高台县生态经济林南部绿色通道水源塘坝结构设计

王 蕊

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃兰州 730000)

1 概述

近年来，高台县始终坚持把生态建设作为改善城乡人居环境、加快生态文明 建设步伐、保障经济社会可持续发展的重要举措来抓，坚持南保水土、北御风沙、中建绿洲的总体思路，重点实施生态造林绿化、黑河湿地保护、农田林网更新、人居环境绿化、林业产业培育五大生态建设工程，全建成了较为完备的农田防护林体系，截至2017 年，全县县森林面积达到85.7 万亩，森林覆盖率达12.9%，生态环境进一步改善，高台的生态特色和底蕴逐步突显[1]。高台县县作为张掖市西端的门户，黑河国家级湿地保护区的核心，国家油气电及陆路通道的蜂腰，国家重要的商品粮和蔬菜基地，展示丝路文明的重要窗口，南部交通干道沿线则是展示高台形象的一个重要载体。但是，该区域的绿色通道建设，还是一个薄弱化环节，特别是兰新高速铁路客运专线和连霍高速公路沿线的绿化建设相对滞后，与该区域所处的重要地理位置还不相符。因此，在高台县南部、连霍高速公路沿线，自来水厂保护区以东、高速公路以南、西干渠以北、高台临泽界限以西地段，规划建设东西长度7km、造林种花3800 亩，配套4 座塘坝以及灌溉设施，进一步扩大南部绿色通道，完善生态和经济效益兼顾、景观效果突出，形成布局合理、功能齐全、效益明显的南部生态防护体系。本文以4 座水源坝塘为主要研究对象，进行选址、选型、结构及防渗等方面的设计研究，为坝塘设计施工及安全运行提供保障。

2 坝塘选址及选型

高台县生态经济林南部绿色通道水源塘坝工程位于黑河西总干渠67+735～73+635 段北侧，以西总干渠为水源，取水后重力输送至4 座兼备生态、景观、灌溉功能的塘坝，配备塘坝至防护林和花卉形成的绿化区之间的灌溉设施，为高台县南部绿色通道建设工程提供绿化区景观用水和灌溉用水，设计灌溉面积0.38 万亩，根据现场地形及景观要求布置四座塘坝，平面布置形状考虑灌溉与景观相结合，因此在设计中将塘坝布置成景观(眼睛、如意、葫芦、金元宝)形式。容积合计39.2 万m3，其中1# 塘坝容积9.9 万m3、2# 塘坝容积9.9 万m3、3# 塘坝容积9.8 万m3、4# 塘坝容积9.6 万m3。

根据现场地形勘察，在该区内有3 处采砂大坑，深度在5～15m 左右，根据本供水区内总体规划综合工程运行，以及景观各方面综合考虑，本工程利用原有采砂大坑进行塘坝布置。

本工程为注入式塘坝，坝高4.2～5.0m，坝体筑坝材料应选择当地材料，根据挖填平衡适宜修建的坝型只有砂砾石坝，根据本工程所在地的地质条件，本次设计选择复合土工膜防渗的碾压式砂砾石坝型，塘坝坝体为碾压式砂砾石坝，迎水面坝坡为1∶2.5，背水面坝坡为1∶2，坝高4.2～5.0m，采用半挖半填式，坝面及池底采用复合土工膜防渗，坝塘平面布置图如图1 所示。

3 塘坝的设计

3.1 坝顶高程计算

4 个坝塘除平面布置形状不同外，结构设计相同，本文以1# 坝塘作为典型设计，根据《碾压式土石坝设计规范》相关公式，坝顶高程按以下两种工况进行设计：

1）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；

2）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震壅浪高度分别计算，取其最大值。

塘坝位于8 度地震区，地震区土石坝的安全加高应增加地震壅浪高度。本工程地震壅浪高度取值为0.5m，在正常蓄水位+正常运用条件下计算坝顶超高为1.02～1.07m；正常蓄水位+非常运用条件下+地震条件计算坝顶超高为1.14～1.17m，根据以上两种计算结果取最大值，最终确定坝顶超高取值为1.2m。计算结果见表1。

表1 1# 塘坝坝顶超高计算表

虑调蓄水池大面积铺设土工膜水气顶托作用，在土工布下部纵横向设置直径90mmPVC 排水排气花管，采用专用的PVC 透水花管。排气管数量以池底尺寸具体布置，纵横向间距10m。

为满足管理道路及调蓄水池排水要求，防止对调蓄水池池基造成破坏，设计沿靠山侧削坡段池顶外侧布置排水设施，排水沟采用现浇C20 混凝土矩形断面，深0.4m，宽0.5m，衬砌厚度15cm。

地基处理根据池基处地质条件分别采取不同处理措施：根据钻探资料，调蓄水池临河侧五方河主河道池基采取的处理措施：为清基、表面夯实，当清基后地面高程低于设计高程时，采用砂砾石换填至设计高程；当调蓄水池池基位于Ⅰ级阶地时池基处理措施为：对池基以下黄土状土全部进行原土翻夯。

3.2 塘坝护面设计

根据塘坝池址处地形、地质条件，对池堤选用“C20 砼预制板”(方案一)和“干砌块石护面”(方案二)两个方案，两方案护面材料经济比较见表2。

表2 护面材料经济比较表

综上所述：方案一和方案二所选护面材料的强度及抗冲能力均满足本工程的要求。但方案一和方案二相比较，方案二较方案一造价高45.74 万，所以，本工程推荐方案一(现浇C20 砼预制板)详见护面材料经济比较表。

3.3 塘坝结构设计

塘坝为注入式塘坝，坝顶宽度根据《碾压式土石坝设计规范》有关规定并与国内外相应坝高的坝顶宽度相类比，结合坝顶交通和施工要求，在满足坝体稳定的情况下确定为4.0m。塘坝形状为不规则形。塘坝总容积确定时考虑调蓄时段 灌溉最大蓄水量28.02 万m3，同时，考虑塘坝景观用水(最低水位)6.66 万m3，和期间11、12、1、2、3 月蒸发渗漏水量3.88 万m3，合计需容积38.62 万m3。

根据现场地形及景观要求布置四座塘坝，容积合计39.2 万m3，满足本工程需要。坝体内外坡坡比，根据筑坝材料性质、坝体高度和当地地震烈度确定，本次设计大坝内坝坡坡比为1∶2.5，外坝坡坡比采用1∶2.0。

根据地质条件，本区域地层主要以第四系冲洪积砂卵砾石层，塘坝位于黑河西总干渠下段桩号67+735～73+635 北侧，大坝和池底均采用土工膜全防渗处理。塘坝坝顶宽4.0m，迎水面坡比1∶2.5，背水面坡比1∶2。上游坝坡自上而下采用8cm 厚砼预制板护砌，30cm 厚砂砾石混合料、20cm 厚粗砂垫层、0.4mm 厚复合土工膜、20cm 厚粗砂垫层。库底从上之下依次为30cm 砂土回填，20cm 厚粗砂垫层、0.4mm 厚复合土工膜、20cm 厚粗砂垫层，夯填砂砾石相对密度不低于0.75。抗渗等级为W6，抗冻等级为F150。坝塘结构设计图如图2 所示。

图2 坝塘结构设计图

塘坝出水系统主要通过井用潜水泵将水通过出水管连接至现状灌溉管道中。塘坝工程作为灌溉兼景观，考虑安全，坝顶路面采用碎石路面，路面厚0.2m，在坝顶靠近水池内坝坡一侧采用不锈钢栏杆防护，栏杆高度为1.2m，栏杆基础采用现浇C20 混凝土，两侧分别设0.2m×0.5m 的现浇C20 砼路缘石。

3.4 导流渠护岸设计

根据平面布置，1# 塘坝东侧泄洪沟和2、3 号塘坝中间位置泄洪沟道对新建 塘坝有安全隐患，为满足沟道的泄洪能力，设计将在1# 塘坝上游测开挖行洪通道，本次工程共修建长度约465m，设计纵坡1/33，设计对新建的泄洪沟道进行防护。将在2# 塘坝和3# 塘坝对现有沟道进行两侧防护，本次工程共修建长度约316m，设计纵坡1/26，对新建的泄洪沟道进行防护。

新建护岸采用夯填砂砾石土堤，横断面为梯形断面，迎水面为1∶1.5，背水面为1∶1.25，堤顶宽3.0m，堤身高度2.35～2.66m。河床以上堤身高度为1.15～1.46m，堤防临水面均采用现浇C20 砼护衬，上部厚度150mm，下部厚度250mm，顶板采用现浇C20 混凝土，厚度0.1m，宽度0.5m，基础为梯形结构，采用混凝土衬砌，高度为0.4m，下底宽0.6m。

4 坝塘防渗设计

4.1 土工膜防渗层类型选择

土工膜防渗层分为单层膜防渗、多层膜防渗和土工膜复合防渗层三种[2]。根据工程特点，本工程4个坝塘一旦发生渗漏将严重影响到工程效益的发挥，对防渗要求较高，应采用复合土工膜进行坝体防渗。为了防止可能裂隙处产生管涌、坍坑，防渗土工膜应采用土工织物复合土工膜[2]，其物理力学性能指标应见表3。

表3 土工织物复合土工膜物理力学性能指标

4.2 防渗结构设计

防渗结构包括防渗材料的上垫层和下垫层、上垫层上部的防护层、下垫层下 部的支持层以及排水、排气设施。

根据工程区建筑材料、施工、造价等因素，本工程防护层设计为现浇混凝土 板,上垫层材料选用M10 水泥砂浆，上垫层厚度设计为5cm。根据《土合成材料应用技术规范》及类似工程施工经验，本工程下垫层材料考虑筑坝材料为砂砾碎石，粒径2mm～60mm 占70%左右，为保障防渗土工膜在施工、运行中不被砾石刺破，设置下垫层，下垫层采用0.3m 细砾垫层。坝体为碾压砂砾碎石坝，不再另设支持层。防渗结构如图3 所示。

图3 坝体防渗结构图

4.3 膜铺设与连接设计

本工程复合土工膜采用埋压式敷设，土工膜的底边和周边以及与结构物连接处都必须锚固，并应符合下列要求：

1)在坝顶应使土工膜向外延升0.8～1.0m 为宜，将土工膜埋入预先挖好的沟槽内，沟槽断面深×宽为0.5m×0.4m，用挖出的土分层回填夯实。

2)土工膜铺设前，铺膜地面平整后铺设20cm的粗砂垫层，其上铺土工膜，再盖上20cm 的粗砂垫层，再盖砂砾石混合料厚500mm 压重，坝坡每8m 设置一道水平锚固沟，断面尺寸宽×深为30cm×50cm，土工膜沿沟道回转铺设，锚固沟间土工膜预留1.5%的余幅，以备局部下沉拉伸，且纵向接头应距坝脚及转弯处1.5m 以上。

3) 库底铺膜面平整后，直接铺设土工膜，每10m 回折20cm，以防地基不均匀沉陷，拉伸土工膜，膜上覆20cm 的粗砂垫层和50cm 厚砂砾石的压重。

4)土工膜连接采用布缝膜焊的连接方式，搭接宽度不小于30cm，搭接时应使高端在低端上。

5 结论及建议

通过工程建设经验及相关规范，重点对4 个水源坝塘进行选址、选型、防渗加固及护坡设计等技术研究，有效的解决了坝塘设计施工方面的技术问题和难题，能够保证坝塘蓄水期的安全运行。该蓄水工程于2018 年施工完成，建后保障了高台县南部绿色通道建设工程提供绿化区景观用水和灌溉用水需求，社会和经济效益显著。