“逆止阀”在山区小型水塘修建工程中的应用

2020-02-21秦红军

河南水利与南水北调 2020年12期

关键词：护坡水塘高程

秦红军

（河南省山水水利工程有限公司）

1 工程概况

汝阳县十八盘乡干里村水塘始建于20世纪50年代，由于年久失修，加之汛期上游冲积物淤积，水塘蓄水量变小，不能有效地发挥灌溉效用。

根据2016 年汝阳县农田水利设施建设项目建设内容：主要对该水塘进行开挖扩建，对上游沟道疏通，并修建沉砂池，配套备水泵1台，铺设灌溉管网约2 km。

水塘扩建主要包括开挖、铺设复合土工膜、混凝土护底护坡衬砌，设置坡面排水孔等。根据设计方案，扩建后水塘呈不规则的多边形，底面积约700 m2，塘深为6.50 m，边坡坡比1∶1.50。塘底及边坡均采用C2O 混凝土衬砌，衬砌厚度20 cm（坡角齿墙厚度为50 cm），纵向每隔5 m设置一道宽2 cm的伸缩缝，缝内填聚乙烯塑料板；其下全断面铺设复合土工膜（两布400 g/m，一膜0.50 mm）；从护坡距齿墙顶高0.80 m处至护坡顶部横向共设置3排Φ90 mmmPVC排水管，纵向间隔2 m。

根据项目设计方案及要求，该水塘修建后主要功能为在汛期或雨季拦蓄上游坡面径流形成的洪水，发挥农业灌溉作用。

施工过程中根据当地村民的要求，为了使该水塘在汛期满足拦蓄洪水功能的同时，又能接受地下水补给、有效的储蓄地下水；施工单位经设计单位同意，经综合多方面因素考虑将排水孔设置变更成了压差放大式水工逆止阀方案，既达到了调洪、蓄水的目的，又降低了施工降水难度，保证了工程顺利的进展。

项目于2016年10月开工，2017年5月完工。

2 增加逆止阀变更的缘由

2016年10月，施工单位根据合同要求进场后，按原施工组织设计进行了施工准备工作。

在现场调查过程中发现，该水塘因年久失修，淤积严重，下游坝体局部有漏水现象；但水塘内四季有水，据村民反应塘水主要接受上游山体泉水及地下水补给，在旱季塘底仍有泉水涌水现象。

根据场区水文地质资料并结合现场调查情况分析：该塘区位于汝阳县南部，属外方山深低山区；地层主要为元古界震旦系下统马家河组棕红色石英斑岩，表层强风化；上覆第四系洪积物，岩性主要为碎石土；均属弱-中等透水性。场区地下水类型主要为基岩裂隙水，地下水位随季凶性变化较大；根据调查分析，丰水期地下水位高于设计水塘底约2 m，枯水期地下水位位于设计塘底高程附近。

鉴于上述情况分析：①水塘四周地层多为风化的基岩或松散的冲洪积物，塘底及边坡为强风化的基岩或碎石洪积物，属弱-中等透水性；如按原设计方案，当塘内水位高于排水孔高程时，塘水易通过排水孔向塘外渗漏，不能保证塘内蓄水量。②由于土工膜、衬砌面板的隔水作用，塘外排水孔高程以下的地下水无法向塘内补给，无法有效地储蓄地下水。③如果按原设计方案，在施工期及待运行期，当塘外地下水位高于混凝土护底顶托破坏临界高程时，须进行持续的降排水工作，否则易产生地下水对护底的顶托破坏。

因此，为满足当地村民的要求，使水塘在拦储汛期洪水的同时，有效地储蓄地下水，达到水资源综合利用的目的；保证塘内蓄水不外漏，确保水塘施工过程中的质量安全，减少施工降水难度；经与设计单位沟通，并结合类似工程案例，拟变更设置排水孔为逆止阀方案。

3 逆止阀方案设计

3.1 压差放大式水工逆止阀结构及特点

逆止阀结构：由上过滤层、止水装置、压力放大器和下过滤层组成。

逆止阀工作原理：采用弹性膜片和上下空腔制成的压力放大器，对作用于弹性膜上的水压力进行放大；在水压力作用下弹性膜可产生自由变形，当弹性膜向一侧变形时，带有导向的止水装置向下移动，关闭出水口，实现止水；当弹性膜向另一侧变形时，带有导向的止水装置向上移动，打开出水口，实现排水；对本工程而言，塘内水位高时，止水装置向下移动，关闭出水口，实现止水，塘外地下水位高时，止水装置向上移动，打开出水口，实现向塘内排水（示意图见图1）。

图1 压差放大式逆止阀结构示意图

该类型阀结构具有高灵敏性（止水水头＜1.50 cm，开启水头＜0.50 cm），水下运行寿命长（达30-50 a），可防止泥砂淤积，便于维修等特点。

3.2 逆止阀设置方案设计

根据边坡排水设计相关规定，对岩质边坡，其泄水孔宜优先设置于裂隙发育、渗水严重的部位。本工程边坡大部边属岩质边坡，裂隙较发育，局部为松散坡洪积物；综合场区地下水水位变化实际情况和岩土体结构特征、透水性等考虑，在原排水设计计算成果基础上，逆止阀的设置具体如下：①逆止阀公称外径采用Φ110 mm，外倾坡度不宜＜5%，确保排水畅通；在逆止阀进水侧设置反滤包，尺寸500 mm×500 mm×500 mm，外部用土工布包裹。②根据设计计算成果，在护坡上横向共设置3排逆止阀，纵向间距为3 m。

考虑到水塘底板以下地下水对C20 混凝土护底的顶托作用，先进行护底混凝土盖重和盖板下地下水扬压力平衡计算。

底板盖重按下式计算：

式中：G-底板盖重；ρ混-混凝土的容重，根据经验取2 500 kg/m3；h-混凝土底板的厚度，按设计厚度取0.20 m；g-取10 N/kg。

经式（1）计算得混凝土护底盖重：G=5 kPa。

根据地下水扬压力计算公式P=ρ水×g×H，混凝土护底盖重大小相当于0.50 m的地下水头扬压力；即为使混凝土护底不被地下水顶托破坏，最低一排逆止阀的设置高度不得高于底板底面以上0.50 m（护底顶面以上0.30 m）。鉴于上述原因，并考虑施工过程因素，最低一排逆止阀拟设置位置为护底顶面以上0.20 m。

上部2 排逆止阀分别设置在距护底顶面以上2.70 m 和5.20 m处（具体示意图见图2）。

图2 水塘衬砌结构示意图

4 实施效果

根据新的变更方案，施工单位重新编制了水塘施工方案和降排水专项方案。施工过程中：①先采用污水泵将水塘内积水疏干；②随着施工开挖高程采用积水坑、排水沟等降排水措施，开挖至设计塘底高程时采用水泵在设置的3个积水井内降水，把地下水位有效降至塘底高程以下50 cm，保证干地施工；③塘底混凝土（含下部1 m 护坡混凝土）衬砌完成后，封堵积水井，塘外地下水通过逆止阀自流排向塘内，施工期间塘内水深约30 cm；④待塘底混凝土达到一定强度后进行上部护坡混凝土施工。

施工过程中使用3台污水泵，3个积水井，抽水时间共计7天；比原方案计划的抽水时间缩短10 天；使得本项目顺利按期完工。

2017 年5 月建成后，随着雨季地下水位的上升，周边地下水通过逆止阀通畅地排入塘内，使塘水位逐步上升；至2017年8月份，经过拦储汛期洪水，塘内水位已蓄至设计高程；塘外没有发现渗漏现象。