)運(yùn)行。若水位低于776.95 m，濾水壩滲流不穩(wěn)定，極可能發(fā)生滲透破壞，產(chǎn)生滑坡而影響濾水壩的安全。

3.3 濾水閘段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 濾水閘段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾水閘段設(shè)計(jì)位于透水壩中間位置，開口為矩形，底部位于河床以上40 cm，橫斷面尺寸為3.5 m×2.0 m(圖2)。為保證濾水能力，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)濾水閘共分為3段結(jié)構(gòu)，從前到后依次為礫石穩(wěn)流段、聚丙烯長(zhǎng)纖過濾段、礫石穩(wěn)流段。其中，礫石穩(wěn)流段是防止河水將過濾段砂礫石層狀結(jié)構(gòu)沖散，且阻擋推移質(zhì)泥沙進(jìn)入過濾段。結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目將兩個(gè)穩(wěn)流段長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為1.0 m，中間聚丙烯長(zhǎng)纖填充過濾段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3.0 m(結(jié)構(gòu)見圖3)[5]。

圖2 濾水壩縱截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 濾水閘段總體結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 聚丙烯長(zhǎng)纖段過濾流量驗(yàn)算

濾水壩除了要滿足濾水要求外，還必須滿足通過流量Q，否則會(huì)導(dǎo)致供水不足。其中，聚丙烯長(zhǎng)纖段過濾流量Q計(jì)算公式見式(1)[6]：

(1)

式中：H0為堰頂水頭，最小水頭0.5 m；B為孔口寬度，為3.5 m；m′為寬頂堰流量系數(shù)，0.365；g為重力加速度；σs為淹沒系數(shù)，取1.0。

經(jīng)計(jì)算，Q≈2.0 m3/s，日滲流量可達(dá)17.28×104m3，滿足供水要求。

3.3.3 礫石穩(wěn)流段流量驗(yàn)算

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知，河水中推移質(zhì)礫石粒徑不小于5 mm的顆粒含量占總量的80%左右，不同粒徑的礫石滲透系數(shù)見圖4。

圖4 不同粒徑礫石的滲透系數(shù)曲線圖

本項(xiàng)目礫石粒徑為5 mm便可阻擋大部分推移值，其滲透系數(shù)k≈3.5 cm/s。流量Q驗(yàn)算參考達(dá)西公式[7]：

Q=k·S·I

(2)

式中：S為過流斷面橫截面積，取值7.0 m2；I為水力坡度，取值5。

經(jīng)計(jì)算，Q≈1.23 m3/s，日滲流量可達(dá)10.63×104m3，滿足近期供水要求。

4 結(jié) 語

濾水壩可采用物理手段對(duì)泥沙含量較高的河水進(jìn)行初步過濾，以減少粗顆粒泥沙含量，減輕后續(xù)水質(zhì)凈化工作的壓力。呼圖壁河濾水壩投入使用后，預(yù)計(jì)可直接降低下游河水的80%泥沙含量，但這種技術(shù)需要每隔一段時(shí)間就要對(duì)濾水閘段進(jìn)行清洗，否則流量會(huì)降低，影響供水量?？傊瑥氐捉鉀Q泥沙含量較大的根本措施是對(duì)上游植被進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，需要多管齊下的綜合治理。