平朔东露天矿工业供水调蓄水池设计方案研究

曹继彦

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

平朔煤炭工业公司东露天矿位于宁武煤田北端。需水对象为东露天煤矿、东露天煤矿选煤厂，附属用水单位的生产、生活及消防用水，神朔坑口电厂生产用水。

平朔煤炭工业公司东露天矿的供水水源有两个：一是东石湖泵站引水工程的拦河取水枢纽，该枢纽主体为源子河上的11孔拦河闸和设于河道右岸的取水闸，设计引水流量0.1 m3/s；二是通过约26 km的输水管线从山西北引黄工程的大梁调蓄库引水，设计流量0.5 m3/s。两工程联合调度，优先利用东石湖泵站引水，不足部分由引黄水补充。下文提到的调蓄水池即为两水源的共用蓄水池。

调蓄水池设计总容积32万m3，建筑物等级4级，相应洪水标准为10年一遇洪水设计，30年一遇洪水校核。东石湖泵站引水工程年供水量300万m3，引黄供水工程年供水量1 000万m3，两工程年总供水量1 300万m3，供水保证率95%以上。

2 需水现状

2.1 工程用水需求

神朔坑口电厂位于东露矿工业广场北部薛家港附近，建设规模6×600 MW，年需水量900万m3。

2.2 水文地质及可用水环境

东露天矿位于管涔山脉北段，水资源匮乏，当地群众饮用水为上层滞水，由于井水位较深，四周村民多至乔儿界、薛家港一带泉群分布处拉水作为生活用水；另一地下水为奥陶系岩层中的地下潜水，埋藏在谷底以下180 m左右，高程1 060～1 070 m，地下水源远不能满足工业用水需要。

3 调蓄水池设计方案研究

3.1 一池和多池方案

调蓄水池总蓄水量32万m3，如只修建一个水池，其规模相当于一个小（二）型水库，管理模式和运行控制标准都相应提高，且增加了水池覆盖难度。鉴于用水户较分散，结合地形特点及建筑物分布，拟选择5个水池对各用水户供水方案进行比选，由于用水户引水峰值具有不确定性，各用水户需从水池交叉引水，相应带来了引水系统交叉现象，由此增加了管理难度，不方便统一调度、集中管理；引水管线互相交叉且需避开输煤等管道，相应增加了工程投资。鉴于上述原因，调蓄水池设计最终选择一池方案。

3.2 位置选择

调蓄水池尽量靠近东露天矿工业广场，方案一是将调蓄水池设于1 393 m和1 404 m两山头连接低洼处，池长沿山梁布置，长300 m、宽70 m，为半填半挖式结构，池底高程1 370 m，设计水位1 386 m。方案二是将调蓄水池位置移至1 407 m高程山头。该山头地形高、面积大，蓄水池体型依地形调整为倒置圆台形，池底半径72 m，为半填半挖式结构，池底高程1 390 m，设计水位1 405 m，较可研设计水位抬高19 m。

经工程量计算，两方案土石开挖等主体工程量基本平衡，但可研方案相对设计水位较低，不能满足工业广场自流供水要求。方案二可节省二次加压投资，满足工业广场自流供水要求，节约水能19 m，缩短供水管线长约700 m，节省工程投资，因此将调蓄水池放至1 407 m高程山头。

3.3 覆盖条件

调蓄水池位于源子河右岸枪风岭村北一山包上，该处地表岩性为低液限粉土，由于朔州气候干燥多风，多具扬沙天气，对蓄水有一定污染；东露天矿为揭露地表覆盖层后露天开采，为保证引用水质，调蓄水池宜覆盖。但调蓄水池为一直径150～200 m的近似圆形结构，水面面积约30 000 m2，只能采用造价昂贵的轻型结构，仅此一项投资将近5 000万元。经分析，调蓄水池如果不覆盖，其水质能满足用水户生产用水需求，生活用水部分经平朔煤炭工业公司进行水处理后水质可满足要求，故调蓄水池选用不覆盖方案。

3.4 池壁结构

为节省工程投资，调蓄水池结构最初设计为半填半挖式，下部开挖部分为0.2 m厚C20现浇混凝土护坡，上部回填部分为均质土坝，利用开挖土筑坝，坝顶宽 6.0 m，迎水面边坡 1∶1.5，背水面边坡 1∶2.5，迎水面表层设0.2 m厚C20现浇混凝土护坡，垫层为厚0.3 m浆砌石，下设两布一膜土工布防渗。池体结构上部为利用开挖土回填筑路坝，鉴于调蓄水池工业供水的重要性，其结构采用能充分利用场地开挖石料的当地材料坝型——混凝土面板堆石坝和钢筋混凝土结构型调蓄水池进行方案比选。

方案一：混凝土面板堆石坝体调蓄水池。调蓄水池水池设计为倒置圆台式结构，分上、下两部分，下部为基岩开挖后衬护面板，上部为面板堆石坝。池底半径72 m，随着基岩面高程的加高，调蓄水池半径不断增大，池顶最大半径达102.2 m，池底高程1 390.0 m，环向长（混凝土面板堆石坝坝顶）628.03 m，宽5.0 m，池顶高程1 407.0 m，设计水深15 m，容积32.0万m3。

调蓄水池采用C25钢筋混凝土面板防渗（内掺防渗外加剂），面板厚0.4 m，下部基岩开挖部分边坡1∶0.75，上部混凝土面板堆石坝体临水侧边坡1∶1.5，地面以上背水边坡1∶1.4，地面以下背水边坡1∶1.2；池底采用C20钢筋混凝土防渗（内掺防渗外加剂），底板厚0.4 m。调蓄水池池顶设交通道路，路面宽5.0 m，临水侧设1.2 m高防浪墙。

混凝土防渗面板垂直缝、混凝土面板坝趾板垂直缝以及防浪墙和面板、面板和趾板之间分缝均设铜片止水，并在分缝表面设SR塑性填缝；底板每10 m设一分缝，缝内设Ω铜片止水，沥青浸渍木板填充。

方案二：钢筋混凝土结构调蓄水池。调蓄水池为圆形，半径（内径）100 m，池底高程1 394.0 m，设计水深10 m，池高11 m，容积31.4万m3。池身为分离式C25钢筋混凝土结构，内掺防渗外加剂。池壁为箱涵式挡土墙结构，箱涵顶宽6.0 m，墙高11.0 m，侧壁厚0.5～0.8 m，面坡垂直，墙背略带斜坡，箱涵内回填土石。为满足挡土墙抗倾和地基应力要求，箱涵两壁每2 m加一肋；墙踵悬挑长度1.0 m，墙趾悬挑长度2.0 m，底板座落于基岩上，厚0.4 m，宽8.0 m。为防止池身混凝土变形，池壁及池底每10 m左右设一变形缝，缝宽20 mm，缝内设Ω铜片止水，底板和池壁错缝布置。为安全起见，在池壁顶部设1.0 m高的钢栏杆。

调蓄水池进水管垂直正下方设消力池，调蓄水池右侧冲沟方向设集水排沙坑，坑底设排沙管，底板向集水排沙坑方向设0.5%底坡集水排沙。

通过对两方案工程量及工程投资比较，方案一利用开挖石料填筑坝体，可充分利用当地材料，节省弃渣占地，混凝土面板堆石坝具有较强的适应地基变形能力，且较方案二可节约投资438.2万元，故本设计调蓄水池推荐方案一。

此外，鉴于工程的重要性，对池壁混凝土面、趾板防渗、抗裂等性能进行了优化设计，选用了KIM混凝土防水外加剂。

4 调蓄水池设计

4.1 结构设计

调蓄水池为圆台形，池底为圆形，半径72 m，底高程1 390.0 m。具体设计结构见混凝土面板堆石坝体调蓄水池设计方案。为方便调蓄水池清淤、检修，由中隔墙体分为两部分，进口管中心线高程1 394.5 m，采用跌水消能；两侧水池分别布置出水管，管径0.8 m，管中心线高程1 391.0 m。

调蓄水池清淤时运用泄水放空管放空池内蓄水，泄水放空管中心线高程1 390.0 m，管径1.2 m，调蓄水池混凝土面板堆石坝坝趾及底板下设排水系统排除渗水。调蓄水池底部及趾板基础均对地基岩石进行固结灌浆处理，累计灌浆长度10 005 m。

4.2 设计特点

参照国内外混凝土面板堆石坝筑坝经验，结合本调蓄水池实际情况，其设计具有以下特点：

一是安全性。混凝土面板堆石坝坝体堆石内摩擦角一般大于45°，且堆石为自由排水材料，在堆石体内不可能形成浸润线和孔隙水压力；坝体堆石为非冲蚀性材料，在有渗流水流通过时，不会因细颗粒被带走而发生类似土体的管涌等渗透破坏问题，坝体不存在渗透稳定问题；面板碾压堆石达密实状态，具有良好的抗震性能，在施工期可完成绝大部分沉降变形，对安全运行十分有利。

二是就地取材。从筑坝材料上讲，调蓄水池池壁上部结构为混凝土面板堆石坝，其充分利用了东石湖泵站引水工程拦河枢纽和调蓄水池处的开挖石料，合理利用了有效材料，减少了弃渣，节约了成本。

三是高标准防渗系统。调蓄水池位于源子河右岸枪风岭村北山包的南侧山坡上，北高南低，下伏基岩为砂岩、砂质泥岩，具中等—强透水性，局部为弱透水性，地下水位埋深较大，蓄水池渗漏较严重，而东露天矿主要是缺水，因而要求水池有较好的防渗系统。调蓄水池底板、上及下部池壁面板采用防渗混凝土，即在普通混凝土中加入KIM混凝土防水外加剂对基岩进行固结灌浆处理可大大减少地基渗透。

四是严密的分缝、止排水系统。调蓄水池底板、面板及趾板伸缩缝内均设两道止水，混凝土面板堆石坝体为透水坝体，坝脚处设环向排水沟将泄水汇至地形最低处，并将弃水引入调蓄水池东侧冲沟。调蓄水池底板纵、横缝下设0.4 m×0.3 m（宽×深）排水沟，汇水汇至上述汇集排水沟。

五是合理的进出水系统。供水管线在调蓄水池前分成两道，分别对蓄水池两侧进行充水，以便于调蓄水池在一侧检修、清淤时不间断供水。但此时水池的另一侧需低水位运行，调蓄水池两侧分别设出水管，方便调蓄水池低水位运行时单侧供水。

六是配套的泄水放空设施及弃水回收设计。在两侧水池底部南侧均设置泄水放空管，两管线在池外汇合为一条泄水放空管后将弃水引入东侧冲沟，并接入弃水回收池进行重复利用，缓解了用水紧张状况。

七是安全的水位、渗流、变形监测设施。沿调蓄水池池壁面板设3个水位监测点，监测安全可靠，满足水位自动化要求。调蓄水池东侧集水沟内布设量水堰，对堆石坝体渗漏量进行监测，并在堆石坝体上布设位移监测断面，对坝体变形进行监测。

八是人性化管理系统。混凝土面板堆石坝坝顶设5.0 m宽路面，满足人行、车巡要求，方便管理人员随时巡检。调蓄水池北侧设上坝公路连接坝顶交通和电站进站公路，保证了调蓄水池的对外交通。

5 结语

东石湖泵站引水工程建成后，可解决平朔煤炭工业公司东露天矿用水紧缺甚至无水问题，调蓄水池为东露天矿的煤炭开采和生活用水提供了可靠的储水和调蓄设施，并为水工面板堆石坝在工业蓄水设施的应用提供了先例。