高臺縣生態(tài)經(jīng)濟(jì)林南部綠色通道水源塘壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 蕊

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730000)

1 概述

近年來，高臺縣始終堅(jiān)持把生態(tài)建設(shè)作為改善城鄉(xiāng)人居環(huán)境、加快生態(tài)文明 建設(shè)步伐、保障經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措來抓，堅(jiān)持南保水土、北御風(fēng)沙、中建綠洲的總體思路，重點(diǎn)實(shí)施生態(tài)造林綠化、黑河濕地保護(hù)、農(nóng)田林網(wǎng)更新、人居環(huán)境綠化、林業(yè)產(chǎn)業(yè)培育五大生態(tài)建設(shè)工程，全建成了較為完備的農(nóng)田防護(hù)林體系，截至2017 年，全縣縣森林面積達(dá)到85.7 萬畝，森林覆蓋率達(dá)12.9%，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步改善，高臺的生態(tài)特色和底蘊(yùn)逐步突顯[1]。高臺縣縣作為張掖市西端的門戶，黑河國家級濕地保護(hù)區(qū)的核心，國家油氣電及陸路通道的蜂腰，國家重要的商品糧和蔬菜基地，展示絲路文明的重要窗口，南部交通干道沿線則是展示高臺形象的一個重要載體。但是，該區(qū)域的綠色通道建設(shè)，還是一個薄弱化環(huán)節(jié)，特別是蘭新高速鐵路客運(yùn)專線和連霍高速公路沿線的綠化建設(shè)相對滯后，與該區(qū)域所處的重要地理位置還不相符。因此，在高臺縣南部、連霍高速公路沿線，自來水廠保護(hù)區(qū)以東、高速公路以南、西干渠以北、高臺臨澤界限以西地段，規(guī)劃建設(shè)東西長度7km、造林種花3800 畝，配套4 座塘壩以及灌溉設(shè)施，進(jìn)一步擴(kuò)大南部綠色通道，完善生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益兼顧、景觀效果突出，形成布局合理、功能齊全、效益明顯的南部生態(tài)防護(hù)體系。本文以4 座水源壩塘為主要研究對象，進(jìn)行選址、選型、結(jié)構(gòu)及防滲等方面的設(shè)計(jì)研究，為壩塘設(shè)計(jì)施工及安全運(yùn)行提供保障。

2 壩塘選址及選型

高臺縣生態(tài)經(jīng)濟(jì)林南部綠色通道水源塘壩工程位于黑河西總干渠67+735～73+635 段北側(cè)，以西總干渠為水源，取水后重力輸送至4 座兼?zhèn)渖鷳B(tài)、景觀、灌溉功能的塘壩，配備塘壩至防護(hù)林和花卉形成的綠化區(qū)之間的灌溉設(shè)施，為高臺縣南部綠色通道建設(shè)工程提供綠化區(qū)景觀用水和灌溉用水，設(shè)計(jì)灌溉面積0.38 萬畝，根據(jù)現(xiàn)場地形及景觀要求布置四座塘壩，平面布置形狀考慮灌溉與景觀相結(jié)合，因此在設(shè)計(jì)中將塘壩布置成景觀(眼睛、如意、葫蘆、金元寶)形式。容積合計(jì)39.2 萬m3，其中1# 塘壩容積9.9 萬m3、2# 塘壩容積9.9 萬m3、3# 塘壩容積9.8 萬m3、4# 塘壩容積9.6 萬m3。

根據(jù)現(xiàn)場地形勘察，在該區(qū)內(nèi)有3 處采砂大坑，深度在5～15m 左右，根據(jù)本供水區(qū)內(nèi)總體規(guī)劃綜合工程運(yùn)行，以及景觀各方面綜合考慮，本工程利用原有采砂大坑進(jìn)行塘壩布置。

本工程為注入式塘壩，壩高4.2～5.0m，壩體筑壩材料應(yīng)選擇當(dāng)?shù)夭牧希鶕?jù)挖填平衡適宜修建的壩型只有砂礫石壩，根據(jù)本工程所在地的地質(zhì)條件，本次設(shè)計(jì)選擇復(fù)合土工膜防滲的碾壓式砂礫石壩型，塘壩壩體為碾壓式砂礫石壩，迎水面壩坡為1∶2.5，背水面壩坡為1∶2，壩高4.2～5.0m，采用半挖半填式，壩面及池底采用復(fù)合土工膜防滲，壩塘平面布置圖如圖1 所示。

3 塘壩的設(shè)計(jì)

3.1 壩頂高程計(jì)算

4 個壩塘除平面布置形狀不同外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，本文以1# 壩塘作為典型設(shè)計(jì)，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式，壩頂高程按以下兩種工況進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）正常蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高；

2）正常蓄水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高，再加地震壅浪高度分別計(jì)算，取其最大值。

塘壩位于8 度地震區(qū)，地震區(qū)土石壩的安全加高應(yīng)增加地震壅浪高度。本工程地震壅浪高度取值為0.5m，在正常蓄水位+正常運(yùn)用條件下計(jì)算壩頂超高為1.02～1.07m；正常蓄水位+非常運(yùn)用條件下+地震條件計(jì)算壩頂超高為1.14～1.17m，根據(jù)以上兩種計(jì)算結(jié)果取最大值，最終確定壩頂超高取值為1.2m。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 1# 塘壩壩頂超高計(jì)算表

慮調(diào)蓄水池大面積鋪設(shè)土工膜水氣頂托作用，在土工布下部縱橫向設(shè)置直徑90mmPVC 排水排氣花管，采用專用的PVC 透水花管。排氣管數(shù)量以池底尺寸具體布置，縱橫向間距10m。

為滿足管理道路及調(diào)蓄水池排水要求，防止對調(diào)蓄水池池基造成破壞，設(shè)計(jì)沿靠山側(cè)削坡段池頂外側(cè)布置排水設(shè)施，排水溝采用現(xiàn)澆C20 混凝土矩形斷面，深0.4m，寬0.5m，襯砌厚度15cm。

地基處理根據(jù)池基處地質(zhì)條件分別采取不同處理措施：根據(jù)鉆探資料，調(diào)蓄水池臨河側(cè)五方河主河道池基采取的處理措施：為清基、表面夯實(shí)，當(dāng)清基后地面高程低于設(shè)計(jì)高程時，采用砂礫石換填至設(shè)計(jì)高程；當(dāng)調(diào)蓄水池池基位于Ⅰ級階地時池基處理措施為：對池基以下黃土狀土全部進(jìn)行原土翻夯。

3.2 塘壩護(hù)面設(shè)計(jì)

根據(jù)塘壩池址處地形、地質(zhì)條件，對池堤選用“C20 砼預(yù)制板”(方案一)和“干砌塊石護(hù)面”(方案二)兩個方案，兩方案護(hù)面材料經(jīng)濟(jì)比較見表2。

表2 護(hù)面材料經(jīng)濟(jì)比較表

綜上所述：方案一和方案二所選護(hù)面材料的強(qiáng)度及抗沖能力均滿足本工程的要求。但方案一和方案二相比較，方案二較方案一造價高45.74 萬，所以，本工程推薦方案一(現(xiàn)澆C20 砼預(yù)制板)詳見護(hù)面材料經(jīng)濟(jì)比較表。

3.3 塘壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塘壩為注入式塘壩，壩頂寬度根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定并與國內(nèi)外相應(yīng)壩高的壩頂寬度相類比，結(jié)合壩頂交通和施工要求，在滿足壩體穩(wěn)定的情況下確定為4.0m。塘壩形狀為不規(guī)則形。塘壩總?cè)莘e確定時考慮調(diào)蓄時段 灌溉最大蓄水量28.02 萬m3，同時，考慮塘壩景觀用水(最低水位)6.66 萬m3，和期間11、12、1、2、3 月蒸發(fā)滲漏水量3.88 萬m3，合計(jì)需容積38.62 萬m3。

根據(jù)現(xiàn)場地形及景觀要求布置四座塘壩，容積合計(jì)39.2 萬m3，滿足本工程需要。壩體內(nèi)外坡坡比，根據(jù)筑壩材料性質(zhì)、壩體高度和當(dāng)?shù)氐卣鹆叶却_定，本次設(shè)計(jì)大壩內(nèi)壩坡坡比為1∶2.5，外壩坡坡比采用1∶2.0。

根據(jù)地質(zhì)條件，本區(qū)域地層主要以第四系沖洪積砂卵礫石層，塘壩位于黑河西總干渠下段樁號67+735～73+635 北側(cè)，大壩和池底均采用土工膜全防滲處理。塘壩壩頂寬4.0m，迎水面坡比1∶2.5，背水面坡比1∶2。上游壩坡自上而下采用8cm 厚砼預(yù)制板護(hù)砌，30cm 厚砂礫石混合料、20cm 厚粗砂墊層、0.4mm 厚復(fù)合土工膜、20cm 厚粗砂墊層。庫底從上之下依次為30cm 砂土回填，20cm 厚粗砂墊層、0.4mm 厚復(fù)合土工膜、20cm 厚粗砂墊層，夯填砂礫石相對密度不低于0.75?？?jié)B等級為W6，抗凍等級為F150。壩塘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 壩塘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

塘壩出水系統(tǒng)主要通過井用潛水泵將水通過出水管連接至現(xiàn)狀灌溉管道中。塘壩工程作為灌溉兼景觀，考慮安全，壩頂路面采用碎石路面，路面厚0.2m，在壩頂靠近水池內(nèi)壩坡一側(cè)采用不銹鋼欄桿防護(hù)，欄桿高度為1.2m，欄桿基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆C20 混凝土，兩側(cè)分別設(shè)0.2m×0.5m 的現(xiàn)澆C20 砼路緣石。

3.4 導(dǎo)流渠護(hù)岸設(shè)計(jì)

根據(jù)平面布置，1# 塘壩東側(cè)泄洪溝和2、3 號塘壩中間位置泄洪溝道對新建 塘壩有安全隱患，為滿足溝道的泄洪能力，設(shè)計(jì)將在1# 塘壩上游測開挖行洪通道，本次工程共修建長度約465m，設(shè)計(jì)縱坡1/33，設(shè)計(jì)對新建的泄洪溝道進(jìn)行防護(hù)。將在2# 塘壩和3# 塘壩對現(xiàn)有溝道進(jìn)行兩側(cè)防護(hù)，本次工程共修建長度約316m，設(shè)計(jì)縱坡1/26，對新建的泄洪溝道進(jìn)行防護(hù)。

新建護(hù)岸采用夯填砂礫石土堤，橫斷面為梯形斷面，迎水面為1∶1.5，背水面為1∶1.25，堤頂寬3.0m，堤身高度2.35～2.66m。河床以上堤身高度為1.15～1.46m，堤防臨水面均采用現(xiàn)澆C20 砼護(hù)襯，上部厚度150mm，下部厚度250mm，頂板采用現(xiàn)澆C20 混凝土，厚度0.1m，寬度0.5m，基礎(chǔ)為梯形結(jié)構(gòu)，采用混凝土襯砌，高度為0.4m，下底寬0.6m。

4 壩塘防滲設(shè)計(jì)

4.1 土工膜防滲層類型選擇

土工膜防滲層分為單層膜防滲、多層膜防滲和土工膜復(fù)合防滲層三種[2]。根據(jù)工程特點(diǎn)，本工程4個壩塘一旦發(fā)生滲漏將嚴(yán)重影響到工程效益的發(fā)揮，對防滲要求較高，應(yīng)采用復(fù)合土工膜進(jìn)行壩體防滲。為了防止可能裂隙處產(chǎn)生管涌、坍坑，防滲土工膜應(yīng)采用土工織物復(fù)合土工膜[2]，其物理力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)見表3。

表3 土工織物復(fù)合土工膜物理力學(xué)性能指標(biāo)

4.2 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防滲結(jié)構(gòu)包括防滲材料的上墊層和下墊層、上墊層上部的防護(hù)層、下墊層下 部的支持層以及排水、排氣設(shè)施。

根據(jù)工程區(qū)建筑材料、施工、造價等因素，本工程防護(hù)層設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆混凝土 板,上墊層材料選用M10 水泥砂漿，上墊層厚度設(shè)計(jì)為5cm。根據(jù)《土合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，本工程下墊層材料考慮筑壩材料為砂礫碎石，粒徑2mm～60mm 占70%左右，為保障防滲土工膜在施工、運(yùn)行中不被礫石刺破，設(shè)置下墊層，下墊層采用0.3m 細(xì)礫墊層。壩體為碾壓砂礫碎石壩，不再另設(shè)支持層。防滲結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 壩體防滲結(jié)構(gòu)圖

4.3 膜鋪設(shè)與連接設(shè)計(jì)

本工程復(fù)合土工膜采用埋壓式敷設(shè)，土工膜的底邊和周邊以及與結(jié)構(gòu)物連接處都必須錨固，并應(yīng)符合下列要求：

1)在壩頂應(yīng)使土工膜向外延升0.8～1.0m 為宜，將土工膜埋入預(yù)先挖好的溝槽內(nèi)，溝槽斷面深×寬為0.5m×0.4m，用挖出的土分層回填夯實(shí)。

2)土工膜鋪設(shè)前，鋪膜地面平整后鋪設(shè)20cm的粗砂墊層，其上鋪土工膜，再蓋上20cm 的粗砂墊層，再蓋砂礫石混合料厚500mm 壓重，壩坡每8m 設(shè)置一道水平錨固溝，斷面尺寸寬×深為30cm×50cm，土工膜沿溝道回轉(zhuǎn)鋪設(shè)，錨固溝間土工膜預(yù)留1.5%的余幅，以備局部下沉拉伸，且縱向接頭應(yīng)距壩腳及轉(zhuǎn)彎處1.5m 以上。

3) 庫底鋪膜面平整后，直接鋪設(shè)土工膜，每10m 回折20cm，以防地基不均勻沉陷，拉伸土工膜，膜上覆20cm 的粗砂墊層和50cm 厚砂礫石的壓重。

4)土工膜連接采用布縫膜焊的連接方式，搭接寬度不小于30cm，搭接時應(yīng)使高端在低端上。

5 結(jié)論及建議

通過工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范，重點(diǎn)對4 個水源壩塘進(jìn)行選址、選型、防滲加固及護(hù)坡設(shè)計(jì)等技術(shù)研究，有效的解決了壩塘設(shè)計(jì)施工方面的技術(shù)問題和難題，能夠保證壩塘蓄水期的安全運(yùn)行。該蓄水工程于2018 年施工完成，建后保障了高臺縣南部綠色通道建設(shè)工程提供綠化區(qū)景觀用水和灌溉用水需求，社會和經(jīng)濟(jì)效益顯著。