短阻長透功能水壩的技術研究

周雍冬

(西贛禹工程建設有限公司，南昌 330038)

0 引 言

在小型水庫的設計建造中，通常會在前置庫與主庫中間，設置短阻長透功能壩，以實現徑流攔蓄和源水雜物雜質濾除效能。文章結合案例工程，介紹短阻長透功能水壩的技術結構，探討短阻長透功能水壩的重點工程參數和功能實現，以為同類工程應用提供技術參考。

1 短阻長透功能水壩技術及案例水壩簡介

短阻長透功能水壩是水利工程中土石壩的一種，它主要是利用諸如碎石、礫石、砂石、砂土、卵石等天然土料作為構筑材料，經過人工堆筑或機械碾壓構成的一種功能土石壩，利用壩前河道的貯存容積一次或多次地對地表徑流水量進行面源控制的技術。短阻長透功能水壩技術主要應用于小型水庫或河流的徑流攔蓄和水體雜物濾除，在整流和污染治理方面，豐富和完善工程性能和質量。短阻長透功能水壩結構如圖1所示。

圖1 短阻長透功能水壩結構示意圖

該功能水壩是位于主庫與前置庫之間的功能壩,其主要作用是阻擋隔斷功能：盡可能阻擋隔斷區間源水,約束源水停留前置庫一定時間，以進行生物降解、物理沉淀、植物吸收和實現凈化，保證其不能以源水污態直接進入或盡可能少進入主庫水體；透水滲透功能：源水停留前置庫凈化后，要能夠通過壩體逐漸滲透到主庫區,實現凈水交換。這也就是說,此壩體需要具備“短期的阻擋”和“長期的透水”功能。也正因為如此，所以該壩被稱為短阻長透功能水壩。

文章將該功能水壩分為2部分:①擋水壩，這是普通意義上的壩體功能,基于這個功能，未凈化源水才能被攔截在前置庫中,實現凈化過程。②半透水槽,此技術構成部件設置在擋水壩靠近前置庫的一側,其功能是未凈化源水在前置庫中實現充分凈化以后,要經過該槽，按要求滲透到主庫水體中,與主庫水體形成交換。

短阻長透功能水壩技術的核心是快速滲透原理，其滲透系數通常要遠遠大于普通鋼筋混凝土壩。但是當壩體不能勝任滲流的情況下，亦容易發生管涌現象，嚴重威脅壩體穩定。該型水壩在設計的時候，如果未結合實際情況，或者是未按標準規范進行施工，則很容易使壩體出現質量問題。其長透功能設計的好壞，將事關徑流停留的時間。其短阻功能設計的好壞，關系未來水凈化的效果。

文章案例水壩是南方某市重要的調蓄水庫工程的組成部。該水庫總設計庫容量1982萬m3,設計洪水位75.3m，正常蓄水位75.0m。該水壩設計為高程處庫底60m，一般運行水位68.8m，最高運行水位72.5m，最低運行水位65.15m。

2 案例水壩壩體剖面及高程參數

壩體剖面參數：堤底寬為580cm，凈寬為450cm，壩體高程為7830cm，在基體兩邊分別設有100cm的防浪墻。除此之外還需要在壩體坡面填筑石渣，填筑高度應與漏出水面的高程為主，從而形成功能強大的截留面，并具有一定的排水作用。戧堤頂寬為450cm,上下游邊坡的長度略有不同，其比例為1∶1.5。拋填塊石以后，應該及時清理河床覆蓋層以及沉積的礫石，為了確保剖面牢固可靠，還應該向水中加入一定比例的黏土。黏土和塊石戧堤之間需設置3m厚反濾層，將大大提高壩體的穩定性。水面以下填料經過處理以后可以形成基平臺，在此基礎上開始高程填筑施工，這時上下游邊坡的比例發生了一定的變化，從原來的比例變成了1∶2，在高程處應該設置1.5m寬的馬道。

壩體高程參數：本案例壩體高程參數符合《碾壓式土石壩設計規范》中的相關規定,由該規定可知壩頂高程等于水庫靜水位與超高之和。因此對于一些中小型石壩來說，高程可以通過風在水庫中的吹程得出一個近似值。具體參見表1所示。

表1 (R+e)的近似估計值一覽表

在計算庫水位和超高的時候有三種計算方式，這三種計算方式分別對應不同的運算條件。但是無論取哪種計算方式都應該把每組中求得的最大值當做水庫大壩設計高程。三種設計方式都應該取該組的最大值。三種運行條件計算壩體頂高程的比較如表2 所示。

表2 3種運行條件計算壩體頂高程的比較一覽表

最終求得水庫目前壩頂高程為78.30m，設計結構為半透水形式，一方面可以起到雙向擋水的作用，另外一方面短阻長透功能水壩高程和主庫區頂壩高程相符合。滿足擋水需要，而且也不低于78.09m高程的要求。

3 短阻長透功能案例水壩半透水槽結構型式

為了確保壩體具有短阻長透的功能，案例水壩在高程區設置了半透水槽，這樣做不但保證了壩體的功能不受影響，同時也為后期維修管理工作帶來了巨大的便利。混凝土墊層厚度為30cm，厚度為10cm，底部厚度為20cm，其過水面積為2×3.5m。因為透水槽較長，所以施工過程中應確保長度平行于壩體軸線。透水池橫剖面如圖2所示。

圖2 透水池橫剖面圖

因為在濾池中裝上了砂土，也就不需鋪設支持層，工作人員只需把找平層抹平即可，最后還需要鋪設一層土工膜。但是施工過程中我們應該格外注意的是避免土工膜過緊，通常情況下為了保證具有良好的防滲效果，設計人員還會要求工人在土工膜上面鋪設20cm左右的過渡層，過渡層可以用石料也可以用砂土。由于混凝土池壁與土工膜連接處容易出現空隙，為了避免該位置滲漏還應該在連接處涂刷2mm厚的瀝青。

4 短阻長透功能案例水壩半透水槽填充砂料系數的確定

前置庫的雨水經過凈化后會經過半透水槽流經水庫中，因此半透水槽結構設計是否合理、砂礫質量能否滿足要求成為長期透水功能實現的關鍵。砂礫滲透系數是一個非常重要的參數，它決定了雨水停留的時間和透水槽的長度。由于前置庫中的水停留一段時間后才進入下游水庫，所以，滲流透水池的時間T是確定砂料系數的重要依據。設壩體上下游的水頭差為1m，透水池的滲流長度分別為20、25、30、35時,則時間T與滲透系數K的關系曲線如圖3所示。

圖3 時間T與滲透系數K的關系曲線

當暴雨雨水在前置庫中的停留時間超過24h以后，可以有效去除水中80%以上的懸浮固體，參照圖5-7曲線圖,確定透水槽滲透系數為初步選取透水槽的滲透系數為0.5cm/s，滲徑長度為30m。

5 短阻長透功能案例水壩半透水槽填充砂料的分段與作用

由滲透系數0.5cm/s以及30m的滲流長度最終確定透水槽長度為40m，為了起到防淤堵的效果把半透水槽分為滲流段和凈化段，具體如圖4所示。

圖4 半透水槽防淤堵滲流段和凈化段圖

滲流段：雨水在前置庫中需要停留1-2d的時間，再停留的時間內需要進行物理沉淀、生態降解等。由此可以看出滲流段的作用主要是控制滲流速度、延長滲徑，確保前置庫中的水得到充分凈化。施工的時候通常在透水槽中部位置裝置均質砂料，確保滲透系數不高于0.5cm/s左右。

凈化段:前期沉降吸附以后仍然會有一部分未降解的懸浮物存于水中，設計半透水槽一方面可以在雨水到達主庫前去除這些懸浮物，另外一方面也避免了懸浮物流入滲流段。半透水槽去除懸浮物的過程是一個非常漫長的過程，因此水槽中的砂料時常出現淤堵的現象。當枯水期前置庫水位較低的時候，主庫的水會經過半透水槽進入到前置庫，從而為前置庫提供了充足的水量，為水庫正常運行提供了保證。從結構來看半透水槽承擔著雙向輸水的作用，為了避免半透水槽內滲流段砂料被淤堵，常常在槽兩端分別留有5m長的凈化段。

6 結 論

文章結合案例工程，將短阻長透功能水壩在結構上劃分為擋水壩和半透水槽兩個主要功能部分進行了研究，文中介紹了短阻長透功能水壩的技術結構，梳理了短阻長透功能水壩的重點設計參數和功能。顯然，短阻長透功能水壩須勝任徑流攔蓄和水體雜物濾除的功能要求。為實現這個功能，分段半透水槽的設計相對關鍵，采用分段半透水槽的方式利于避免出現淤堵，也利于日后維護和管理。

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