濕陷性黃土地基蓄水池建設(shè)技術(shù)方法

王建彪

（寧夏水利水電勘測設(shè)計研究院,寧夏 銀川 751000）

為深入貫徹黨中央、國務(wù)院關(guān)于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工作的決策部暑,落實《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018-2022 年）》,加快推進(jìn)農(nóng)田建設(shè)各項工作,集中力量抓好高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè),鞏固和提高糧食生產(chǎn)能力,確保完成中央確定的農(nóng)田建設(shè)硬任務(wù),同時改變香山興仁地區(qū)群眾“靠天吃飯”的現(xiàn)狀。經(jīng)實地調(diào)查、分析比選,選定沙坡頭區(qū)興仁鎮(zhèn)東灘村和拓寨村為沙坡頭區(qū)2022 年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項目區(qū),項目建設(shè)規(guī)模2.64 萬畝,種植作物為硒砂瓜,灌溉方式采用滴管灌溉。項目灌溉水源采用中部干旱帶沙坡頭香山興仁片區(qū)生態(tài)修復(fù)及灌區(qū)供水工程水源。考慮到供水工程輻射區(qū)域廣,控制灌溉面積大,供水保障率不確定等因素,沙坡頭區(qū)人民政府整合財政銜接,推進(jìn)鄉(xiāng)村振興補助資金和區(qū)政府財政資金,計劃實施沙坡頭區(qū)興仁鎮(zhèn)東灘村和拓寨壓砂地轉(zhuǎn)產(chǎn)配套蓄水池工程,建設(shè)3座調(diào)蓄水池,以提高項目區(qū)供水能力和供水保障率。

1 蓄水池建設(shè)場址地質(zhì)勘察

根據(jù)場址地質(zhì)勘察試驗資料：東灘1#調(diào)蓄水池場地土層濕陷系數(shù)0.003～0.048,自重濕陷系數(shù)0.003～0.021,濕陷量339.2 mm～556.2 mm,自重濕陷量145.2 mm～274.9 mm,具自重濕陷性,濕陷等級Ⅱ（中等）。東灘2#調(diào)蓄水池場地土層濕陷系數(shù)0.001～0.068,自重濕陷系數(shù)0.001～0.021,濕陷量340.8 mm～629.2 mm,自重濕陷量0～318.8 mm,具自重濕陷性,濕陷等級Ⅲ（嚴(yán)重）。拓寨1#調(diào)蓄水池場地土層濕陷系數(shù)0.007～0.055,自重濕陷系數(shù)0.002～0.027,濕陷量603.5 mm～797.1 mm,自重濕陷量401.0 mm～538.1 mm,具自重濕陷性,濕陷等級Ⅳ（很嚴(yán)重）。

2 濕陷性黃土地基處理方法確定

依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025-2018）,濕陷性黃土地基處理方法主要有墊層翻夯法、強(qiáng)夯法、素土擠密樁法、預(yù)浸水法等。

1）墊層翻夯法是對調(diào)蓄水池地基濕陷性黃土出現(xiàn)濕陷變形、承載力不滿足設(shè)計要求的改善措施。一般將地基表層2 m～4 m 厚度濕陷性黃土挖除,并換填翻夯置換素土。

2）強(qiáng)夯法是對調(diào)蓄水池地基濕陷性黃土出現(xiàn)濕陷變形、承載力不滿足設(shè)計要求的改善措施,用重錘自一定高度下落夯擊土層使地基迅速固結(jié)。

3）素土擠密樁法是對調(diào)蓄水池地基濕陷性黃土出現(xiàn)濕陷變形、承載力不滿足設(shè)計要求的改善措施,利用沉管在地基中擠土成孔,然后向孔內(nèi)夯填素土成樁,分別與擠密的樁間土組成復(fù)合地基,共同承受地基上部荷載。

4）預(yù)浸水法是在建設(shè)調(diào)蓄水池前預(yù)先對濕陷性黃土場地大面積浸水,使土體在飽和自重應(yīng)力作用下,發(fā)生濕陷、產(chǎn)生壓密,以消除全部黃土層的自重濕陷性和深部土層的外荷載濕陷性。一般大厚度濕陷性黃土場地預(yù)浸水的耗水量30 m3/m2左右,預(yù)浸水全過程周期6～8 個月；預(yù)浸水后,對于場地表層厚≤（2 m～6 m）仍可能存在的Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷性黃土,若有必要還需要二次處理。

根據(jù)場址地質(zhì)勘察試驗資料,地基濕陷等級為Ⅱ～Ⅳ級,從有效消除濕陷量、工程建設(shè)周期、工程建設(shè)造價以及蓄水池開挖土方利用等方面考慮,確定采用墊層翻夯法進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

3 蓄水池防滲結(jié)構(gòu)比選

參照《寧夏滴灌工程規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》（DB64/T 1290-2016）,從卵膜結(jié)構(gòu)蓄水池、卵膜+格梁結(jié)構(gòu)蓄水池、板膜結(jié)構(gòu)蓄水池3 種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行比選,見表1。

表1 不同防滲結(jié)構(gòu)蓄水池方案比選表

經(jīng)分析比較,相同庫容情況下,3 座調(diào)蓄水池方案一概算投資最低,為1166.99 萬元,較方案二低184.61 萬元,較方案三低359.01 萬元,實際占地面積相同。且根據(jù)地質(zhì)勘察試驗資料,3 座調(diào)蓄水池壩址處土層均存在不同程度濕陷性,應(yīng)優(yōu)先考慮適應(yīng)地形變形能力強(qiáng)的蓄水池結(jié)構(gòu)型式。

綜合各方面因素考慮,確定調(diào)蓄水池防滲結(jié)構(gòu)確定為土料+復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)型式,即方案一。

4 蓄水池結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 蓄水池布置形式

根據(jù)蓄水池選定場址地形條件,東灘1#調(diào)蓄水池（庫容7.6 萬m3）、東灘2#調(diào)蓄水池（庫容7.8 萬m3）和拓寨1#調(diào)蓄水池（庫容6.4 萬m3）均設(shè)計為長方形。池內(nèi)水深根據(jù)地形、地質(zhì)條件和地基處理要求,最終確定為5.2 m,超高均為0.8 m。蓄水池具體結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 調(diào)蓄水池設(shè)計斷面尺寸表

（1）蓄水池容積計算

推算調(diào)蓄水池容積通過擬定水深及調(diào)蓄水池底面積按式（1）計算。

式中：Vr為容積；h 為設(shè)計水深；V1為池底面積；V2為水面面積。

（2）蓄水池超高計算

1）波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田試驗站公式按式（2）和式（3）。

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期,s；W 為設(shè)計風(fēng)速,m/s,取20 m/s；D 為風(fēng)區(qū)長度,m；Hm為水域平均深度,m；g為重力加速度,取9.8 m/s3。

2）平均波長可按式（4）計算。

式中：Lm為平均波長,m；H 為壩迎水面前水深,m。

3）正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按式（5）計算。

當(dāng)m=1.5～5.0 時：

式中：Rm為平均波浪爬高,m；m 為坡度系數(shù),m=cotα（α為坡角）；KΔ為斜坡的糙率滲透性系數(shù),根據(jù)護(hù)面類型由《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）表A.1.6-1 查得,取0.6；Kw為經(jīng)驗系數(shù),由《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL189-2013）表A.1.6-2 查得,取1.196。

4）波浪爬高R 可由平均爬高與壩迎水面前水深的比值hm/H 按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）表A.1.7 規(guī)定的系數(shù)計算求得,根據(jù)計算2 座調(diào)蓄水池hm/H 均小于0.1,R/Rm值取1.84。

4.2 蓄水池防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）地基處理

依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025-2018）、《蓄水池土層濕陷性計算評價表》,通過計算,最終確定東灘1#、2#調(diào)蓄水池壩基翻夯深度為2.5 m,拓寨1#調(diào)蓄水池壩基翻夯深度為3.5 m。壩體填土含水率應(yīng)按最優(yōu)含水率控制,允許偏差為±3%,要求填筑及翻夯壓實系數(shù)為0.97。

圖1 施工及檢測圖

（2）蓄水池池底防滲結(jié)構(gòu)

蓄水池池底防滲結(jié)構(gòu)形式為土料結(jié)構(gòu)和復(fù)合土工膜。池底從上至下依次鋪設(shè)600 mm 厚素土, 聚乙烯復(fù)合土工膜（200 g/m2×0.5 mm×200 g/m2）,2500/3500 mm 素土翻夯。

（3）蓄水池邊坡防滲結(jié)構(gòu)

調(diào)蓄水池坡面防滲均采用土料（砂礫石、碎石）+復(fù)核土工膜結(jié)構(gòu)型式,即內(nèi)坡從上至下依次為100 mm 厚破碎石（粒徑40 mm～60 mm）、100 mm 厚砂礫石（粒徑10 mm～20 mm）、400 mm 厚素土、聚乙烯復(fù)合土工膜（200g/m2×0.5 mm×200 g/m2）,2500/3500 mm 素土翻夯。

（4）進(jìn)出水建筑物

調(diào)蓄水池進(jìn)水建筑物均采用進(jìn)水涵洞、進(jìn)水陡坡、消力池、散水結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)水涵洞設(shè)計為C25 鋼筋混凝土蓋板涵型式,底板厚0.20 m、側(cè)墻厚0.2 m、蓋板厚0.2 m,涵洞凈空為0.5 m、凈寬0.8 m、長5 m；進(jìn)水陡坡設(shè)計為C25 鋼筋混凝土直流槽形式,消力池設(shè)計為C25 鋼筋混凝土消力池,底板厚0.25 m,側(cè)墻厚0.2 m,深度為0.5 m；消力池周邊設(shè)1 m寬,0.2 m 厚強(qiáng)度等級為C20 混凝土散水。

5 結(jié)語

設(shè)計經(jīng)多方案比選,確定了適合濕陷性黃土地基蓄水池建設(shè)的結(jié)構(gòu)型式及基礎(chǔ)處理方法,同時運用理正軟件,對蓄水池施工期、正常運行、正常運行加地震三種工況下壩體滲流穩(wěn)定（達(dá)西定律）和壩體穩(wěn)定（瑞典圓弧法、簡化畢肖普法）進(jìn)行了試算,確定了壩體最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸,使得蓄水池在保障安全運行的前提下投資最合理,效益最大化。