連平縣高莞中型灌區現代化改造工程中山塘加固設計與分析

袁春玲

（河源市水利水電勘測設計院有限公司,廣東 河源 517000）

0 引言

隨著我國城鄉經濟的快速發展,水資源日益成為制約經濟社會可持續發展的瓶頸之一,而灌溉農業作為我國農村經濟的重要組成部分,其發展受到水資源的限制和制約。如何更好地利用水資源,提高灌溉效率,保障農業生產水平,已經成為當前研究的熱點和難點之一[1]。連平縣高莞中型灌區是廣東省一個重要的農業生產基地,但由于地處山區,水資源短缺,水源分散,管理難度大等因素,灌溉系統面臨著嚴重的用水矛盾和灌溉效率低下的問題。因此,對該灌區進行現代化改造,山塘加固設計與分析顯得尤為重要。該研究旨在通過對連平縣高莞中型灌區現代化改造工程中山塘加固設計分析,探討如何科學合理地配置水資源,提高水資源的利用效率,降低灌溉成本,促進農業生產的發展[2]。

1 項目概況

連平縣高莞中型灌區地處河源市中心腹地——燈塔盆地,位于東源縣、和平縣、連平縣交界處,總面積達2291.24 km2；其中農業高新技術產業示范區（以下簡稱“農高區”）地處燈塔盆地中部。工程所在的河源市位于廣東省東北部,與廣州、深圳及香港的直線距離均在200 km 以內,是粵東西北唯一同時近距離接受三個國際都市輻射帶動的地級市。灌區作為中型灌區,其農村水利設施仍比較脆弱,農田水利化程度低,農業抵御自然災害的能力較差,有效灌溉面積有所減少,工程實際供水能力大為降低。只有提高農田水利工程建設標準才能確保提高農業綜合生產能力,才能滿足新形勢下農村改革發展對水利工作提出的新要求,才能為建設社會主義新農村和建設節水型社會,實現該鎮經濟可持續發展、社會和諧穩定提供強有力的保障。

2 山塘加固改造設計分析

2.1 山塘加固改造方案

本項目需加固改造山塘共5 座,4 座位于忠信鎮,其中解塘、塔嶺山塘、石仔塘位于忠信鎮柘陂村；五片山塘位于忠信鎮西湖村；1 座位于油溪鎮,溪南山塘位于油溪鎮溪南村。本次設計涉及的5 座山塘主要問題如下：塔嶺山塘現有溢洪道為土溝；現狀壩體較為簡陋,雜草樹木叢生；現有輸水涵較為簡易,達不到設計標準；壩前約1200 m3區域有輕度淤積,平均淤積深度約0.5 m。大部分山塘現狀輸水涵缺失或難以發揮作用,因此需對輸水涵進行新建[3]。

本次設計將放水涵管重建為梯級放水涵形式,涵管管徑為0.3 m,管長視各山塘具體情況而定,采用預制混凝土承插管開挖埋管,涵管全段采用C30 砼基礎厚300 mm,墊層為C30 砼厚120 mm,涵管單根長2.0 m,接口處采用橡膠圈及水泥砂漿封堵,為防止水流沿管身滲流,在梯級進水口附近及壩軸線附近設截水環,截水環采用C30 砼厚200 mm,墊層為C15 砼厚100 mm。輸水涵管出口處接消力池,消力池長4.35 m,寬0.4 m,底板厚30 mm；消力池兩側擋墻采用C30 砼重力式擋墻,頂寬0.35 m,凈高1.25 m,背水面坡比1∶0.4。

（1）重建放水涵管

大部分山塘現狀輸水涵缺失或難以發揮作用,因此需對輸水涵進行新建。本次設計根據本工程山塘的特點,輸水涵進水口采用斜拉閘、梯級放水涵兩種形式進行比選,選定適合本工程的進水口形式,方案比選如下。

方案一：輸水涵進水口采用斜拉閘形式；優點：操作簡便易行；缺點：閘門、啟閉機容易生銹,造價較高,后期維修麻煩且成本較高。

方案二：輸水涵進水口采用梯級放水涵形式；優點：傳統工藝,操作簡便易行,容易管理,村民接受度更高；缺點：山塘水位較高時不容易操作。

兩種方案各有特點,綜合以上因素,推薦方案二,輸水涵進水口采用梯級放水涵形式的方案。本次設計將放水涵管重建為梯級放水涵形式,涵管管徑為0.3 m,管長視各山塘具體情況而定,采用預制混凝土承插管開挖埋管,涵管全段采用C30 砼基礎厚300 mm,墊層為C30 砼厚120 mm,涵管單根長2.0 m,接口處采用橡膠圈及水泥砂漿封堵,為防止水流沿管身滲流,在梯級進水口附近及壩軸線附近設截水環,截水環采用C30 砼厚200 mm,墊層為C15 砼厚100 mm。輸水涵管出口處接消力池,消力池長4.35 m,寬0.4 m,底板厚30 mm；消力池兩側擋墻采用C30 砼重力式擋墻,頂寬0.35 m,凈高1.25 m,背水面坡比1∶0.4。

（2）重建溢洪道

重建溢洪道為開敞式溢洪道,溢洪道寬度視各山塘具體情況而定,溢洪道高度均為1 m,底板采用C30 鋼筋砼澆筑,厚度均為0.3 m,墊層為100 厚C15 砼,兩側邊墻采用C30 砼澆筑,溢洪道邊墻頂寬0.3 m,擋墻總高1.3 m。其中溢洪道進水段長1.00 m,控制段長4.0 m,泄槽段長度依各山塘具體情況而定,消力池段長5.3 m。

（3）壩體灌漿

大壩初擬采用充填灌漿、帷幕灌漿防滲加固,施工前應先進行鉆孔實驗,確定壩體土層巖性及確定相對不透水層位置。大壩帷幕灌漿和充填灌漿在全面灌漿前必須進行灌漿試驗。通過試驗,確定灌漿適應性、灌漿的效果,進一步確認灌漿的壓力、吸漿量、壩頂充填裂縫的寬度和孔距等參數。充填灌漿采用黏土漿,泥漿容重為1.6 g/cm2；帷幕灌漿采用水泥漿,使用32.5 R 普硅水泥,對水泥細度的要求為通過80μm 篩的篩余量不宜大于5%,當壩體接縫張開度小于0.5 mm時,對水泥細度的要求為通過71μm 方孔篩的篩余量不宜大于2%。帷幕灌漿要求達到相對不透水層以下3 m。

（4）防浪墻

對部分山塘現狀高程不滿足防洪標準的,在采取壩體修復加固的同時,在壩頂道路迎水面一側增設0.5 m 高C30 鋼筋砼防浪墻。

2.2 大壩壩頂高程復核

根據現行《小型碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：

式中：y 為壩頂超高,m；R 為波浪在壩坡上的爬高,m；e 為最大風壅水面高度,m；A 為安全超高,按壩的等級及運用情況選定。

風浪壅高計算公式：

式中：K 為綜合摩阻系數,K=3.6×10-6；β 為風向與壩軸線法線方向的夾角,β=0°；W 為水面上10 m 處的風速,m/s；D 為吹程,m；Hm為水域的平均水深,m。

以解塘山塘大壩壩頂高程復核為例,計算結果見表1。

表1 解塘山塘大壩壩頂高程復核表

2.3 山塘加固改造后大壩浸潤線計算

根據勘察資料,選取溪南山塘大壩壩體中部最大斷面進行滲流計算。

計算參數均根據本次巖土地質勘察結果取其試驗值,采用的筑壩材料滲透系數見表2。壩基透水性較弱,在計算時按不透水地基計算。

表2 筑壩材料滲透系數表

計算參數均根據本次巖土地質勘察結果取其試驗值,采用的筑壩材料滲透系數,消除安全隱患治理后計算結果見表3。壩基透水性較弱,在計算時按不透水地基計算。

表3 滲流計算成果表

2.4 滲透變形分析

據巖土工程勘察報告,壩體主要為粉質粘土,壩體滲透變形主要為流土形式。

根據地質資料,計算得知大壩填土為粘性土,孔隙率n=0.35,只發生流土型破壞。根據《碾壓土石壩設計規范》（SL 274-2020）,壩體填土的臨界水力坡降參照以下公式確定：

式中：Gs為比重,γs=1.92 g/cm3；n 為孔隙率,填土n=0.35；J 為滲透坡降；KB為流土安全系數,取1.5。

計算得：J允許=0.40。計算的以上三種情況下J正常=0.16,J設計=0.234,J校核=0.264,均小于J允許,所以,不會發生流土破壞。

3 結語

高莞灌區片遠期規劃灌溉面積44879 畝,本次現代化改造的灌區骨干工程可以解決18800 畝,同時搭配水庫改造提升、山塘加固擴容及提水泵站工程,可以擴大灌溉面積至25800 畝,遠期連通九潭水庫大型灌區的西高干渠、北東高干渠,將覆蓋整個高莞灌區片44879 畝。對連平縣小型水源工程進行改造規劃后,形成了一個比較完整的灌排網系統,從而能夠更好地改善當地的水利條件,提升了當地的農業生產和經營管理能力,從而能夠更好地實現農業的高效利用,降低了農戶的經濟壓力,促進農戶的生產和收入增長。