塘坝工程建设中的设计方法与过程研究

2021-03-27齐波波

农业科技与信息 2021年2期

齐波波

（甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000）

1 项目概况

高台县坐落在甘肃省河西走廊中部，黑河中游干流下段，地处东经98°57′32″～100°06′44″、北纬39°03′50″～39°59′40″，全县东西长99 km，南北宽103.7 km。项目区位于高台县南部，主要涉及河流为水关河和摆浪河。工程区地下水是第四系松散岩类孔隙性潜水，含水层岩性是圆砾、砾砂及中、粗砂等，地下水埋深＞100 m；红沙河村塘坝上游分布一眼泉水，顺沿沟道边界下泄，溢出、补给相互交替，于沟谷下游林带位置出露，年流量15 万m3。塘坝区附属建筑物以输水渠（管）道为主，其基础坐落地带与蓄水池坝基统一，结构稍密—中密，地基允许承载力达300～350 kPa。

2 水库塘坝工程的作用

2.1 强化蓄水能力的现实需求

高台县新坝镇境内地下水埋深较深，开采利用困难，只有依赖现有塘坝工程蓄积地表水，才能解决春耕作业与抗旱缺水两者的矛盾。

2.2 有益于提升防洪排涝能力

高台县新坝镇地势丘陵起伏，降雨多集中于夏秋两季，经常出现洪涝灾害。通过完善塘坝项目，有助于提高拦蓄洪水能力，有效保护下游耕地和人口安全。

2.3 有助于提升农民的经济收入水平

建设与实施塘坝工程能为农业灌溉提供充足水源，压缩农业生产成本，提升农户经济收入。

3 塘坝工程建设的设计方法

3.1 设计砂砾石土工膜斜墙坝

3.1.1 坝顶结构

3.1.1.1 确定坝顶高程。依照当地气象材料，项目区平均年最大风速为20.2 m/s。

3.1.1.2 计算工况。计算正常、非正常蓄水位加正常运用状况下的坝顶超高[1]。

3.1.2 确定坝顶超高

3.1.2.1 依照相关规范。采用Y=R+A[Y—坝顶超高（m）；R—风浪爬高（m）；A—安全加高]坝顶在静水面以上的超高。

3.1.2.2 确定坝高。针对土石坝的坝高，应经由坝体防渗体底部或坝轴线处的建基面算起到坝顶，取最大值（见表1）。

表1 塘坝最大坝高计算结果

3.1.3 坝顶宽度结合相关规范要求，塘坝坝顶宽度设计均为4 m。

3.2 设计护坡及坝面排水

3.2.1 确定上游护坡形式多使用堆石、砌石、砼板、沥青砼、人工块体等形式护坡，依照下式测算出护坡厚度[2]：

式中，Qmax、Qmin—石块的最大、最小质量，t；hs—有效波高，m；k—系数，取4.37；G—石块比重，取2.35。

堆石护坡厚度测算结果如表2 所示。

3.2.2 设计下游护坡将大坝背水坡比设定为1∶2，梯形断面。

3.2.3 设计坝顶防护为便于工程运行管理，坝顶铺设厚0.15 m 泥结碎石路面，坝顶路面临水侧安设1.5 m 高防护栏。

3.3 设计坝体横断面

将大坝坝型设计成砂砾石土工膜斜墙坝，呈梯形断面，坝顶宽度为4 m，迎水面坡比为1∶3，背水面坡比1∶2。上游坝坡从上到下均使用40 cm 厚堆石护坡(粒径100～200 mm)与20 cm 厚砂砾石保护层护砌，保护层下方设置15 cm 厚砂砾石上垫层(粒径≤20 mm)、复合土工膜（SN2/PE-16-400-0.5）、15 cm 厚砂砾石下垫层(粒径≤20 mm)。

3.4 设计复合土工膜

首先，复合土工膜在防渗性能、施工简洁性等方面均占据优势。下垫层平整度、材料允许拉应力、弹性模量、覆盖层最大粒径等均是选择复合土工膜规格时应重点考虑的因素。设计土工膜厚度时不仅要分析主要有水压力对强度提出的要求，还需重视暴露、压埋、气候、使用年限等使用条件，严格按照国家现行相关标准确定设计厚度与现实厚度。本项目复合土工膜主要物理学指标：膜厚0.5 mm、耐静水压1.4 MPa、非织造布总单位面积质量400 g/m2、断裂强力16 KN/m、断裂伸长率30%～100%、CBR 顶破强力2.8 KN、撕破强度0.56 KN、剥离强度≥6 N/cm。其次，因塘坝坝体是以砂砾石坝体为支承体，土工膜铺设到厚度15 cm 厚砂砾石下垫层上方。再次，将坝体土工膜敷设于上游坝坡法向深度0.75 m处。土工膜以上依次铺设砂砾石上垫层、砂砾石保护层和堆石护坡，厚度依次为15 cm、20 cm、40 cm。最后，合理设计复合土工膜与砼。要求两者紧密、稳固衔接，并留置伸缩余量。衔接复合土工膜与砼时，先于砼面上以20 cm 间距打孔，安设膨胀螺栓，将一厚5 mm、宽10 cm 橡皮装设，然后对复合土工膜折叠3 层处理后打眼穿入螺栓，联合使用一层厚5mm、宽10 cm 橡皮和厚5 mm、宽5 cm 扁钢压条稳固复合土工膜方位[3，4]。