连平县高莞中型灌区现代化改造工程中山塘加固设计与分析

袁春玲

（河源市水利水电勘测设计院有限公司,广东 河源 517000）

0 引言

随着我国城乡经济的快速发展,水资源日益成为制约经济社会可持续发展的瓶颈之一,而灌溉农业作为我国农村经济的重要组成部分,其发展受到水资源的限制和制约。如何更好地利用水资源,提高灌溉效率,保障农业生产水平,已经成为当前研究的热点和难点之一[1]。连平县高莞中型灌区是广东省一个重要的农业生产基地,但由于地处山区,水资源短缺,水源分散,管理难度大等因素,灌溉系统面临着严重的用水矛盾和灌溉效率低下的问题。因此,对该灌区进行现代化改造,山塘加固设计与分析显得尤为重要。该研究旨在通过对连平县高莞中型灌区现代化改造工程中山塘加固设计分析,探讨如何科学合理地配置水资源,提高水资源的利用效率,降低灌溉成本,促进农业生产的发展[2]。

1 项目概况

连平县高莞中型灌区地处河源市中心腹地——灯塔盆地,位于东源县、和平县、连平县交界处,总面积达2291.24 km2；其中农业高新技术产业示范区（以下简称“农高区”）地处灯塔盆地中部。工程所在的河源市位于广东省东北部,与广州、深圳及香港的直线距离均在200 km 以内,是粤东西北唯一同时近距离接受三个国际都市辐射带动的地级市。灌区作为中型灌区,其农村水利设施仍比较脆弱,农田水利化程度低,农业抵御自然灾害的能力较差,有效灌溉面积有所减少,工程实际供水能力大为降低。只有提高农田水利工程建设标准才能确保提高农业综合生产能力,才能满足新形势下农村改革发展对水利工作提出的新要求,才能为建设社会主义新农村和建设节水型社会,实现该镇经济可持续发展、社会和谐稳定提供强有力的保障。

2 山塘加固改造设计分析

2.1 山塘加固改造方案

本项目需加固改造山塘共5 座,4 座位于忠信镇,其中解塘、塔岭山塘、石仔塘位于忠信镇柘陂村；五片山塘位于忠信镇西湖村；1 座位于油溪镇,溪南山塘位于油溪镇溪南村。本次设计涉及的5 座山塘主要问题如下：塔岭山塘现有溢洪道为土沟；现状坝体较为简陋,杂草树木丛生；现有输水涵较为简易,达不到设计标准；坝前约1200 m3区域有轻度淤积,平均淤积深度约0.5 m。大部分山塘现状输水涵缺失或难以发挥作用,因此需对输水涵进行新建[3]。

本次设计将放水涵管重建为梯级放水涵形式,涵管管径为0.3 m,管长视各山塘具体情况而定,采用预制混凝土承插管开挖埋管,涵管全段采用C30 砼基础厚300 mm,垫层为C30 砼厚120 mm,涵管单根长2.0 m,接口处采用橡胶圈及水泥砂浆封堵,为防止水流沿管身渗流,在梯级进水口附近及坝轴线附近设截水环,截水环采用C30 砼厚200 mm,垫层为C15 砼厚100 mm。输水涵管出口处接消力池,消力池长4.35 m,宽0.4 m,底板厚30 mm；消力池两侧挡墙采用C30 砼重力式挡墙,顶宽0.35 m,净高1.25 m,背水面坡比1∶0.4。

（1）重建放水涵管

大部分山塘现状输水涵缺失或难以发挥作用,因此需对输水涵进行新建。本次设计根据本工程山塘的特点,输水涵进水口采用斜拉闸、梯级放水涵两种形式进行比选,选定适合本工程的进水口形式,方案比选如下。

方案一：输水涵进水口采用斜拉闸形式；优点：操作简便易行；缺点：闸门、启闭机容易生锈,造价较高,后期维修麻烦且成本较高。

方案二：输水涵进水口采用梯级放水涵形式；优点：传统工艺,操作简便易行,容易管理,村民接受度更高；缺点：山塘水位较高时不容易操作。

两种方案各有特点,综合以上因素,推荐方案二,输水涵进水口采用梯级放水涵形式的方案。本次设计将放水涵管重建为梯级放水涵形式,涵管管径为0.3 m,管长视各山塘具体情况而定,采用预制混凝土承插管开挖埋管,涵管全段采用C30 砼基础厚300 mm,垫层为C30 砼厚120 mm,涵管单根长2.0 m,接口处采用橡胶圈及水泥砂浆封堵,为防止水流沿管身渗流,在梯级进水口附近及坝轴线附近设截水环,截水环采用C30 砼厚200 mm,垫层为C15 砼厚100 mm。输水涵管出口处接消力池,消力池长4.35 m,宽0.4 m,底板厚30 mm；消力池两侧挡墙采用C30 砼重力式挡墙,顶宽0.35 m,净高1.25 m,背水面坡比1∶0.4。

（2）重建溢洪道

重建溢洪道为开敞式溢洪道,溢洪道宽度视各山塘具体情况而定,溢洪道高度均为1 m,底板采用C30 钢筋砼浇筑,厚度均为0.3 m,垫层为100 厚C15 砼,两侧边墙采用C30 砼浇筑,溢洪道边墙顶宽0.3 m,挡墙总高1.3 m。其中溢洪道进水段长1.00 m,控制段长4.0 m,泄槽段长度依各山塘具体情况而定,消力池段长5.3 m。

（3）坝体灌浆

大坝初拟采用充填灌浆、帷幕灌浆防渗加固,施工前应先进行钻孔实验,确定坝体土层岩性及确定相对不透水层位置。大坝帷幕灌浆和充填灌浆在全面灌浆前必须进行灌浆试验。通过试验,确定灌浆适应性、灌浆的效果,进一步确认灌浆的压力、吸浆量、坝顶充填裂缝的宽度和孔距等参数。充填灌浆采用黏土浆,泥浆容重为1.6 g/cm2；帷幕灌浆采用水泥浆,使用32.5 R 普硅水泥,对水泥细度的要求为通过80μm 筛的筛余量不宜大于5%,当坝体接缝张开度小于0.5 mm时,对水泥细度的要求为通过71μm 方孔筛的筛余量不宜大于2%。帷幕灌浆要求达到相对不透水层以下3 m。

（4）防浪墙

对部分山塘现状高程不满足防洪标准的,在采取坝体修复加固的同时,在坝顶道路迎水面一侧增设0.5 m 高C30 钢筋砼防浪墙。

2.2 大坝坝顶高程复核

根据现行《小型碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

式中：y 为坝顶超高,m；R 为波浪在坝坡上的爬高,m；e 为最大风壅水面高度,m；A 为安全超高,按坝的等级及运用情况选定。

风浪壅高计算公式：

式中：K 为综合摩阻系数,K=3.6×10-6；β 为风向与坝轴线法线方向的夹角,β=0°；W 为水面上10 m 处的风速,m/s；D 为吹程,m；Hm为水域的平均水深,m。

以解塘山塘大坝坝顶高程复核为例,计算结果见表1。

表1 解塘山塘大坝坝顶高程复核表

2.3 山塘加固改造后大坝浸润线计算

根据勘察资料,选取溪南山塘大坝坝体中部最大断面进行渗流计算。

计算参数均根据本次岩土地质勘察结果取其试验值,采用的筑坝材料渗透系数见表2。坝基透水性较弱,在计算时按不透水地基计算。

表2 筑坝材料渗透系数表

计算参数均根据本次岩土地质勘察结果取其试验值,采用的筑坝材料渗透系数,消除安全隐患治理后计算结果见表3。坝基透水性较弱,在计算时按不透水地基计算。

表3 渗流计算成果表

2.4 渗透变形分析

据岩土工程勘察报告,坝体主要为粉质粘土,坝体渗透变形主要为流土形式。

根据地质资料,计算得知大坝填土为粘性土,孔隙率n=0.35,只发生流土型破坏。根据《碾压土石坝设计规范》（SL 274-2020）,坝体填土的临界水力坡降参照以下公式确定：

式中：Gs为比重,γs=1.92 g/cm3；n 为孔隙率,填土n=0.35；J 为渗透坡降；KB为流土安全系数,取1.5。

计算得：J允许=0.40。计算的以上三种情况下J正常=0.16,J设计=0.234,J校核=0.264,均小于J允许,所以,不会发生流土破坏。

3 结语

高莞灌区片远期规划灌溉面积44879 亩,本次现代化改造的灌区骨干工程可以解决18800 亩,同时搭配水库改造提升、山塘加固扩容及提水泵站工程,可以扩大灌溉面积至25800 亩,远期连通九潭水库大型灌区的西高干渠、北东高干渠,将覆盖整个高莞灌区片44879 亩。对连平县小型水源工程进行改造规划后,形成了一个比较完整的灌排网系统,从而能够更好地改善当地的水利条件,提升了当地的农业生产和经营管理能力,从而能够更好地实现农业的高效利用,降低了农户的经济压力,促进农户的生产和收入增长。