引洮二期配套供水靜寧縣小岔溝工程調蓄水池設計

雒亞新

(甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，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 程進行全面的對接，真正實現引洮供水二期工程供水任務，促進當地群眾脫貧致 富和生態環境改善的民生工程。供水范圍涉及定西、白銀、天水市及平涼4 市8 個縣區，發展灌溉面積29.2 萬畝，年調水量3.15 億m3，工程規模為II 等大(2)型工程[1]。二期工程靜寧縣受水區每年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，在該受水區修建小岔溝調蓄水池，位置在靜寧縣深溝鄉 孫家溝與新王家村之間的楊家大河左岸的灘地上，設計有效容積20 萬m3，調蓄水池平面形狀為不規則圓角四邊形，池軸線長度共865m，池深9.3m。小岔溝調 蓄水池供水對象為鄉鎮及周邊農村，主要建筑物級別為4 級，次要建筑物級別為5 級，防洪標準按20 年一遇設計、100 年一遇校核。文章主要對調蓄水池地形地質 條件、選址、布置及結構形式等進行研究，為工程設計及施工提供參考依據。

2 調蓄水池選址及布置

2.1 方案布置情況

小岔溝調蓄水池選定在王家堡對岸的現代河床及左岸I 級階地上，水廠位于調蓄水池北側的II級階地上，由于調蓄水池處壓力水頭不滿足水廠運行要求，在調蓄水池處設提水泵站一座。為進一步優化調蓄水池、水廠選址方案，論證取 消調蓄水池至水廠加壓泵站的可能性，現對小岔溝調蓄水池池址進行詳細的現場 踏勘，擬定兩種方案進行技術和經濟比較。方案布置情況如下：

方案一：取消提水加壓泵站方案

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

方案二：布設提水加壓泵站方案

此方案調蓄水池位于靜寧縣深溝鄉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。水廠布置在調蓄水池北側的II 級階地上，由于調蓄水池至水廠水頭不滿足水廠水頭要求，在調蓄水池和水廠間，設一級提水加壓泵站，此處為良好的耕地和果園林地。經計算，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。調蓄水池平面布置圖如圖1 所示。

圖1 小岔溝調蓄水池平面布置圖

2.2 選址比較

兩種方案壩頂路面處理、消能處理、進出水池設計等基本相同，現對兩方案 就池址處地質條件、干管水頭對池址選擇的影響、防洪影響、經濟投資等方面進行比較。

2.2.1 地質條件比較

方案一 調蓄水池地處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，地基處理深度需達到5.0～7.0m。

方案二 調蓄水池位于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，結構稍密～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泥巖，基巖面高程1621.3～1613.9m。

從地質條件比較，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，需進行原土翻夯處理+強夯處理，地基處理深度需達到5.0～7.0m，地基處理深度、難度及投資均較大；方案二擬建調蓄水池場地位于現代河 床及左岸Ⅰ級階地上，場地穩定，只需對靠山側池基表層約0.5～2.0m 黃土狀土 進行處理，對臨河側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，適宜修建調蓄水池。

2.2.2 調蓄水池防洪處理及對河道行洪的影響

根據平面布置，方案二擬建調蓄水池池堤占用了五方河部分河道，將對五方 河行洪產生一定的影響。為滿足方案二調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行治理，根據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施進行防護，其中左岸(臨池側)布置 護岸長度453m，新建護岸設計主體為夯填壤土，橫斷面設計為梯形。

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

2.2.3 經濟比較

兩種方案經濟比較見表1。

表1 兩種方案經濟比較表

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，機電設備投資減少135.66 萬元，按運行30 年考慮，折現后運行管理費增加約31.5 萬元，但征地投資增加約890萬元。從經濟方面比較，方案二明顯優于方案一。

2.2.4 綜合比較

從地質條件比較，方案二池址處地質條件明顯優于方案一；從調蓄水池防洪 處理及對河道行洪的影響方面考慮，方案一較方案二占優勢；從經濟方面比較，方案二投資明顯低于方案一。

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

3 調蓄水池設計

3.1 結構設計

調蓄水池為注入式水池，池內設計水深8.0m，池頂寬度5.0m，靠山一側池堤是將I、II 級階地之間陡坎削坡形成，邊坡1:2.75，臨河側池堤為碾壓式均質土堤，設計池 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，設計壓實度0.98。迎水面從上往下依次為8cm 厚C20 混凝土預制板、3cm厚M10 水泥砂漿墊層、FN2/1PE-20-500-0.5 復合土工膜、30cm 厚10%水泥土墊層[3]。調蓄水池迎水面結構設計圖如圖2 所示。

圖2 調蓄水池迎水面結構設計圖

慮調蓄水池大面積鋪設土工膜水氣頂托作用，在土工布下部縱橫向設置直徑90mmPVC 排水排氣花管，采用專用的PVC 透水花管。排氣管數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蓄水池排水要求，防止對調蓄水池池基造成破壞，設計沿靠山側削坡段池頂外側布置排水設施，排水溝采用現澆C20 混凝土矩形斷面，深0.4m，寬0.5m，襯砌厚度15cm。

地基處理根據池基處地質條件分別采取不同處理措施：根據鉆探資料，調蓄水池臨河側五方河主河道池基采取的處理措施：為清基、表面夯實，當清基后地面高程低于設計高程時，采用砂礫石換填至設計高程；當調蓄水池池基位于Ⅰ級階地時池基處理措施為：對池基以下黃土狀土全部進行原土翻夯。

3.2 池頂高程確定

池頂高程根據 《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)有關規定，按以下兩 種運行條件計算確定[2]，計算結果取其最大值。

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，小岔溝調蓄水池池頂高程計算結果見表2。

表2 小岔溝調蓄水池池頂超高計算表

3.3 池堤邊坡穩定計算

邊坡穩定采用等效斷面進行計算，壩體填筑料的容重和內摩擦角均采用綜合平均值，按臨河側池堤標準斷面進行邊坡穩定計算，計算斷面如圖3 所示。

圖3 計算斷面

(1)計算工況：根據《小型水利水電工程碾壓土石壩石壩設計規范》有關規定，穩定分析應 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：壩坡穩定計算采用由北京理正軟件設計研究院的理正巖土系列軟件中的邊坡穩定分析軟件計算，理正巖土軟件的邊坡穩定分析軟件計算是按照《碾壓土石 壩設計規范》規定的方法、工況編制的[3]。計算參數根據地質勘查結果得到，壤土壩體采用主要計算參數為見表3，靠山側開挖邊坡主要計算參數見表4。

表3 壤土壩體填筑料主要計算參數表

表4 靠山側開挖邊坡主要計算參數表

(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力抗剪強度指標；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)計算結果。經計算，各種工況下池堤的穩定計算成果圖及安全系數如圖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 小岔溝調蓄水池臨河側填筑池堤邊坡穩定計算安全系數

表6 小岔溝調蓄水池靠山一側池堤邊坡穩定計算安全系數

綜上所述，上下游在各種計算條件下池堤邊坡的穩定安全系數均大于規范規定值，滿足規范要求。

4 結論及建議

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