新疆某礦井外排水工程末端中水庫壩型選擇

趙錦程

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

隨著社會經濟的發展、水資源日益匱乏以及人們對環境問題的重視，中水回用作為一項保護環境、節約資源的環保措施，對我國的可持續發展將會起到非常重要的作用[1-2]。

1 工程概況

新疆某礦井外排水工程位于新疆昌吉縣境內，工程主要由首部事故備用水池、排水管道及末端中水庫池等建筑物組成。工程建成后不但能解決礦井排水問題，同時還可為末端中水庫下游村鎮提供綠化用水。工程等別為Ⅴ等，工程規模為小(Ⅱ)型。末端中水庫為5級建筑物，庫容為53×104m3。末端中水庫平面布置示意圖見圖1。

2 壩址區地形地質條件

庫區位于硫磺溝左岸Ⅴ級階地上，地形開闊平坦，西南高，北東低，地面微向北東傾，地面坡降17‰。尾部水池庫區南100 m為較大沖溝，溝深30～50 cm；尾部水池庫區東100～150 m為Ⅴ級階地階坎，深10～15 m。庫區上部多為洪積含礫碎石土覆蓋，厚2～12 m，巖性為黃灰色、紫紅色薄層泥巖夾灰綠色薄層粉砂巖、砂巖、砂礫巖。覆蓋層下部分布有砂卵礫石層，厚3～15 m，呈南厚北薄、西厚東薄的分布規律。

3 壩型比選

根據壩址區地形地質條件，水池布置在此區域便于承接上游排水管路和下游供水系統，且地形相對平坦開闊，土石方工程量不大。由于水庫規模較小，同時考慮充分利用開挖料作為壩殼填筑料，從而降低工程總投資。因此，初步擬定采用土工膜斜墻壩及分離式面板堆石壩進行方案比選。

3.1 土工膜斜墻壩方案

土工膜斜墻壩最大壩高控制在16.5 m，壩長845 m，壩頂鋪設厚20 cm的級配礫石路面，路面寬5.0 m。為排除雨水，壩頂面向下游單向傾斜，坡度為2%。壩頂上游側設防護欄混凝土基礎，標號為C25F300，基礎頂部高出壩頂面30 cm，并于基礎上設高1.2 m的欄桿；壩頂下游側設混凝土路沿石，標號為C20F300，橫斷面尺寸為0.2 m×0.6 m，高出壩頂面20 cm，路沿石每隔5 m設一通向下游的排水孔。

3.1.1 壩坡及護坡

本工程大壩筑壩材料主要為碎石土料，從改善壩身斷面結構、安全、經濟和便于施工等方面綜合考慮，并根據壩坡穩定分析，初步選用壩坡如下：上游壩坡為1∶2.5，采用土工膜防滲；下游壩坡為1∶2.0。根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL 189-2013)，并進行工程類比，上游護坡材料一般選用現澆混凝土板護坡或大塊石護坡。本工程在綜合考慮滑坡穩定和防滲膜穩定的基礎上，本階段初選上游護坡為現澆混凝土護坡板，混凝土強度及耐久性指標為C25F300，板厚0.2 m，分縫尺寸為3 m×3 m，采用閉孔塑料板作為填縫材料。上游坡腳采用混凝土錨固基座，混凝土錨固基座為C25F300，尺寸為1.0 m×0.6 m(B×H)，每5 m設一道分縫。

3.1.2 防滲設計

根據本工程地形地質條件，水池地處天然階地，庫盤底部為砂礫石料，因此本工程除了要對上游壩坡進行防滲，還需對整個庫盤進行防滲處理。本工程上游壩坡及整個庫盤選用復合(PE)土工膜進行全防滲。

1) 土工膜選取。根據《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術規范》(SL T231-1998)的規定，復合土工膜規格的選擇與下墊層平整度、材料允許拉應力、材料彈性模量、抗凍性、撕裂強度、抗滲強度、滲透系數及覆蓋層最大粒徑等有關，土工膜厚度設計除應考慮主要由水壓力要求的強度外，尚應考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應用條件，并按國家現行有關標準的規定確定設計厚度及實際厚度。為同時滿足防滲及環保的要求，壩坡與庫區防滲層均采用規格為250 g/m2/PE 0.6 mm/250 g/m2/PE 0.6 mm的兩布兩膜(PE膜)復合土工膜，幅寬為8 m。

2) 防滲工程結構。壩體上游護坡防滲工程結構設計應包括下部支持層、土工膜防滲層及上部保護層。本工程下部支持層包括厚5 cm砂漿墊層，層面應平整；防滲層選用兩布兩膜(PE膜)復合土工膜；上部保護層為厚20 cm的C25現澆混凝土面板。

庫盤防滲工程結構設計應包括下部支持層、土工膜防滲層及上部保護層。根據地質報告，庫區大部分區域為碎石土層；防滲層選用兩布兩膜(PE膜)復合土工膜，下部支持層為厚10 cm砂墊層；上部保護層選用厚80 cm的開挖碎石土和厚10 cm砂墊層進行回填。

3) 接頭設計。土工膜間的接縫設計應使接縫數量最少，且平行于拉應力大的方向，接縫避開彎角，應設在平面處。土工膜與土工膜間的接縫采用焊接工藝連接，焊接搭接寬度為10 cm，焊接接縫抗拉強度不應低于母材強度。

土工膜與壩頂連接：壩頂超出正常水位1.5 m，在此處土工膜采用錨固槽方式與壩頂連接，錨固槽呈梯形結構，兩側邊坡與平面夾角30°，每側邊水平長度25 cm，土工膜沿梯形錨固槽鋪設，然后回填錨固槽。

土工膜與壩坡坡腳連接：采用螺栓將土工膜與基礎錨固基座錨固，混凝土標號為C25、F300，錨固基座寬1.0 m，高0.6 m，每5.0 m設一道伸縮縫，縫寬2 cm，用閉孔塑料板填縫。

3.1.3 壩料規劃

根據地形條件及地質資料，筑壩材料盡可能利用開挖料。根據顆分試驗，粒徑>40 mm含量0.5%,粒徑40～20 mm含量15.6%，粒徑20～5 mm含量約占29.2%，粒徑5～2 mm含量約占18.4%，粒徑2～0.5 mm含量約占17.1%，粒徑0.5～0.25 mm含量12.1%，粒徑0.25～0.075 mm含量約占5.6%，粒徑<0.075 mm含量約占1.5%。碎石土料緊密密度、內摩擦角、滲透系數等均符合要求。

3.1.4 壩基處理

庫區表層為第四系上更新統-全新統洪積積物(Q3-4pl)碎石土厚度2～12 m，下部第四系中更新統沖積物(Q2alp)厚度為3～15 m，為透水層。因此，對于壩體基礎，將表層厚0.5～1 m腐質土清除，即可滿足大壩基礎填筑要求。土工膜斜墻壩典型橫斷面圖見圖2。

圖2 土工膜斜墻壩典型橫斷面圖

3.2 分離式面板堆石壩方案

分離式面板堆石壩最大壩高控制在16.7 m，壩長832 m，庫盤底部長為212 m，寬為156 m。壩內側坡比為1∶1.6，采用厚30 cm混凝土面板；連接板作為大壩防滲面板和庫底土工膜防滲層的連接結構；壩外側坡比為1∶2.0。壩外坡坡面設置上壩道路，通向坡頂。

3.2.1 壩頂結構

分離式面板堆石壩壩頂設計同土工膜斜墻壩方案。

3.2.2 壩坡及防滲設計

本工程大壩筑壩材料主要為碎石土料，從改善壩身斷面結構、安全、經濟和便于施工等方面綜合考慮，并根據壩坡穩定分析，初步選用壩坡如下：上游壩坡為1∶1.6，采用分離式混凝土面板進行防滲，厚30 cm。下游壩坡為1∶2.0。

3.2.3 混凝土面板及止水設計

混凝土面板均采用分離式面板，面板混凝土采用C25、W6、F300，二級配。混凝土面板厚30 cm，分縫尺寸為4 m×6 m，按橫向布置，即長邊平行于壩軸線。

結構縫內加設鋼筋將坡面相鄰兩塊分離式面板連接起來，采用Φ16鋼筋，長度為1.6 m，分別插入相鄰兩板各0.8 m，連接鋼筋間距1 m。水平縫迎水面止水方式采用深8 cm、下開口寬6 cm、上開口寬10 cm的鍥型聚氨酯密封膏填充，兩塊面板間采用“硬縫”相接。

結構縫底部(墊層表面)設寬0.6 m的150 g/m2無紡布，起反濾作用。

3.2.4 趾板設計

壩體上游混凝土防滲面板底部設置混凝土趾板，作為分離式面板的支持及防滲面板和庫盤土工膜防滲層的連接結構。混凝土趾板寬2 m，厚0.6 m，沿縱向每8 m設置變形伸縮縫。由于混凝土趾板位于水池庫盤砂礫石基礎上，先完成壩體的填筑和碾壓施工，并盡可能使壩體完成施工期沉降后，再澆筑混凝土趾板，避免壩體過大的沉降變形造成混凝土面板斷裂。

趾板止水方式與面板止水相同。趾板水平及垂直分縫的底部(墊層表面)設一層瀝青砂漿，砂漿下鋪設寬0.6 m無紡布，起反濾作用。

3.2.5 筑壩材料

分離式面板壩同土工膜斜墻壩方案一樣，壩殼料也采用庫盤開挖料。碎石土料含量、緊密密度、內摩擦角及滲透系數均滿足規范要求。

3.2.6 壩基處理設計及庫盤防滲設計

壩基處理及庫盤防滲同土工膜斜墻壩方案。分離式面板堆石壩典型橫斷面圖見圖3。

圖3 分離式面板堆石壩典型橫斷面圖

4 壩型比選及結論

在同等庫容的條件下，本文根據壩址區地形地質條件對各個壩型的防滲型式、施工方法、建筑材料、主要工程量及投資進行了綜合比較，見表1。

表1 不同壩型綜合比較表

通過對以上兩種方案進行對比分析，得出以下結論：

1) 從地形、地質條件對壩型的適應性能分析，適合建造當地材料土石壩，兩種壩型均可行。

2) 從對當地的氣候條件的適應程度比較，復合土工膜土石壩的上層覆蓋保護其特性不受氣候影響，混凝土防滲面板作為防滲體暴露在外，易于檢修維護，但受寒冷氣候影響較大。

3) 從運行管理比較，復合土工膜斜墻土石壩在運行期管理更為簡便。分離式混凝土面板壩對面板及各種類型的接縫止水設計、施工要求均較高，但與復合土工膜土石壩相比，分離式混凝土面板壩適應壩體變形的能力不如復合土工膜土石壩，面板裂縫會降低混凝土的耐久性，面板止水也會因壩體變形遭到破壞，產生壩體滲漏。

4) 從施工條件比較，復合土工膜砂礫石壩可充分利用開挖料，土工膜施工量大，但鋼筋混凝土工作量較小；分離式混凝土面板壩鋼筋混凝土結構較多，施工工作量較大，兩個方案工期相當。

5) 從工程量與投資比較，復合土工膜砂礫石壩方案中的土方清基量、土方開挖量、土方填筑量、土工防滲膜均較分離式混凝土面板壩要大，而對混凝土用量及鋼筋量的使用分離式面板壩較大；復合土工膜土石壩方案工程投資為1 891.8萬元，分離式混凝土面板壩方案工程投資為1 980.6萬元，比分離式混凝土面板壩方案節省88.8萬元。

綜上所述，從經濟技術比較結果來看，復合土工膜砂礫石壩具有良好的防滲性能和抗凍性能，具有壩體結構、壩料加工生產簡單、技術可靠、投資相對較少等優點，因此采用復合土工膜斜墻土石壩作為推薦壩型。