濕陷性黃土地基蓄水池建設技術方法

王建彪

（寧夏水利水電勘測設計研究院,寧夏 銀川 751000）

為深入貫徹黨中央、國務院關于高標準農田建設工作的決策部暑,落實《鄉村振興戰略規劃（2018-2022 年）》,加快推進農田建設各項工作,集中力量抓好高標準農田建設,鞏固和提高糧食生產能力,確保完成中央確定的農田建設硬任務,同時改變香山興仁地區群眾“靠天吃飯”的現狀。經實地調查、分析比選,選定沙坡頭區興仁鎮東灘村和拓寨村為沙坡頭區2022 年高標準農田建設項目區,項目建設規模2.64 萬畝,種植作物為硒砂瓜,灌溉方式采用滴管灌溉。項目灌溉水源采用中部干旱帶沙坡頭香山興仁片區生態修復及灌區供水工程水源。考慮到供水工程輻射區域廣,控制灌溉面積大,供水保障率不確定等因素,沙坡頭區人民政府整合財政銜接,推進鄉村振興補助資金和區政府財政資金,計劃實施沙坡頭區興仁鎮東灘村和拓寨壓砂地轉產配套蓄水池工程,建設3座調蓄水池,以提高項目區供水能力和供水保障率。

1 蓄水池建設場址地質勘察

根據場址地質勘察試驗資料：東灘1#調蓄水池場地土層濕陷系數0.003～0.048,自重濕陷系數0.003～0.021,濕陷量339.2 mm～556.2 mm,自重濕陷量145.2 mm～274.9 mm,具自重濕陷性,濕陷等級Ⅱ（中等）。東灘2#調蓄水池場地土層濕陷系數0.001～0.068,自重濕陷系數0.001～0.021,濕陷量340.8 mm～629.2 mm,自重濕陷量0～318.8 mm,具自重濕陷性,濕陷等級Ⅲ（嚴重）。拓寨1#調蓄水池場地土層濕陷系數0.007～0.055,自重濕陷系數0.002～0.027,濕陷量603.5 mm～797.1 mm,自重濕陷量401.0 mm～538.1 mm,具自重濕陷性,濕陷等級Ⅳ（很嚴重）。

2 濕陷性黃土地基處理方法確定

依據《濕陷性黃土地區建筑標準》（GB 50025-2018）,濕陷性黃土地基處理方法主要有墊層翻夯法、強夯法、素土擠密樁法、預浸水法等。

1）墊層翻夯法是對調蓄水池地基濕陷性黃土出現濕陷變形、承載力不滿足設計要求的改善措施。一般將地基表層2 m～4 m 厚度濕陷性黃土挖除,并換填翻夯置換素土。

2）強夯法是對調蓄水池地基濕陷性黃土出現濕陷變形、承載力不滿足設計要求的改善措施,用重錘自一定高度下落夯擊土層使地基迅速固結。

3）素土擠密樁法是對調蓄水池地基濕陷性黃土出現濕陷變形、承載力不滿足設計要求的改善措施,利用沉管在地基中擠土成孔,然后向孔內夯填素土成樁,分別與擠密的樁間土組成復合地基,共同承受地基上部荷載。

4）預浸水法是在建設調蓄水池前預先對濕陷性黃土場地大面積浸水,使土體在飽和自重應力作用下,發生濕陷、產生壓密,以消除全部黃土層的自重濕陷性和深部土層的外荷載濕陷性。一般大厚度濕陷性黃土場地預浸水的耗水量30 m3/m2左右,預浸水全過程周期6～8 個月；預浸水后,對于場地表層厚≤（2 m～6 m）仍可能存在的Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷性黃土,若有必要還需要二次處理。

根據場址地質勘察試驗資料,地基濕陷等級為Ⅱ～Ⅳ級,從有效消除濕陷量、工程建設周期、工程建設造價以及蓄水池開挖土方利用等方面考慮,確定采用墊層翻夯法進行基礎處理。

3 蓄水池防滲結構比選

參照《寧夏滴灌工程規劃設計導則》（DB64/T 1290-2016）,從卵膜結構蓄水池、卵膜+格梁結構蓄水池、板膜結構蓄水池3 種結構型式進行比選,見表1。

表1 不同防滲結構蓄水池方案比選表

經分析比較,相同庫容情況下,3 座調蓄水池方案一概算投資最低,為1166.99 萬元,較方案二低184.61 萬元,較方案三低359.01 萬元,實際占地面積相同。且根據地質勘察試驗資料,3 座調蓄水池壩址處土層均存在不同程度濕陷性,應優先考慮適應地形變形能力強的蓄水池結構型式。

綜合各方面因素考慮,確定調蓄水池防滲結構確定為土料+復合土工膜結構型式,即方案一。

4 蓄水池結構設計

4.1 蓄水池布置形式

根據蓄水池選定場址地形條件,東灘1#調蓄水池（庫容7.6 萬m3）、東灘2#調蓄水池（庫容7.8 萬m3）和拓寨1#調蓄水池（庫容6.4 萬m3）均設計為長方形。池內水深根據地形、地質條件和地基處理要求,最終確定為5.2 m,超高均為0.8 m。蓄水池具體結構尺寸見表2。

表2 調蓄水池設計斷面尺寸表

（1）蓄水池容積計算

推算調蓄水池容積通過擬定水深及調蓄水池底面積按式（1）計算。

式中：Vr為容積；h 為設計水深；V1為池底面積；V2為水面面積。

（2）蓄水池超高計算

1）波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田試驗站公式按式（2）和式（3）。

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期,s；W 為設計風速,m/s,取20 m/s；D 為風區長度,m；Hm為水域平均深度,m；g為重力加速度,取9.8 m/s3。

2）平均波長可按式（4）計算。

式中：Lm為平均波長,m；H 為壩迎水面前水深,m。

3）正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按式（5）計算。

當m=1.5～5.0 時：

式中：Rm為平均波浪爬高,m；m 為坡度系數,m=cotα（α為坡角）；KΔ為斜坡的糙率滲透性系數,根據護面類型由《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）表A.1.6-1 查得,取0.6；Kw為經驗系數,由《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL189-2013）表A.1.6-2 查得,取1.196。

4）波浪爬高R 可由平均爬高與壩迎水面前水深的比值hm/H 按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）表A.1.7 規定的系數計算求得,根據計算2 座調蓄水池hm/H 均小于0.1,R/Rm值取1.84。

4.2 蓄水池防滲結構設計

（1）地基處理

依據《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025-2018）、《蓄水池土層濕陷性計算評價表》,通過計算,最終確定東灘1#、2#調蓄水池壩基翻夯深度為2.5 m,拓寨1#調蓄水池壩基翻夯深度為3.5 m。壩體填土含水率應按最優含水率控制,允許偏差為±3%,要求填筑及翻夯壓實系數為0.97。

圖1 施工及檢測圖

（2）蓄水池池底防滲結構

蓄水池池底防滲結構形式為土料結構和復合土工膜。池底從上至下依次鋪設600 mm 厚素土, 聚乙烯復合土工膜（200 g/m2×0.5 mm×200 g/m2）,2500/3500 mm 素土翻夯。

（3）蓄水池邊坡防滲結構

調蓄水池坡面防滲均采用土料（砂礫石、碎石）+復核土工膜結構型式,即內坡從上至下依次為100 mm 厚破碎石（粒徑40 mm～60 mm）、100 mm 厚砂礫石（粒徑10 mm～20 mm）、400 mm 厚素土、聚乙烯復合土工膜（200g/m2×0.5 mm×200 g/m2）,2500/3500 mm 素土翻夯。

（4）進出水建筑物

調蓄水池進水建筑物均采用進水涵洞、進水陡坡、消力池、散水結構形式。進水涵洞設計為C25 鋼筋混凝土蓋板涵型式,底板厚0.20 m、側墻厚0.2 m、蓋板厚0.2 m,涵洞凈空為0.5 m、凈寬0.8 m、長5 m；進水陡坡設計為C25 鋼筋混凝土直流槽形式,消力池設計為C25 鋼筋混凝土消力池,底板厚0.25 m,側墻厚0.2 m,深度為0.5 m；消力池周邊設1 m寬,0.2 m 厚強度等級為C20 混凝土散水。

5 結語

設計經多方案比選,確定了適合濕陷性黃土地基蓄水池建設的結構型式及基礎處理方法,同時運用理正軟件,對蓄水池施工期、正常運行、正常運行加地震三種工況下壩體滲流穩定（達西定律）和壩體穩定（瑞典圓弧法、簡化畢肖普法）進行了試算,確定了壩體最優結構尺寸,使得蓄水池在保障安全運行的前提下投資最合理,效益最大化。