山塘分类整治典型结构设计方法探讨

赖 勇,牛 坤

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

山塘整治、灌区改造、节水灌溉是小型农田水利重点县建设的三大建设内容,山塘整治同时也是 “强塘”工程的重要建设内容[1]。承担着农业灌溉、农民饮水、农村环境、农居消防等综合功能的山塘是山区农民赖以生存的基础。浙江省现有山塘约1.8万余座,存在数量多、隐患多、投入少、管理弱等诸多问题。山塘整治设计工作规模小、项目多、时间紧、任务重。重点县建设项目分3 a实施,每年单个县市山塘整治的项目一般都在十几个以上,有的更是多达几十个,而山塘特别是屋顶山塘往往施工质量差、管理差、安全隐患突出,在缺乏地质勘探以及统一的建设规范和技术标准的前提下,合理、高效地进行针对设计,根除隐患是设计人员实际面临的难题。为此,根据水库除险加固的经验和山塘的工程实际,提出山塘分类整治典型结构设计方法,供探讨。

2 山塘特点及存在的问题分析

2.1 山塘特点

山塘是建设在山区、丘陵地区的正常蓄水位高于下游地面高程、总容积在1万～10万m3的蓄水工程。枢纽建筑物一般由大坝、溢洪道、输水涵管3部分组成,常见坝型为黏土心墙坝、均质土坝、混凝土坝、堆石坝、砌石坝等类型,其中均质土坝最多。最大坝高一般不超过20.0 m,坝高在15.0 m以内的占80%以上。

2.2 常见的问题

山塘大多数建设于20世纪五六十年代,简易勘探、缺乏设计以及当时的施工条件是造成工程质量差的主要原因,山塘常见的问题如下[2]:

(1)大坝填筑质量差、坝顶高程不足,坝顶无防护,雨水冲刷消落严重,坝坡大部分无护坡,少部分护坡块石风化严重,坝顶及坝坡因疏于管理杂草丛生,坝顶无交通条件;

(2)溢洪道泄洪能力不足,渠底及边墙无护坡或护坡风化严重,下游泄槽淤积严重,不少山塘原溢洪道已报废,靠坝顶挖槽或简易的埋管泄洪;

(3)输水涵管大多为坝体埋管,基本上都存在渗漏隐患,涵管进口启闭设备大多数已报废,闸门关闭不严,由于渗漏严重部分山塘已将涵管彻底封堵,灌溉供水功能得不到发挥;

(4)部分山塘无上坝公路,施工材料及设备靠人力或牲畜才能运达。

3 大坝分类及典型结构设计

山塘坝高应满足导则[1]的要求,坝顶宽度不小于3.0 m,混凝土坝、砌石坝坝坡应满足结构稳定以及基底应力的要求,黏土心墙坝、均质土坝以及堆石坝上、下游坝坡坡比(多级坝坡指平均坡比)不小于表1的要求。

表1 山塘土石坝、堆石坝坝坡要求

大坝防渗加固应结合现场检查情况,有的放矢,加固方案根据坝型分类选择。

3.1 黏土心墙坝及均质土坝

3.1.1 防渗加固方案

大坝防渗加固一般选择在原防渗体部位进行,对黏土心墙坝及均质坝,可采用垂直防渗方案进行防渗加固,包括套井回填和倒挂井防渗墙方案。

套井方案是对填筑质量较差的心墙黏土采取置换的一种处理方法,目前国内一般采用套井施工的处理最大深度在30m左右,处理山塘大坝质量有保障,但需有上坝公路把设备运送至坝顶,另外,考虑设备布置坝顶套井施工平台宽度不宜小于8.0 m,因此,坝顶宽度较小的坝在套井施工时宜适当降低施工平台高程以满足施工机械布置要求。

与套井方案相比,倒挂井防渗墙无设备运输及施工机械布置问题,工作人员可以下井工作直接封堵涵管,还具有成墙整体性好,质量可靠,防渗效果好等优点,对坝顶不均匀沉降影响也小,但施工工序较烦琐,工期较长,并且要在无渗流或渗流不明显,施工安全有保障的前提下实施。

除垂直防渗方案外,对于上游为土质边坡的黏土心墙坝以及均质坝,还可以考虑上游黏土斜墙或迎水面增设土工膜进行防渗加固[3],其中土工膜防渗方案考虑防渗系统密实性对施工要求较高,耐久性相对其他方案要差。

综合以上分析,对于山塘黏土心墙坝及均质土坝,标准化防渗加固时,首选黏土套井防渗方案,套井施工机械难以运达坝顶时,再考虑上游土工膜防渗方案、上游黏土斜墙方案或倒挂井防渗墙方案。

3.1.2 坝顶、坝坡及细部结构

套井防渗、土工膜防渗的土石坝标准化设计典型结构分别见图1、2。

图1 套井防渗典型结构图

图2 土工膜防渗典型结构图

(1)坝顶结构:坝顶C20混凝土路面厚20 cm,下设30 cm厚2道灰土垫层,路面向下游侧放坡1%,上游侧设M10浆砌条石防浪墙,下游侧设条石路缘或绿化带。

(2)上下游坝坡:上游坝坡采用混凝土预制块护坡,厚15 cm,下设10 cm厚碎石垫层;下游坝坡采用混凝土网格梁间植草皮护坡,种植土厚度30 cm,种植土表面低于混凝土网格梁表面5 cm。

(3)细部结构:下游坡岸坡及坡脚设排水沟、坝坡中部设上坝踏步、下游坡脚设堆石排水棱体;当上游坡放空存在困难时,上游坡脚设抛石大方脚平台;采用土工膜防渗时,土工膜周边设混凝土底座。

3.2 混凝土坝、堆石坝、砌石坝

3.2.1 防渗加固方案

混凝土坝主要是坝基以及坝基接触带存在防渗问题,坝体除伸缩缝外一般不存在防渗问题,如存在坝基渗漏,则进行帷幕灌浆处理,帷幕灌浆孔孔距2.0～2.5 m,孔深深入相对不透水层(q≤10 Lu)以下5.0 m,2坝头延伸至正常蓄水位与相对不透水层交界处即可。坝体伸缩缝渗漏一般可在表面加设1道SR止水处理。

堆石坝、砌石坝一般采用在迎水坡表面加设1层C20W4F50混凝土面板进行防渗加固,面板厚度30～40 cm,采用锚筋与后部坝体连接,底部周边设混凝土底座,坝顶长度较大时面板设垂直伸缩缝,缝内设铜片止水,并采用浸沥青杉木板嵌缝。

3.2.2 坝顶、上下游坝坡

混凝土坝坝顶及坝坡基本可不作改造,堆石坝、砌石坝加固典型断面见图3。

(1)坝顶结构:坝顶C20混凝土路面厚20 cm,路面向下游侧放坡1%,上游侧设M10浆砌条石防浪墙,下游侧设条石路缘或绿化带。

图3 面板防渗典型结构图

(2)上下游坝坡:上游坝坡表面增设C20W4F50混凝土衬砌层,厚30～40 cm,下游坝坡干砌块石表面考虑排水原则上不应勾缝,考虑美观采用浆砌石重新护面或M10水泥砂浆勾凸缝处理后,需增设排水管。

4 溢洪道典型结构设计

山塘由于库容小,汇流时间短,调洪时不考虑调蓄能力,按导则[1]计算基本都比现状规模大得多,溢洪道结构上可以分为进口段、泄槽段、消能段3段,进口段可采用自由溢流的开敞式溢流堰。

4.1 正槽溢洪道

当计算溢洪道泄洪孔口宽度不大时,可以采用正槽式溢洪道,底流消能以及挑流消能典型溢洪道结构分别见图4、5。

图4 底流消能正槽溢洪道典型结构图

图5 挑流消能正槽溢洪道典型结构图

(1)进口段:山塘整治原则上不应加高大坝,为保证效益,降低溢洪道堰顶高程也不合理,在不增加过流宽度的前提下,进口设实用堰可以加大过流能力;进口段与坝体连接部位,坝体侧防渗体开挖边坡不宜陡于1∶3,溢洪道边墙与坝体或岸坡连接部位背水坡不宜陡于1∶0.5,否则接触部位应压实质量不好容易渗漏。

(2)泄槽段:泄槽段可采用混凝土U型薄壁槽结构,与坝体接壤时,考虑美观,边墙顶部可按与下游坝坡表面齐平或略高设计,末端采用底流消能方式时,陡坡泄槽可设置台阶式消能,减少下游消力池消能压力。

(3)消能段:消能段可采用混凝土U型薄壁槽结构,底流消能时下游可再接一定长度的衬砌渠道进行保护,挑流消能时如下游为土渠应复核冲坑是否影响坝脚安全,否则应进行衬砌防护。

4.2 侧槽溢洪道

当溢流宽度较大,正槽溢洪道难以满足过流能力要求时,可考虑采用侧槽溢洪道[4],典型结构见图6。

图6 砌石坝正槽溢洪道典型结构图

侧槽溢洪道进口段长度不受坝长限制,薄壁堰泄流能力也较大,当山体边坡较陡时还可以采用L形溢流堰,既节省工程量又可进一步加大过流能力。侧槽溢洪道除进口段结构不同外,泄槽段、消能段结构设计与正槽溢洪道设计类似。

5 输水涵管典型结构设计

土石坝坝下涵管原则上应废除,输水涵管改造根据实际情况可采用虹吸管、带面板防渗的砌石坝内钢管外包混凝土涵管以及岸坡基岩中埋管3种方式。

5.1 虹吸管

虹吸管[5]典型结构布置见图1。涵管在坝顶部位高程应高于正常蓄水位,以免管壁周边接触产生渗漏。上游进口设进水池,可起防止淤积以及过滤杂物的作用。涵管段布置于护坡下部,在无需加大开挖工程量的同时,有利于涵管的抗冻及防腐,也有利于美观,下游坡脚设阀门井,操作简单。

5.2 带面板防渗坝内埋管

带面板防渗坝内埋管典型结构布置见图3,涵管采用外包混凝土钢管,在新建的面板内管壁周边设截水环进行防渗,涵管在坝后设阀门控制启闭,当涵管出口需要与下游渠道连接时,出口可参照图1改为暗埋式设计。

5.3 岸坡基岩内埋管

岸坡基岩内埋管一般采用外包混凝土钢管,梯形开挖,两侧边坡不陡于1∶0.5并将外包混凝土振捣密实即可保障混凝土表面与岩石表面不发生接触渗漏。

6 结 语

根据山塘建筑物特点以及常见问题,提出了山塘分类整治典型结构设计方法,在水库土石坝结构基础上进行了简化以及优化设计,所设计典型结构基本涵盖了山塘整治的关键点,供广大设计人员探讨。

[1]郑敏生,董浩,苏玉杰,等.浙江省山塘综合整治技术导则(试行)[S].杭州:浙江省水利学会农村水利专业委员会发布,2009.

[2]陈斌,陈晓东,董浩,等.小型土坝防渗加固处理问题探讨[J].中国水利,2011(8):31-32.

[3]顾淦臣,束一鸣,沈长松.土石坝工程经验与创新 [M].北京:中国电力出版社,2004.

[4]赖勇,唐毅,顾锡春,等.L形溢流堰侧槽溢洪道水力设计与试验研究 [J].水利与建筑工程学报,2010,8(2):80-82.

[5]朱勇豪.浅析虹吸管在小型水库、山塘运行中的应用[J].四川建材,2010,36(155):285-289.