平朔東露天礦工業供水調蓄水池設計方案研究

曹繼彥

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

平朔煤炭工業公司東露天礦位于寧武煤田北端。需水對象為東露天煤礦、東露天煤礦選煤廠，附屬用水單位的生產、生活及消防用水，神朔坑口電廠生產用水。

平朔煤炭工業公司東露天礦的供水水源有兩個：一是東石湖泵站引水工程的攔河取水樞紐，該樞紐主體為源子河上的11孔攔河閘和設于河道右岸的取水閘，設計引水流量0.1 m3/s；二是通過約26 km的輸水管線從山西北引黃工程的大梁調蓄庫引水，設計流量0.5 m3/s。兩工程聯合調度，優先利用東石湖泵站引水，不足部分由引黃水補充。下文提到的調蓄水池即為兩水源的共用蓄水池。

調蓄水池設計總容積32萬m3，建筑物等級4級，相應洪水標準為10年一遇洪水設計，30年一遇洪水校核。東石湖泵站引水工程年供水量300萬m3，引黃供水工程年供水量1 000萬m3，兩工程年總供水量1 300萬m3，供水保證率95%以上。

2 需水現狀

2.1 工程用水需求

神朔坑口電廠位于東露礦工業廣場北部薛家港附近，建設規模6×600 MW，年需水量900萬m3。

2.2 水文地質及可用水環境

東露天礦位于管涔山脈北段，水資源匱乏，當地群眾飲用水為上層滯水，由于井水位較深，四周村民多至喬兒界、薛家港一帶泉群分布處拉水作為生活用水；另一地下水為奧陶系巖層中的地下潛水，埋藏在谷底以下180 m左右，高程1 060～1 070 m，地下水源遠不能滿足工業用水需要。

3 調蓄水池設計方案研究

3.1 一池和多池方案

調蓄水池總蓄水量32萬m3，如只修建一個水池，其規模相當于一個小（二）型水庫，管理模式和運行控制標準都相應提高，且增加了水池覆蓋難度。鑒于用水戶較分散，結合地形特點及建筑物分布，擬選擇5個水池對各用水戶供水方案進行比選，由于用水戶引水峰值具有不確定性，各用水戶需從水池交叉引水，相應帶來了引水系統交叉現象，由此增加了管理難度，不方便統一調度、集中管理；引水管線互相交叉且需避開輸煤等管道，相應增加了工程投資。鑒于上述原因，調蓄水池設計最終選擇一池方案。

3.2 位置選擇

調蓄水池盡量靠近東露天礦工業廣場，方案一是將調蓄水池設于1 393 m和1 404 m兩山頭連接低洼處，池長沿山梁布置，長300 m、寬70 m，為半填半挖式結構，池底高程1 370 m，設計水位1 386 m。方案二是將調蓄水池位置移至1 407 m高程山頭。該山頭地形高、面積大，蓄水池體型依地形調整為倒置圓臺形，池底半徑72 m，為半填半挖式結構，池底高程1 390 m，設計水位1 405 m，較可研設計水位抬高19 m。

經工程量計算，兩方案土石開挖等主體工程量基本平衡，但可研方案相對設計水位較低，不能滿足工業廣場自流供水要求。方案二可節省二次加壓投資，滿足工業廣場自流供水要求，節約水能19 m，縮短供水管線長約700 m，節省工程投資，因此將調蓄水池放至1 407 m高程山頭。

3.3 覆蓋條件

調蓄水池位于源子河右岸槍風嶺村北一山包上，該處地表巖性為低液限粉土，由于朔州氣候干燥多風，多具揚沙天氣，對蓄水有一定污染；東露天礦為揭露地表覆蓋層后露天開采，為保證引用水質，調蓄水池宜覆蓋。但調蓄水池為一直徑150～200 m的近似圓形結構，水面面積約30 000 m2，只能采用造價昂貴的輕型結構，僅此一項投資將近5 000萬元。經分析，調蓄水池如果不覆蓋，其水質能滿足用水戶生產用水需求，生活用水部分經平朔煤炭工業公司進行水處理后水質可滿足要求，故調蓄水池選用不覆蓋方案。

3.4 池壁結構

為節省工程投資，調蓄水池結構最初設計為半填半挖式，下部開挖部分為0.2 m厚C20現澆混凝土護坡，上部回填部分為均質土壩，利用開挖土筑壩，壩頂寬 6.0 m，迎水面邊坡 1∶1.5，背水面邊坡 1∶2.5，迎水面表層設0.2 m厚C20現澆混凝土護坡，墊層為厚0.3 m漿砌石，下設兩布一膜土工布防滲。池體結構上部為利用開挖土回填筑路壩，鑒于調蓄水池工業供水的重要性，其結構采用能充分利用場地開挖石料的當地材料壩型——混凝土面板堆石壩和鋼筋混凝土結構型調蓄水池進行方案比選。

方案一：混凝土面板堆石壩體調蓄水池。調蓄水池水池設計為倒置圓臺式結構，分上、下兩部分，下部為基巖開挖后襯護面板，上部為面板堆石壩。池底半徑72 m，隨著基巖面高程的加高，調蓄水池半徑不斷增大，池頂最大半徑達102.2 m，池底高程1 390.0 m，環向長（混凝土面板堆石壩壩頂）628.03 m，寬5.0 m，池頂高程1 407.0 m，設計水深15 m，容積32.0萬m3。

調蓄水池采用C25鋼筋混凝土面板防滲（內摻防滲外加劑），面板厚0.4 m，下部基巖開挖部分邊坡1∶0.75，上部混凝土面板堆石壩體臨水側邊坡1∶1.5，地面以上背水邊坡1∶1.4，地面以下背水邊坡1∶1.2；池底采用C20鋼筋混凝土防滲（內摻防滲外加劑），底板厚0.4 m。調蓄水池池頂設交通道路，路面寬5.0 m，臨水側設1.2 m高防浪墻。

混凝土防滲面板垂直縫、混凝土面板壩趾板垂直縫以及防浪墻和面板、面板和趾板之間分縫均設銅片止水，并在分縫表面設SR塑性填縫；底板每10 m設一分縫，縫內設Ω銅片止水，瀝青浸漬木板填充。

方案二：鋼筋混凝土結構調蓄水池。調蓄水池為圓形，半徑（內徑）100 m，池底高程1 394.0 m，設計水深10 m，池高11 m，容積31.4萬m3。池身為分離式C25鋼筋混凝土結構，內摻防滲外加劑。池壁為箱涵式擋土墻結構，箱涵頂寬6.0 m，墻高11.0 m，側壁厚0.5～0.8 m，面坡垂直，墻背略帶斜坡，箱涵內回填土石。為滿足擋土墻抗傾和地基應力要求，箱涵兩壁每2 m加一肋；墻踵懸挑長度1.0 m，墻趾懸挑長度2.0 m，底板座落于基巖上，厚0.4 m，寬8.0 m。為防止池身混凝土變形，池壁及池底每10 m左右設一變形縫，縫寬20 mm，縫內設Ω銅片止水，底板和池壁錯縫布置。為安全起見，在池壁頂部設1.0 m高的鋼欄桿。

調蓄水池進水管垂直正下方設消力池，調蓄水池右側沖溝方向設集水排沙坑，坑底設排沙管，底板向集水排沙坑方向設0.5%底坡集水排沙。

通過對兩方案工程量及工程投資比較，方案一利用開挖石料填筑壩體，可充分利用當地材料，節省棄渣占地，混凝土面板堆石壩具有較強的適應地基變形能力，且較方案二可節約投資438.2萬元，故本設計調蓄水池推薦方案一。

此外，鑒于工程的重要性，對池壁混凝土面、趾板防滲、抗裂等性能進行了優化設計，選用了KIM混凝土防水外加劑。

4 調蓄水池設計

4.1 結構設計

調蓄水池為圓臺形，池底為圓形，半徑72 m，底高程1 390.0 m。具體設計結構見混凝土面板堆石壩體調蓄水池設計方案。為方便調蓄水池清淤、檢修，由中隔墻體分為兩部分，進口管中心線高程1 394.5 m，采用跌水消能；兩側水池分別布置出水管，管徑0.8 m，管中心線高程1 391.0 m。

調蓄水池清淤時運用泄水放空管放空池內蓄水，泄水放空管中心線高程1 390.0 m，管徑1.2 m，調蓄水池混凝土面板堆石壩壩趾及底板下設排水系統排除滲水。調蓄水池底部及趾板基礎均對地基巖石進行固結灌漿處理，累計灌漿長度10 005 m。

4.2 設計特點

參照國內外混凝土面板堆石壩筑壩經驗，結合本調蓄水池實際情況，其設計具有以下特點：

一是安全性。混凝土面板堆石壩壩體堆石內摩擦角一般大于45°，且堆石為自由排水材料，在堆石體內不可能形成浸潤線和孔隙水壓力；壩體堆石為非沖蝕性材料，在有滲流水流通過時，不會因細顆粒被帶走而發生類似土體的管涌等滲透破壞問題，壩體不存在滲透穩定問題；面板碾壓堆石達密實狀態，具有良好的抗震性能，在施工期可完成絕大部分沉降變形，對安全運行十分有利。

二是就地取材。從筑壩材料上講，調蓄水池池壁上部結構為混凝土面板堆石壩，其充分利用了東石湖泵站引水工程攔河樞紐和調蓄水池處的開挖石料，合理利用了有效材料，減少了棄渣，節約了成本。

三是高標準防滲系統。調蓄水池位于源子河右岸槍風嶺村北山包的南側山坡上，北高南低，下伏基巖為砂巖、砂質泥巖，具中等—強透水性，局部為弱透水性，地下水位埋深較大，蓄水池滲漏較嚴重，而東露天礦主要是缺水，因而要求水池有較好的防滲系統。調蓄水池底板、上及下部池壁面板采用防滲混凝土，即在普通混凝土中加入KIM混凝土防水外加劑對基巖進行固結灌漿處理可大大減少地基滲透。

四是嚴密的分縫、止排水系統。調蓄水池底板、面板及趾板伸縮縫內均設兩道止水，混凝土面板堆石壩體為透水壩體，壩腳處設環向排水溝將泄水匯至地形最低處，并將棄水引入調蓄水池東側沖溝。調蓄水池底板縱、橫縫下設0.4 m×0.3 m（寬×深）排水溝，匯水匯至上述匯集排水溝。

五是合理的進出水系統。供水管線在調蓄水池前分成兩道，分別對蓄水池兩側進行充水，以便于調蓄水池在一側檢修、清淤時不間斷供水。但此時水池的另一側需低水位運行，調蓄水池兩側分別設出水管，方便調蓄水池低水位運行時單側供水。

六是配套的泄水放空設施及棄水回收設計。在兩側水池底部南側均設置泄水放空管，兩管線在池外匯合為一條泄水放空管后將棄水引入東側沖溝，并接入棄水回收池進行重復利用，緩解了用水緊張狀況。

七是安全的水位、滲流、變形監測設施。沿調蓄水池池壁面板設3個水位監測點，監測安全可靠，滿足水位自動化要求。調蓄水池東側集水溝內布設量水堰，對堆石壩體滲漏量進行監測，并在堆石壩體上布設位移監測斷面，對壩體變形進行監測。

八是人性化管理系統。混凝土面板堆石壩壩頂設5.0 m寬路面，滿足人行、車巡要求，方便管理人員隨時巡檢。調蓄水池北側設上壩公路連接壩頂交通和電站進站公路，保證了調蓄水池的對外交通。

5 結語

東石湖泵站引水工程建成后，可解決平朔煤炭工業公司東露天礦用水緊缺甚至無水問題，調蓄水池為東露天礦的煤炭開采和生活用水提供了可靠的儲水和調蓄設施，并為水工面板堆石壩在工業蓄水設施的應用提供了先例。