塘壩工程建設中的設計方法與過程研究

齊波波

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅張掖734000）

1 項目概況

高臺縣坐落在甘肅省河西走廊中部，黑河中游干流下段，地處東經(jīng)98°57′32″～100°06′44″、北緯39°03′50″～39°59′40″，全縣東西長99 km，南北寬103.7 km。項目區(qū)位于高臺縣南部，主要涉及河流為水關河和擺浪河。工程區(qū)地下水是第四系松散巖類孔隙性潛水，含水層巖性是圓礫、礫砂及中、粗砂等，地下水埋深＞100 m；紅沙河村塘壩上游分布一眼泉水，順沿溝道邊界下泄，溢出、補給相互交替，于溝谷下游林帶位置出露，年流量15 萬m3。塘壩區(qū)附屬建筑物以輸水渠（管）道為主，其基礎坐落地帶與蓄水池壩基統(tǒng)一，結構稍密—中密，地基允許承載力達300～350 kPa。

2 水庫塘壩工程的作用

2.1 強化蓄水能力的現(xiàn)實需求

高臺縣新壩鎮(zhèn)境內地下水埋深較深，開采利用困難，只有依賴現(xiàn)有塘壩工程蓄積地表水，才能解決春耕作業(yè)與抗旱缺水兩者的矛盾。

2.2 有益于提升防洪排澇能力

高臺縣新壩鎮(zhèn)地勢丘陵起伏，降雨多集中于夏秋兩季，經(jīng)常出現(xiàn)洪澇災害。通過完善塘壩項目，有助于提高攔蓄洪水能力，有效保護下游耕地和人口安全。

2.3 有助于提升農(nóng)民的經(jīng)濟收入水平

建設與實施塘壩工程能為農(nóng)業(yè)灌溉提供充足水源，壓縮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提升農(nóng)戶經(jīng)濟收入。

3 塘壩工程建設的設計方法

3.1 設計砂礫石土工膜斜墻壩

3.1.1 壩頂結構

3.1.1.1 確定壩頂高程。依照當?shù)貧庀蟛牧?，項目區(qū)平均年最大風速為20.2 m/s。

3.1.1.2 計算工況。計算正常、非正常蓄水位加正常運用狀況下的壩頂超高[1]。

3.1.2 確定壩頂超高

3.1.2.1 依照相關規(guī)范。采用Y=R+A[Y—壩頂超高（m）；R—風浪爬高（m）；A—安全加高]壩頂在靜水面以上的超高。

3.1.2.2 確定壩高。針對土石壩的壩高，應經(jīng)由壩體防滲體底部或壩軸線處的建基面算起到壩頂，取最大值（見表1）。

表1 塘壩最大壩高計算結果

3.1.3 壩頂寬度 結合相關規(guī)范要求，塘壩壩頂寬度設計均為4 m。

3.2 設計護坡及壩面排水

3.2.1 確定上游護坡形式 多使用堆石、砌石、砼板、瀝青砼、人工塊體等形式護坡，依照下式測算出護坡厚度[2]：

式中，Qmax、Qmin—石塊的最大、最小質量，t；hs—有效波高，m；k—系數(shù)，取4.37；G—石塊比重，取2.35。

堆石護坡厚度測算結果如表2 所示。

3.2.2 設計下游護坡 將大壩背水坡比設定為1∶2，梯形斷面。

3.2.3 設計壩頂防護 為便于工程運行管理，壩頂鋪設厚0.15 m 泥結碎石路面，壩頂路面臨水側安設1.5 m 高防護欄。

3.3 設計壩體橫斷面

將大壩壩型設計成砂礫石土工膜斜墻壩，呈梯形斷面，壩頂寬度為4 m，迎水面坡比為1∶3，背水面坡比1∶2。上游壩坡從上到下均使用40 cm 厚堆石護坡(粒徑100～200 mm)與20 cm 厚砂礫石保護層護砌，保護層下方設置15 cm 厚砂礫石上墊層(粒徑≤20 mm)、復合土工膜（SN2/PE-16-400-0.5）、15 cm 厚砂礫石下墊層(粒徑≤20 mm)。

3.4 設計復合土工膜

首先，復合土工膜在防滲性能、施工簡潔性等方面均占據(jù)優(yōu)勢。下墊層平整度、材料允許拉應力、彈性模量、覆蓋層最大粒徑等均是選擇復合土工膜規(guī)格時應重點考慮的因素。設計土工膜厚度時不僅要分析主要有水壓力對強度提出的要求，還需重視暴露、壓埋、氣候、使用年限等使用條件，嚴格按照國家現(xiàn)行相關標準確定設計厚度與現(xiàn)實厚度。本項目復合土工膜主要物理學指標：膜厚0.5 mm、耐靜水壓1.4 MPa、非織造布總單位面積質量400 g/m2、斷裂強力16 KN/m、斷裂伸長率30%～100%、CBR 頂破強力2.8 KN、撕破強度0.56 KN、剝離強度≥6 N/cm。其次，因塘壩壩體是以砂礫石壩體為支承體，土工膜鋪設到厚度15 cm 厚砂礫石下墊層上方。再次，將壩體土工膜敷設于上游壩坡法向深度0.75 m處。土工膜以上依次鋪設砂礫石上墊層、砂礫石保護層和堆石護坡，厚度依次為15 cm、20 cm、40 cm。最后，合理設計復合土工膜與砼。要求兩者緊密、穩(wěn)固銜接，并留置伸縮余量。銜接復合土工膜與砼時，先于砼面上以20 cm 間距打孔，安設膨脹螺栓，將一厚5 mm、寬10 cm 橡皮裝設，然后對復合土工膜折疊3 層處理后打眼穿入螺栓，聯(lián)合使用一層厚5mm、寬10 cm 橡皮和厚5 mm、寬5 cm 扁鋼壓條穩(wěn)固復合土工膜方位[3，4]。

表2 堆石護坡厚度測算結果

4 結束語

高臺縣是甘肅省典型的貧水旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源短缺始終是制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，近年來高臺縣加強農(nóng)田水利基礎工程的建設，完善塘壩工程建設設計水平，取得了較好的社會、經(jīng)濟及生態(tài)效益，在后續(xù)實施階段應有針對性地改善塘壩工程設計方案，將其功能發(fā)揮到最大化。