引洮二期配套供水靜寧縣小岔溝工程調(diào)蓄水池設(shè)計

雒亞新

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

1 工程概況

引洮供水二期配套工程是為保證引洮二期工程與地方已建的人飲與灌溉工 程進(jìn)行全面的對接，真正實現(xiàn)引洮供水二期工程供水任務(wù)，促進(jìn)當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈?富和生態(tài)環(huán)境改善的民生工程。供水范圍涉及定西、白銀、天水市及平?jīng)? 市8 個縣區(qū)，發(fā)展灌溉面積29.2 萬畝，年調(diào)水量3.15 億m3，工程規(guī)模為II 等大(2)型工程[1]。二期工程靜寧縣受水區(qū)每年9 月全月為停水檢修期，為保障集中供水 點的檢修期用水量要求，在該受水區(qū)修建小岔溝調(diào)蓄水池，位置在靜寧縣深溝鄉(xiāng) 孫家溝與新王家村之間的楊家大河左岸的灘地上，設(shè)計有效容積20 萬m3，調(diào)蓄水池平面形狀為不規(guī)則圓角四邊形，池軸線長度共865m，池深9.3m。小岔溝調(diào) 蓄水池供水對象為鄉(xiāng)鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村，主要建筑物級別為4 級，次要建筑物級別為5 級，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 年一遇設(shè)計、100 年一遇校核。文章主要對調(diào)蓄水池地形地質(zhì) 條件、選址、布置及結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行研究，為工程設(shè)計及施工提供參考依據(jù)。

2 調(diào)蓄水池選址及布置

2.1 方案布置情況

小岔溝調(diào)蓄水池選定在王家堡對岸的現(xiàn)代河床及左岸I 級階地上，水廠位于調(diào)蓄水池北側(cè)的II級階地上，由于調(diào)蓄水池處壓力水頭不滿足水廠運行要求，在調(diào)蓄水池處設(shè)提水泵站一座。為進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)蓄水池、水廠選址方案，論證取 消調(diào)蓄水池至水廠加壓泵站的可能性，現(xiàn)對小岔溝調(diào)蓄水池池址進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場 踏勘，擬定兩種方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較。方案布置情況如下：

方案一：取消提水加壓泵站方案

通過現(xiàn)場踏勘，為滿足水廠運行要求，若要取消調(diào)蓄水池至水廠的提水加壓泵站，調(diào)蓄水池池址可選在水廠西約100m 處的II 級階地上，II 級階地現(xiàn)狀均為蘋果園地，共占用蘋 果園地105.28 畝。

方案二：布設(shè)提水加壓泵站方案

此方案調(diào)蓄水池位于靜寧縣深溝鄉(xiāng)孫家溝與新王家村之間的楊家大河左岸 的天然半圓狀灘地上。水廠布置在調(diào)蓄水池北側(cè)的II 級階地上，由于調(diào)蓄水池至水廠水頭不滿足水廠水頭要求，在調(diào)蓄水池和水廠間，設(shè)一級提水加壓泵站，此處為良好的耕地和果園林地。經(jīng)計算，此方案占地面積共69.3 畝，其中耕地21.6 畝，園地41.3 畝，其他土地(裸地)6.4 畝。調(diào)蓄水池平面布置圖如圖1 所示。

圖1 小岔溝調(diào)蓄水池平面布置圖

2.2 選址比較

兩種方案壩頂路面處理、消能處理、進(jìn)出水池設(shè)計等基本相同，現(xiàn)對兩方案 就池址處地質(zhì)條件、干管水頭對池址選擇的影響、防洪影響、經(jīng)濟(jì)投資等方面進(jìn)行比較。

2.2.1 地質(zhì)條件比較

方案一 調(diào)蓄水池地處II 級階地上，II 級階地表層均為馬蘭黃土與黃土狀土，其中濕陷性黃土層一般厚度5.0～11.0m，地基處理深度需達(dá)到5.0～7.0m。

方案二 調(diào)蓄水池位于I 級階地部分，表層有1.0～5.7m 的黃土狀土，且靠近II 級階地岸坎處土層較厚，約3.5～5.7m，向中間逐漸變薄且層厚較均一，厚1.0m 左右，下部為沖洪積砂礫石層，結(jié)構(gòu)稍密～中密，顆粒巖性主要以灰色、青灰色 砂巖、花崗巖和石英巖為主，局部夾厚0.5～1.0m 黃土狀土透鏡體；基底為新近 系(N1)中厚層磚紅色粉砂質(zhì)泥巖，基巖面高程1621.3～1613.9m。

從地質(zhì)條件比較，方案一池址選在II 級階地上，池基為馬蘭黃土與黃土狀土，濕陷性較強(qiáng)，需進(jìn)行原土翻夯處理+強(qiáng)夯處理，地基處理深度需達(dá)到5.0～7.0m，地基處理深度、難度及投資均較大；方案二擬建調(diào)蓄水池場地位于現(xiàn)代河 床及左岸Ⅰ級階地上，場地穩(wěn)定，只需對靠山側(cè)池基表層約0.5～2.0m 黃土狀土 進(jìn)行處理，對臨河側(cè)池基只需清基并整平壓實后采取防滲措施即可，地基處理深 度、難度及投資均較小，適宜修建調(diào)蓄水池。

2.2.2 調(diào)蓄水池防洪處理及對河道行洪的影響

根據(jù)平面布置，方案二擬建調(diào)蓄水池池堤占用了五方河部分河道，將對五方 河行洪產(chǎn)生一定的影響。為滿足方案二調(diào)蓄水池防洪要求及五方河行洪要求，需 對此處五方河河道進(jìn)行治理，根據(jù)上下游河道高程開挖行洪通道，治理長度約450m，并對此段五方河河道兩岸修建防洪設(shè)施進(jìn)行防護(hù)，其中左岸(臨池側(cè))布置 護(hù)岸長度453m，新建護(hù)岸設(shè)計主體為夯填壤土，橫斷面設(shè)計為梯形。

方案一調(diào)蓄水池地處II 級階地上，地勢較高，基本不存在防洪問題，對河 道行洪也不會產(chǎn)生影響。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)比較

兩種方案經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 兩種方案經(jīng)濟(jì)比較表

從表1 可以看出，方案一比方案二投資增加約1496 萬元，其中建筑工程投資增加約710 萬元，機(jī)電設(shè)備投資減少135.66 萬元，按運行30 年考慮，折現(xiàn)后運行管理費增加約31.5 萬元，但征地投資增加約890萬元。從經(jīng)濟(jì)方面比較，方案二明顯優(yōu)于方案一。

2.2.4 綜合比較

從地質(zhì)條件比較，方案二池址處地質(zhì)條件明顯優(yōu)于方案一；從調(diào)蓄水池防洪 處理及對河道行洪的影響方面考慮，方案一較方案二占優(yōu)勢；從經(jīng)濟(jì)方面比較，方案二投資明顯低于方案一。

綜合比較，選定方案二，即布設(shè)提水加壓泵站方案中池址作為本工程調(diào)蓄水池推薦池址。

3 調(diào)蓄水池設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

調(diào)蓄水池為注入式水池，池內(nèi)設(shè)計水深8.0m，池頂寬度5.0m，靠山一側(cè)池堤是將I、II 級階地之間陡坎削坡形成，邊坡1:2.75，臨河側(cè)池堤為碾壓式均質(zhì)土堤，設(shè)計池 堤迎水面邊坡采用1:2.75，背水面邊坡1:2.0，池堤最大填筑高度13.0m，采用開挖后的壤土、馬蘭黃土、黃土填筑，設(shè)計壓實度0.98。迎水面從上往下依次為8cm 厚C20 混凝土預(yù)制板、3cm厚M10 水泥砂漿墊層、FN2/1PE-20-500-0.5 復(fù)合土工膜、30cm 厚10%水泥土墊層[3]。調(diào)蓄水池迎水面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 調(diào)蓄水池迎水面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

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，當(dāng)清基后地面高程低于設(shè)計高程時，采用砂礫石換填至設(shè)計高程；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 池頂高程確定

池頂高程根據(jù) 《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)有關(guān)規(guī)定，按以下兩 種運行條件計算確定[2]，計算結(jié)果取其最大值。

1)正常蓄水位+正常運用條件的壩頂超高；

2)正常蓄水位+非常運用條件+地震安全加高。

本工程地震設(shè)防烈度為8 度，地震安全加高值包括地震沉降和地震壅浪高度，本文取地震安全加高值為1.0m，小岔溝調(diào)蓄水池池頂高程計算結(jié)果見表2。

表2 小岔溝調(diào)蓄水池池頂超高計算表

3.3 池堤邊坡穩(wěn)定計算

邊坡穩(wěn)定采用等效斷面進(jìn)行計算，壩體填筑料的容重和內(nèi)摩擦角均采用綜合平均值，按臨河側(cè)池堤標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計算，計算斷面如圖3 所示。

圖3 計算斷面

(1)計算工況：根據(jù)《小型水利水電工程碾壓土石壩石壩設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，穩(wěn)定分析應(yīng) 該核算分以下5 種工況計算：

工況①正常蓄水位，土工膜防滲；

工況②正常蓄水位，土工膜防滲，遇地震；

工況③正常蓄水位，土工膜防滲失效；

工況④正常蓄水位，土工膜防滲失效，遇地震；

工況⑤施工期上、下游壩坡。

（2)計算方法與參數(shù)：壩坡穩(wěn)定計算采用由北京理正軟件設(shè)計研究院的理正巖土系列軟件中的邊坡穩(wěn)定分析軟件計算，理正巖土軟件的邊坡穩(wěn)定分析軟件計算是按照《碾壓土石 壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的方法、工況編制的[3]。計算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果得到，壤土壩體采用主要計算參數(shù)為見表3，靠山側(cè)開挖邊坡主要計算參數(shù)見表4。

表3 壤土壩體填筑料主要計算參數(shù)表

表4 靠山側(cè)開挖邊坡主要計算參數(shù)表

(3)計算公式：本次計算對上、下游邊坡分別采用考慮條塊間作用力的簡化畢肖普法(圓弧 滑動)進(jìn)行分析，計算公式為：

式中：W 為土條重量；Q、V 為水平、垂直地震慣性力，kN；u 為作用于土條底面的孔隙壓力，kpa；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，o；b 為土條寬度，m；c’為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc 為水平地震慣性力對圓心的力矩(地震工況時考慮)，kN·m；R 為圓弧半徑，m。

(4)計算結(jié)果。經(jīng)計算，各種工況下池堤的穩(wěn)定計算成果圖及安全系數(shù)如圖4 所示及見表5、表6。

圖4 土工膜防滲遇Ⅷ度地震時邊坡滑弧位置圖

表5 小岔溝調(diào)蓄水池臨河側(cè)填筑池堤邊坡穩(wěn)定計算安全系數(shù)

表6 小岔溝調(diào)蓄水池靠山一側(cè)池堤邊坡穩(wěn)定計算安全系數(shù)

綜上所述，上下游在各種計算條件下池堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

小岔溝工程調(diào)蓄水池主要解決項目區(qū)檢修期供水問題，兩種選址方案對建筑 物布置差別大，文章從地質(zhì)條件，水頭、防洪安全以及工程投資等方面對水池的選址進(jìn)行優(yōu)化比選和結(jié)構(gòu)布置，最終選出合理的布置方式；另一方面調(diào)蓄水池 臨河布置，對蓄水池進(jìn)行池堤邊坡穩(wěn)定計算分析尤為重要，經(jīng)計算，調(diào)蓄水池池堤邊坡滿足設(shè)計要求，本次工程設(shè)計對調(diào)蓄水池的設(shè)計、施工具有參考意義。