高臺縣生態經濟林南部綠色通道水源塘壩結構設計

王 蕊

(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 概述

近年來，高臺縣始終堅持把生態建設作為改善城鄉人居環境、加快生態文明 建設步伐、保障經濟社會可持續發展的重要舉措來抓，堅持南保水土、北御風沙、中建綠洲的總體思路，重點實施生態造林綠化、黑河濕地保護、農田林網更新、人居環境綠化、林業產業培育五大生態建設工程，全建成了較為完備的農田防護林體系，截至2017 年，全縣縣森林面積達到85.7 萬畝，森林覆蓋率達12.9%，生態環境進一步改善，高臺的生態特色和底蘊逐步突顯[1]。高臺縣縣作為張掖市西端的門戶，黑河國家級濕地保護區的核心，國家油氣電及陸路通道的蜂腰，國家重要的商品糧和蔬菜基地，展示絲路文明的重要窗口，南部交通干道沿線則是展示高臺形象的一個重要載體。但是，該區域的綠色通道建設，還是一個薄弱化環節，特別是蘭新高速鐵路客運專線和連霍高速公路沿線的綠化建設相對滯后，與該區域所處的重要地理位置還不相符。因此，在高臺縣南部、連霍高速公路沿線，自來水廠保護區以東、高速公路以南、西干渠以北、高臺臨澤界限以西地段，規劃建設東西長度7km、造林種花3800 畝，配套4 座塘壩以及灌溉設施，進一步擴大南部綠色通道，完善生態和經濟效益兼顧、景觀效果突出，形成布局合理、功能齊全、效益明顯的南部生態防護體系。本文以4 座水源壩塘為主要研究對象，進行選址、選型、結構及防滲等方面的設計研究，為壩塘設計施工及安全運行提供保障。

2 壩塘選址及選型

高臺縣生態經濟林南部綠色通道水源塘壩工程位于黑河西總干渠67+735～73+635 段北側，以西總干渠為水源，取水后重力輸送至4 座兼備生態、景觀、灌溉功能的塘壩，配備塘壩至防護林和花卉形成的綠化區之間的灌溉設施，為高臺縣南部綠色通道建設工程提供綠化區景觀用水和灌溉用水，設計灌溉面積0.38 萬畝，根據現場地形及景觀要求布置四座塘壩，平面布置形狀考慮灌溉與景觀相結合，因此在設計中將塘壩布置成景觀(眼睛、如意、葫蘆、金元寶)形式。容積合計39.2 萬m3，其中1# 塘壩容積9.9 萬m3、2# 塘壩容積9.9 萬m3、3# 塘壩容積9.8 萬m3、4# 塘壩容積9.6 萬m3。

根據現場地形勘察，在該區內有3 處采砂大坑，深度在5～15m 左右，根據本供水區內總體規劃綜合工程運行，以及景觀各方面綜合考慮，本工程利用原有采砂大坑進行塘壩布置。

本工程為注入式塘壩，壩高4.2～5.0m，壩體筑壩材料應選擇當地材料，根據挖填平衡適宜修建的壩型只有砂礫石壩，根據本工程所在地的地質條件，本次設計選擇復合土工膜防滲的碾壓式砂礫石壩型，塘壩壩體為碾壓式砂礫石壩，迎水面壩坡為1∶2.5，背水面壩坡為1∶2，壩高4.2～5.0m，采用半挖半填式，壩面及池底采用復合土工膜防滲，壩塘平面布置圖如圖1 所示。

3 塘壩的設計

3.1 壩頂高程計算

4 個壩塘除平面布置形狀不同外，結構設計相同，本文以1# 壩塘作為典型設計，根據《碾壓式土石壩設計規范》相關公式，壩頂高程按以下兩種工況進行設計：

1）正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；

2）正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再加地震壅浪高度分別計算，取其最大值。

塘壩位于8 度地震區，地震區土石壩的安全加高應增加地震壅浪高度。本工程地震壅浪高度取值為0.5m，在正常蓄水位+正常運用條件下計算壩頂超高為1.02～1.07m；正常蓄水位+非常運用條件下+地震條件計算壩頂超高為1.14～1.17m，根據以上兩種計算結果取最大值，最終確定壩頂超高取值為1.2m。計算結果見表1。

表1 1# 塘壩壩頂超高計算表

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 塘壩護面設計

根據塘壩池址處地形、地質條件，對池堤選用“C20 砼預制板”(方案一)和“干砌塊石護面”(方案二)兩個方案，兩方案護面材料經濟比較見表2。

表2 護面材料經濟比較表

綜上所述：方案一和方案二所選護面材料的強度及抗沖能力均滿足本工程的要求。但方案一和方案二相比較，方案二較方案一造價高45.74 萬，所以，本工程推薦方案一(現澆C20 砼預制板)詳見護面材料經濟比較表。

3.3 塘壩結構設計

塘壩為注入式塘壩，壩頂寬度根據《碾壓式土石壩設計規范》有關規定并與國內外相應壩高的壩頂寬度相類比，結合壩頂交通和施工要求，在滿足壩體穩定的情況下確定為4.0m。塘壩形狀為不規則形。塘壩總容積確定時考慮調蓄時段 灌溉最大蓄水量28.02 萬m3，同時，考慮塘壩景觀用水(最低水位)6.66 萬m3，和期間11、12、1、2、3 月蒸發滲漏水量3.88 萬m3，合計需容積38.62 萬m3。

根據現場地形及景觀要求布置四座塘壩，容積合計39.2 萬m3，滿足本工程需要。壩體內外坡坡比，根據筑壩材料性質、壩體高度和當地地震烈度確定，本次設計大壩內壩坡坡比為1∶2.5，外壩坡坡比采用1∶2.0。

根據地質條件，本區域地層主要以第四系沖洪積砂卵礫石層，塘壩位于黑河西總干渠下段樁號67+735～73+635 北側，大壩和池底均采用土工膜全防滲處理。塘壩壩頂寬4.0m，迎水面坡比1∶2.5，背水面坡比1∶2。上游壩坡自上而下采用8cm 厚砼預制板護砌，30cm 厚砂礫石混合料、20cm 厚粗砂墊層、0.4mm 厚復合土工膜、20cm 厚粗砂墊層。庫底從上之下依次為30cm 砂土回填，20cm 厚粗砂墊層、0.4mm 厚復合土工膜、20cm 厚粗砂墊層，夯填砂礫石相對密度不低于0.75。抗滲等級為W6，抗凍等級為F150。壩塘結構設計圖如圖2 所示。

圖2 壩塘結構設計圖

塘壩出水系統主要通過井用潛水泵將水通過出水管連接至現狀灌溉管道中。塘壩工程作為灌溉兼景觀，考慮安全，壩頂路面采用碎石路面，路面厚0.2m，在壩頂靠近水池內壩坡一側采用不銹鋼欄桿防護，欄桿高度為1.2m，欄桿基礎采用現澆C20 混凝土，兩側分別設0.2m×0.5m 的現澆C20 砼路緣石。

3.4 導流渠護岸設計

根據平面布置，1# 塘壩東側泄洪溝和2、3 號塘壩中間位置泄洪溝道對新建 塘壩有安全隱患，為滿足溝道的泄洪能力，設計將在1# 塘壩上游測開挖行洪通道，本次工程共修建長度約465m，設計縱坡1/33，設計對新建的泄洪溝道進行防護。將在2# 塘壩和3# 塘壩對現有溝道進行兩側防護，本次工程共修建長度約316m，設計縱坡1/26，對新建的泄洪溝道進行防護。

新建護岸采用夯填砂礫石土堤，橫斷面為梯形斷面，迎水面為1∶1.5，背水面為1∶1.25，堤頂寬3.0m，堤身高度2.35～2.66m。河床以上堤身高度為1.15～1.46m，堤防臨水面均采用現澆C20 砼護襯，上部厚度150mm，下部厚度250mm，頂板采用現澆C20 混凝土，厚度0.1m，寬度0.5m，基礎為梯形結構，采用混凝土襯砌，高度為0.4m，下底寬0.6m。

4 壩塘防滲設計

4.1 土工膜防滲層類型選擇

土工膜防滲層分為單層膜防滲、多層膜防滲和土工膜復合防滲層三種[2]。根據工程特點，本工程4個壩塘一旦發生滲漏將嚴重影響到工程效益的發揮，對防滲要求較高，應采用復合土工膜進行壩體防滲。為了防止可能裂隙處產生管涌、坍坑，防滲土工膜應采用土工織物復合土工膜[2]，其物理力學性能指標應見表3。

表3 土工織物復合土工膜物理力學性能指標

4.2 防滲結構設計

防滲結構包括防滲材料的上墊層和下墊層、上墊層上部的防護層、下墊層下 部的支持層以及排水、排氣設施。

根據工程區建筑材料、施工、造價等因素，本工程防護層設計為現澆混凝土 板,上墊層材料選用M10 水泥砂漿，上墊層厚度設計為5cm。根據《土合成材料應用技術規范》及類似工程施工經驗，本工程下墊層材料考慮筑壩材料為砂礫碎石，粒徑2mm～60mm 占70%左右，為保障防滲土工膜在施工、運行中不被礫石刺破，設置下墊層，下墊層采用0.3m 細礫墊層。壩體為碾壓砂礫碎石壩，不再另設支持層。防滲結構如圖3 所示。

圖3 壩體防滲結構圖

4.3 膜鋪設與連接設計

本工程復合土工膜采用埋壓式敷設，土工膜的底邊和周邊以及與結構物連接處都必須錨固，并應符合下列要求：

1)在壩頂應使土工膜向外延升0.8～1.0m 為宜，將土工膜埋入預先挖好的溝槽內，溝槽斷面深×寬為0.5m×0.4m，用挖出的土分層回填夯實。

2)土工膜鋪設前，鋪膜地面平整后鋪設20cm的粗砂墊層，其上鋪土工膜，再蓋上20cm 的粗砂墊層，再蓋砂礫石混合料厚500mm 壓重，壩坡每8m 設置一道水平錨固溝，斷面尺寸寬×深為30cm×50cm，土工膜沿溝道回轉鋪設，錨固溝間土工膜預留1.5%的余幅，以備局部下沉拉伸，且縱向接頭應距壩腳及轉彎處1.5m 以上。

3) 庫底鋪膜面平整后，直接鋪設土工膜，每10m 回折20cm，以防地基不均勻沉陷，拉伸土工膜，膜上覆20cm 的粗砂墊層和50cm 厚砂礫石的壓重。

4)土工膜連接采用布縫膜焊的連接方式，搭接寬度不小于30cm，搭接時應使高端在低端上。

5 結論及建議

通過工程建設經驗及相關規范，重點對4 個水源壩塘進行選址、選型、防滲加固及護坡設計等技術研究，有效的解決了壩塘設計施工方面的技術問題和難題，能夠保證壩塘蓄水期的安全運行。該蓄水工程于2018 年施工完成，建后保障了高臺縣南部綠色通道建設工程提供綠化區景觀用水和灌溉用水需求，社會和經濟效益顯著。