新疆呼图壁新增供水工程滤水坝设计分析

兰玉廷

(新疆昌源水务库尔勒银泉供水有限公司，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

滤水坝是在坝体中间部分利用砾石、碎石、细砂等材料砌筑一道透水墙体，可以对河砂起到初步过滤和净化作用，再结合其他生态措施，形成生态滤水坝。滤水坝需要同时满足透水量和过滤效果这两个条件，因此在设计时必须找到最佳平衡点。

1 工程概况

新疆呼图壁河流域主要行政单位有呼图壁县和农六师下属团场，本次规划供水项目是为呼图壁县提供工业及城镇用水。设计近期(2020-2025年)日平均供水量8.64×104m3；远期(2025-2030年)日平均供水量17.28×104m3，本工程以近期供水量为目标。该项目位于青年渠首，由于呼图壁河主汛期(6-9月份)供水水质含沙量过高，本次工程主要建筑为滤水坝、输水管道，工程等别Ⅲ等，规模中型，主要建筑物等级为3级，次要建筑物等级为4级。本文重点对滤水坝设计进行分析。

2 工程地质评价

2.1 坝基岩性种类

设计滤水坝坝址位于上游主河床中，地面高程767～780 m，地势南高北低。据勘探揭露，地层岩性表层为第四系冲洪积卵砾石层，下伏地层为第三系泥岩、泥质砂岩、卵砾石层，含漂石，青灰色，层厚2.2～3.7 m，可见最大粒径30 cm，一般以4～6 cm居多，地下水埋深0.5～1.0 m，其颗粒级配见表1。根据易溶盐分析报告及水质分析，地基土及地下水对建筑材料均无腐蚀性。

表1 各粒径颗粒级配含量表

2.2 坝基物理力学性质分析

根据现场重型动探试验(锤击数10～19击)，表层0.5 m～1 m属于稍密状，1.0 m以下属中密状，工程地质条件较好，不必进行加固，地基承载力标准值fk=300 kPa～350 kPa，天然休止角β=35°～38°，其中坝基主要物理力学参数见表2。

表2 坝基泥岩及砾岩主要物理力学参数建议值

抽水实验表明，河床卵砾石渗透系数k=3.3×10-2cm/s，属于强透水层。因此，坝基开挖时需采取排、降水措施，建议砂砾石层临时开挖边坡为1∶1[1]。

3 滤水坝主要参数设计分析

3.1 呼图壁河泥沙含量分析

项目内的石门水文站以上河长96 km，河道平均坡度23‰左右，本文以该水文站资料作为基础。

3.1.1 泥沙含量特征

呼图壁河海拔1 800 m以下，植被覆盖率逐渐降低，地表层透水性好，泥沙含量自上而下呈逐渐增多趋势，主要集中在5-9月份，约占全年泥沙总量的98.4%。据有关部门估算，推移质泥沙可占悬移质输沙量15%～30%，本文按20%计算，约为8.5×104t。平均泥沙含量为51×104t/a[2]。见表3。

表3 石门水文站多年平均悬移质输沙量分配表 /104 t

3.1.2 泥沙颗粒级配

为分析悬移质泥沙级配，在石门水文站取烘干沙样—组，采用移液管法，结果见表4。为分析推移质泥沙级配，在水文站河床沉积砂砾石共取样7组，结果见表5。

表4 石门站悬移质泥沙颗粒级配表

表5 石门站推移质泥沙颗粒级配表 /mm

3.2 滤水坝坝体结构设计

3.2.1 坝体结构

水坝位于桩号0+600处，坝长315 m，平均高度18.3 m，坝顶高程780.70 m。为保证结构安全稳定运行，对坝基河床清理(深度1.5 m)并碾压，要求密实度不低于0.75；坝体采用河床砂砾石填筑，在滤水坝上游40m以上距离库区开挖即可(开挖深度至河床基岩面)，可就近取材，有效降低投资成本；上下游坝坡坡度均设计1∶1.5，采用干砌石护坡；坝顶设计宽3.0 m砂砾石道路，坝肩设计预制C20砼路沿石，道路坡度2%。滤水坝整体结构简图见图1[3]。

图1 砂砾石透水坝结构简图

3.2.2 坝体渗流稳定性分析

本项目采用北京理正软件设计研究所的渗流分析软件对该大坝进行有限元模拟，并结合理论计算公式。但理论计算公式在本项目中误差较大，因此以软件模拟结果为准。

本项目模拟渗流参数设计如下：坝基泥岩1.0×10-6cm/s；坝基砂砾石6×10-2cm/s；坝体砂砾石2×10-2cm/s，模拟结果见表6[4]。

表6 滤水坝坝体断面渗流量及渗透稳定计算表

由表6可知，下游清水池水位宜控制在776.95～778.45 m范围内运行。若水位低于776.95 m，滤水坝渗流不稳定，极可能发生渗透破坏，产生滑坡而影响滤水坝的安全。

3.3 滤水闸段结构设计

3.3.1 滤水闸段结构设计

滤水闸段设计位于透水坝中间位置，开口为矩形，底部位于河床以上40 cm，横断面尺寸为3.5 m×2.0 m(图2)。为保证滤水能力，本项目设计滤水闸共分为3段结构，从前到后依次为砾石稳流段、聚丙烯长纤过滤段、砾石稳流段。其中，砾石稳流段是防止河水将过滤段砂砾石层状结构冲散，且阻挡推移质泥沙进入过滤段。结合其他工程经验，本项目将两个稳流段长度均设计为1.0 m，中间聚丙烯长纤填充过滤段设计长度3.0 m(结构见图3)[5]。

图2 滤水坝纵截面结构示意图

图3 滤水闸段总体结构示意图

3.3.2 聚丙烯长纤段过滤流量验算

滤水坝除了要满足滤水要求外，还必须满足通过流量Q，否则会导致供水不足。其中，聚丙烯长纤段过滤流量Q计算公式见式(1)[6]：

(1)

式中：H0为堰顶水头，最小水头0.5 m；B为孔口宽度，为3.5 m；m′为宽顶堰流量系数，0.365；g为重力加速度；σs为淹没系数，取1.0。

经计算，Q≈2.0 m3/s，日渗流量可达17.28×104m3，满足供水要求。

3.3.3 砾石稳流段流量验算

根据表5数据可知，河水中推移质砾石粒径不小于5 mm的颗粒含量占总量的80%左右，不同粒径的砾石渗透系数见图4。

图4 不同粒径砾石的渗透系数曲线图

本项目砾石粒径为5 mm便可阻挡大部分推移值，其渗透系数k≈3.5 cm/s。流量Q验算参考达西公式[7]：

Q=k·S·I

(2)

式中：S为过流断面横截面积，取值7.0 m2；I为水力坡度，取值5。

经计算，Q≈1.23 m3/s，日渗流量可达10.63×104m3，满足近期供水要求。

4 结 语

滤水坝可采用物理手段对泥沙含量较高的河水进行初步过滤，以减少粗颗粒泥沙含量，减轻后续水质净化工作的压力。呼图壁河滤水坝投入使用后，预计可直接降低下游河水的80%泥沙含量，但这种技术需要每隔一段时间就要对滤水闸段进行清洗，否则流量会降低，影响供水量。总之，彻底解决泥沙含量较大的根本措施是对上游植被进行生态恢复，需要多管齐下的综合治理。