趙錦程

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、水資源日益匱乏以及人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視，中水回用作為一項(xiàng)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的環(huán)保措施，對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展將會(huì)起到非常重要的作用[1-2]。

1 工程概況

新疆某礦井外排水工程位于新疆昌吉縣境內(nèi)，工程主要由首部事故備用水池、排水管道及末端中水庫(kù)池等建筑物組成。工程建成后不但能解決礦井排水問(wèn)題，同時(shí)還可為末端中水庫(kù)下游村鎮(zhèn)提供綠化用水。工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(Ⅱ)型。末端中水庫(kù)為5級(jí)建筑物，庫(kù)容為53×104m3。末端中水庫(kù)平面布置示意圖見(jiàn)圖1。

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

庫(kù)區(qū)位于硫磺溝左岸Ⅴ級(jí)階地上，地形開(kāi)闊平坦，西南高，北東低，地面微向北東傾，地面坡降17‰。尾部水池庫(kù)區(qū)南100 m為較大沖溝，溝深30～50 cm；尾部水池庫(kù)區(qū)東100～150 m為Ⅴ級(jí)階地階坎，深10～15 m。庫(kù)區(qū)上部多為洪積含礫碎石土覆蓋，厚2～12 m，巖性為黃灰色、紫紅色薄層泥巖夾灰綠色薄層粉砂巖、砂巖、砂礫巖。覆蓋層下部分布有砂卵礫石層，厚3～15 m，呈南厚北薄、西厚東薄的分布規(guī)律。

3 壩型比選

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，水池布置在此區(qū)域便于承接上游排水管路和下游供水系統(tǒng)，且地形相對(duì)平坦開(kāi)闊，土石方工程量不大。由于水庫(kù)規(guī)模較小，同時(shí)考慮充分利用開(kāi)挖料作為壩殼填筑料，從而降低工程總投資。因此，初步擬定采用土工膜斜墻壩及分離式面板堆石壩進(jìn)行方案比選。

3.1 土工膜斜墻壩方案

土工膜斜墻壩最大壩高控制在16.5 m，壩長(zhǎng)845 m，壩頂鋪設(shè)厚20 cm的級(jí)配礫石路面，路面寬5.0 m。為排除雨水，壩頂面向下游單向傾斜，坡度為2%。壩頂上游側(cè)設(shè)防護(hù)欄混凝土基礎(chǔ)，標(biāo)號(hào)為C25F300，基礎(chǔ)頂部高出壩頂面30 cm，并于基礎(chǔ)上設(shè)高1.2 m的欄桿；壩頂下游側(cè)設(shè)混凝土路沿石，標(biāo)號(hào)為C20F300，橫斷面尺寸為0.2 m×0.6 m，高出壩頂面20 cm，路沿石每隔5 m設(shè)一通向下游的排水孔。

3.1.1 壩坡及護(hù)坡

本工程大壩筑壩材料主要為碎石土料，從改善壩身斷面結(jié)構(gòu)、安全、經(jīng)濟(jì)和便于施工等方面綜合考慮，并根據(jù)壩坡穩(wěn)定分析，初步選用壩坡如下：上游壩坡為1∶2.5，采用土工膜防滲；下游壩坡為1∶2.0。根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 189-2013)，并進(jìn)行工程類比，上游護(hù)坡材料一般選用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡或大塊石護(hù)坡。本工程在綜合考慮滑坡穩(wěn)定和防滲膜穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，本階段初選上游護(hù)坡為現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡板，混凝土強(qiáng)度及耐久性指標(biāo)為C25F300，板厚0.2 m，分縫尺寸為3 m×3 m，采用閉孔塑料板作為填縫材料。上游坡腳采用混凝土錨固基座，混凝土錨固基座為C25F300，尺寸為1.0 m×0.6 m(B×H)，每5 m設(shè)一道分縫。

3.1.2 防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程地形地質(zhì)條件，水池地處天然階地，庫(kù)盤底部為砂礫石料，因此本工程除了要對(duì)上游壩坡進(jìn)行防滲，還需對(duì)整個(gè)庫(kù)盤進(jìn)行防滲處理。本工程上游壩坡及整個(gè)庫(kù)盤選用復(fù)合(PE)土工膜進(jìn)行全防滲。

1) 土工膜選取。根據(jù)《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL T231-1998)的規(guī)定，復(fù)合土工膜規(guī)格的選擇與下墊層平整度、材料允許拉應(yīng)力、材料彈性模量、抗凍性、撕裂強(qiáng)度、抗?jié)B強(qiáng)度、滲透系數(shù)及覆蓋層最大粒徑等有關(guān)，土工膜厚度設(shè)計(jì)除應(yīng)考慮主要由水壓力要求的強(qiáng)度外，尚應(yīng)考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應(yīng)用條件，并按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定設(shè)計(jì)厚度及實(shí)際厚度。為同時(shí)滿足防滲及環(huán)保的要求，壩坡與庫(kù)區(qū)防滲層均采用規(guī)格為250 g/m2/PE 0.6 mm/250 g/m2/PE 0.6 mm的兩布兩膜(PE膜)復(fù)合土工膜，幅寬為8 m。

2) 防滲工程結(jié)構(gòu)。壩體上游護(hù)坡防滲工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括下部支持層、土工膜防滲層及上部保護(hù)層。本工程下部支持層包括厚5 cm砂漿墊層，層面應(yīng)平整；防滲層選用兩布兩膜(PE膜)復(fù)合土工膜；上部保護(hù)層為厚20 cm的C25現(xiàn)澆混凝土面板。

庫(kù)盤防滲工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括下部支持層、土工膜防滲層及上部保護(hù)層。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，庫(kù)區(qū)大部分區(qū)域?yàn)樗槭翆?；防滲層選用兩布兩膜(PE膜)復(fù)合土工膜，下部支持層為厚10 cm砂墊層；上部保護(hù)層選用厚80 cm的開(kāi)挖碎石土和厚10 cm砂墊層進(jìn)行回填。

3) 接頭設(shè)計(jì)。土工膜間的接縫設(shè)計(jì)應(yīng)使接縫數(shù)量最少，且平行于拉應(yīng)力大的方向，接縫避開(kāi)彎角，應(yīng)設(shè)在平面處。土工膜與土工膜間的接縫采用焊接工藝連接，焊接搭接寬度為10 cm，焊接接縫抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于母材強(qiáng)度。

土工膜與壩頂連接：壩頂超出正常水位1.5 m，在此處土工膜采用錨固槽方式與壩頂連接，錨固槽呈梯形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊坡與平面夾角30°，每側(cè)邊水平長(zhǎng)度25 cm，土工膜沿梯形錨固槽鋪設(shè)，然后回填錨固槽。

土工膜與壩坡坡腳連接：采用螺栓將土工膜與基礎(chǔ)錨固基座錨固，混凝土標(biāo)號(hào)為C25、F300，錨固基座寬1.0 m，高0.6 m，每5.0 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，用閉孔塑料板填縫。

3.1.3 壩料規(guī)劃

根據(jù)地形條件及地質(zhì)資料，筑壩材料盡可能利用開(kāi)挖料。根據(jù)顆分試驗(yàn)，粒徑>40 mm含量0.5%,粒徑40～20 mm含量15.6%，粒徑20～5 mm含量約占29.2%，粒徑5～2 mm含量約占18.4%，粒徑2～0.5 mm含量約占17.1%，粒徑0.5～0.25 mm含量12.1%，粒徑0.25～0.075 mm含量約占5.6%，粒徑<0.075 mm含量約占1.5%。碎石土料緊密密度、內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)等均符合要求。

3.1.4 壩基處理

庫(kù)區(qū)表層為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積積物(Q3-4pl)碎石土厚度2～12 m，下部第四系中更新統(tǒng)沖積物(Q2alp)厚度為3～15 m，為透水層。因此，對(duì)于壩體基礎(chǔ)，將表層厚0.5～1 m腐質(zhì)土清除，即可滿足大壩基礎(chǔ)填筑要求。土工膜斜墻壩典型橫斷面圖見(jiàn)圖2。

圖2 土工膜斜墻壩典型橫斷面圖

3.2 分離式面板堆石壩方案

分離式面板堆石壩最大壩高控制在16.7 m，壩長(zhǎng)832 m，庫(kù)盤底部長(zhǎng)為212 m，寬為156 m。壩內(nèi)側(cè)坡比為1∶1.6，采用厚30 cm混凝土面板；連接板作為大壩防滲面板和庫(kù)底土工膜防滲層的連接結(jié)構(gòu)；壩外側(cè)坡比為1∶2.0。壩外坡坡面設(shè)置上壩道路，通向坡頂。

3.2.1 壩頂結(jié)構(gòu)

分離式面板堆石壩壩頂設(shè)計(jì)同土工膜斜墻壩方案。

3.2.2 壩坡及防滲設(shè)計(jì)

本工程大壩筑壩材料主要為碎石土料，從改善壩身斷面結(jié)構(gòu)、安全、經(jīng)濟(jì)和便于施工等方面綜合考慮，并根據(jù)壩坡穩(wěn)定分析，初步選用壩坡如下：上游壩坡為1∶1.6，采用分離式混凝土面板進(jìn)行防滲，厚30 cm。下游壩坡為1∶2.0。

3.2.3 混凝土面板及止水設(shè)計(jì)

混凝土面板均采用分離式面板，面板混凝土采用C25、W6、F300，二級(jí)配。混凝土面板厚30 cm，分縫尺寸為4 m×6 m，按橫向布置，即長(zhǎng)邊平行于壩軸線。

結(jié)構(gòu)縫內(nèi)加設(shè)鋼筋將坡面相鄰兩塊分離式面板連接起來(lái)，采用Φ16鋼筋，長(zhǎng)度為1.6 m，分別插入相鄰兩板各0.8 m，連接鋼筋間距1 m。水平縫迎水面止水方式采用深8 cm、下開(kāi)口寬6 cm、上開(kāi)口寬10 cm的鍥型聚氨酯密封膏填充，兩塊面板間采用“硬縫”相接。

結(jié)構(gòu)縫底部(墊層表面)設(shè)寬0.6 m的150 g/m2無(wú)紡布，起反濾作用。

3.2.4 趾板設(shè)計(jì)

壩體上游混凝土防滲面板底部設(shè)置混凝土趾板，作為分離式面板的支持及防滲面板和庫(kù)盤土工膜防滲層的連接結(jié)構(gòu)?；炷林喊鍖? m，厚0.6 m，沿縱向每8 m設(shè)置變形伸縮縫。由于混凝土趾板位于水池庫(kù)盤砂礫石基礎(chǔ)上，先完成壩體的填筑和碾壓施工，并盡可能使壩體完成施工期沉降后，再澆筑混凝土趾板，避免壩體過(guò)大的沉降變形造成混凝土面板斷裂。

趾板止水方式與面板止水相同。趾板水平及垂直分縫的底部(墊層表面)設(shè)一層瀝青砂漿，砂漿下鋪設(shè)寬0.6 m無(wú)紡布，起反濾作用。

3.2.5 筑壩材料

分離式面板壩同土工膜斜墻壩方案一樣，壩殼料也采用庫(kù)盤開(kāi)挖料。碎石土料含量、緊密密度、內(nèi)摩擦角及滲透系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2.6 壩基處理設(shè)計(jì)及庫(kù)盤防滲設(shè)計(jì)

壩基處理及庫(kù)盤防滲同土工膜斜墻壩方案。分離式面板堆石壩典型橫斷面圖見(jiàn)圖3。

圖3 分離式面板堆石壩典型橫斷面圖

4 壩型比選及結(jié)論

在同等庫(kù)容的條件下，本文根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件對(duì)各個(gè)壩型的防滲型式、施工方法、建筑材料、主要工程量及投資進(jìn)行了綜合比較，見(jiàn)表1。

表1 不同壩型綜合比較表

通過(guò)對(duì)以上兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1) 從地形、地質(zhì)條件對(duì)壩型的適應(yīng)性能分析，適合建造當(dāng)?shù)夭牧贤潦瘔?，兩種壩型均可行。

2) 從對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件的適應(yīng)程度比較，復(fù)合土工膜土石壩的上層覆蓋保護(hù)其特性不受氣候影響，混凝土防滲面板作為防滲體暴露在外，易于檢修維護(hù)，但受寒冷氣候影響較大。

3) 從運(yùn)行管理比較，復(fù)合土工膜斜墻土石壩在運(yùn)行期管理更為簡(jiǎn)便。分離式混凝土面板壩對(duì)面板及各種類型的接縫止水設(shè)計(jì)、施工要求均較高，但與復(fù)合土工膜土石壩相比，分離式混凝土面板壩適應(yīng)壩體變形的能力不如復(fù)合土工膜土石壩，面板裂縫會(huì)降低混凝土的耐久性，面板止水也會(huì)因壩體變形遭到破壞，產(chǎn)生壩體滲漏。

4) 從施工條件比較，復(fù)合土工膜砂礫石壩可充分利用開(kāi)挖料，土工膜施工量大，但鋼筋混凝土工作量較小；分離式混凝土面板壩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較多，施工工作量較大，兩個(gè)方案工期相當(dāng)。

5) 從工程量與投資比較，復(fù)合土工膜砂礫石壩方案中的土方清基量、土方開(kāi)挖量、土方填筑量、土工防滲膜均較分離式混凝土面板壩要大，而對(duì)混凝土用量及鋼筋量的使用分離式面板壩較大；復(fù)合土工膜土石壩方案工程投資為1 891.8萬(wàn)元，分離式混凝土面板壩方案工程投資為1 980.6萬(wàn)元，比分離式混凝土面板壩方案節(jié)省88.8萬(wàn)元。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較結(jié)果來(lái)看，復(fù)合土工膜砂礫石壩具有良好的防滲性能和抗凍性能，具有壩體結(jié)構(gòu)、壩料加工生產(chǎn)簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、投資相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)，因此采用復(fù)合土工膜斜墻土石壩作為推薦壩型。