短阻长透功能水坝的技术研究

周雍冬

(西赣禹工程建设有限公司，南昌 330038)

0 引 言

在小型水库的设计建造中，通常会在前置库与主库中间，设置短阻长透功能坝，以实现径流拦蓄和源水杂物杂质滤除效能。文章结合案例工程，介绍短阻长透功能水坝的技术结构，探讨短阻长透功能水坝的重点工程参数和功能实现，以为同类工程应用提供技术参考。

1 短阻长透功能水坝技术及案例水坝简介

短阻长透功能水坝是水利工程中土石坝的一种，它主要是利用诸如碎石、砾石、砂石、砂土、卵石等天然土料作为构筑材料，经过人工堆筑或机械碾压构成的一种功能土石坝，利用坝前河道的贮存容积一次或多次地对地表径流水量进行面源控制的技术。短阻长透功能水坝技术主要应用于小型水库或河流的径流拦蓄和水体杂物滤除，在整流和污染治理方面，丰富和完善工程性能和质量。短阻长透功能水坝结构如图1所示。

图1 短阻长透功能水坝结构示意图

该功能水坝是位于主库与前置库之间的功能坝,其主要作用是阻挡隔断功能：尽可能阻挡隔断区间源水,约束源水停留前置库一定时间，以进行生物降解、物理沉淀、植物吸收和实现净化，保证其不能以源水污态直接进入或尽可能少进入主库水体；透水渗透功能：源水停留前置库净化后，要能够通过坝体逐渐渗透到主库区,实现净水交换。这也就是说,此坝体需要具备“短期的阻挡”和“长期的透水”功能。也正因为如此，所以该坝被称为短阻长透功能水坝。

文章将该功能水坝分为2部分:①挡水坝，这是普通意义上的坝体功能,基于这个功能，未净化源水才能被拦截在前置库中,实现净化过程。②半透水槽,此技术构成部件设置在挡水坝靠近前置库的一侧,其功能是未净化源水在前置库中实现充分净化以后,要经过该槽，按要求渗透到主库水体中,与主库水体形成交换。

短阻长透功能水坝技术的核心是快速渗透原理，其渗透系数通常要远远大于普通钢筋混凝土坝。但是当坝体不能胜任渗流的情况下，亦容易发生管涌现象，严重威胁坝体稳定。该型水坝在设计的时候，如果未结合实际情况，或者是未按标准规范进行施工，则很容易使坝体出现质量问题。其长透功能设计的好坏，将事关径流停留的时间。其短阻功能设计的好坏，关系未来水净化的效果。

文章案例水坝是南方某市重要的调蓄水库工程的组成部。该水库总设计库容量1982万m3,设计洪水位75.3m，正常蓄水位75.0m。该水坝设计为高程处库底60m，一般运行水位68.8m，最高运行水位72.5m，最低运行水位65.15m。

2 案例水坝坝体剖面及高程参数

坝体剖面参数：堤底宽为580cm，净宽为450cm，坝体高程为7830cm，在基体两边分别设有100cm的防浪墙。除此之外还需要在坝体坡面填筑石渣，填筑高度应与漏出水面的高程为主，从而形成功能强大的截留面，并具有一定的排水作用。戗堤顶宽为450cm,上下游边坡的长度略有不同，其比例为1∶1.5。抛填块石以后，应该及时清理河床覆盖层以及沉积的砾石，为了确保剖面牢固可靠，还应该向水中加入一定比例的黏土。黏土和块石戗堤之间需设置3m厚反滤层，将大大提高坝体的稳定性。水面以下填料经过处理以后可以形成基平台，在此基础上开始高程填筑施工，这时上下游边坡的比例发生了一定的变化，从原来的比例变成了1∶2，在高程处应该设置1.5m宽的马道。

坝体高程参数：本案例坝体高程参数符合《碾压式土石坝设计规范》中的相关规定,由该规定可知坝顶高程等于水库静水位与超高之和。因此对于一些中小型石坝来说，高程可以通过风在水库中的吹程得出一个近似值。具体参见表1所示。

表1 (R+e)的近似估计值一览表

在计算库水位和超高的时候有三种计算方式，这三种计算方式分别对应不同的运算条件。但是无论取哪种计算方式都应该把每组中求得的最大值当做水库大坝设计高程。三种设计方式都应该取该组的最大值。三种运行条件计算坝体顶高程的比较如表2 所示。

表2 3种运行条件计算坝体顶高程的比较一览表

最终求得水库目前坝顶高程为78.30m，设计结构为半透水形式，一方面可以起到双向挡水的作用，另外一方面短阻长透功能水坝高程和主库区顶坝高程相符合。满足挡水需要，而且也不低于78.09m高程的要求。

3 短阻长透功能案例水坝半透水槽结构型式

为了确保坝体具有短阻长透的功能，案例水坝在高程区设置了半透水槽，这样做不但保证了坝体的功能不受影响，同时也为后期维修管理工作带来了巨大的便利。混凝土垫层厚度为30cm，厚度为10cm，底部厚度为20cm，其过水面积为2×3.5m。因为透水槽较长，所以施工过程中应确保长度平行于坝体轴线。透水池横剖面如图2所示。

图2 透水池横剖面图

因为在滤池中装上了砂土，也就不需铺设支持层，工作人员只需把找平层抹平即可，最后还需要铺设一层土工膜。但是施工过程中我们应该格外注意的是避免土工膜过紧，通常情况下为了保证具有良好的防渗效果，设计人员还会要求工人在土工膜上面铺设20cm左右的过渡层，过渡层可以用石料也可以用砂土。由于混凝土池壁与土工膜连接处容易出现空隙，为了避免该位置渗漏还应该在连接处涂刷2mm厚的沥青。

4 短阻长透功能案例水坝半透水槽填充砂料系数的确定

前置库的雨水经过净化后会经过半透水槽流经水库中，因此半透水槽结构设计是否合理、砂砾质量能否满足要求成为长期透水功能实现的关键。砂砾渗透系数是一个非常重要的参数，它决定了雨水停留的时间和透水槽的长度。由于前置库中的水停留一段时间后才进入下游水库，所以，渗流透水池的时间T是确定砂料系数的重要依据。设坝体上下游的水头差为1m，透水池的渗流长度分别为20、25、30、35时,则时间T与渗透系数K的关系曲线如图3所示。

图3 时间T与渗透系数K的关系曲线

当暴雨雨水在前置库中的停留时间超过24h以后，可以有效去除水中80%以上的悬浮固体，参照图5-7曲线图,确定透水槽渗透系数为初步选取透水槽的渗透系数为0.5cm/s，渗径长度为30m。

5 短阻长透功能案例水坝半透水槽填充砂料的分段与作用

由渗透系数0.5cm/s以及30m的渗流长度最终确定透水槽长度为40m，为了起到防淤堵的效果把半透水槽分为渗流段和净化段，具体如图4所示。

图4 半透水槽防淤堵渗流段和净化段图

渗流段：雨水在前置库中需要停留1-2d的时间，再停留的时间内需要进行物理沉淀、生态降解等。由此可以看出渗流段的作用主要是控制渗流速度、延长渗径，确保前置库中的水得到充分净化。施工的时候通常在透水槽中部位置装置均质砂料，确保渗透系数不高于0.5cm/s左右。

净化段:前期沉降吸附以后仍然会有一部分未降解的悬浮物存于水中，设计半透水槽一方面可以在雨水到达主库前去除这些悬浮物，另外一方面也避免了悬浮物流入渗流段。半透水槽去除悬浮物的过程是一个非常漫长的过程，因此水槽中的砂料时常出现淤堵的现象。当枯水期前置库水位较低的时候，主库的水会经过半透水槽进入到前置库，从而为前置库提供了充足的水量，为水库正常运行提供了保证。从结构来看半透水槽承担着双向输水的作用，为了避免半透水槽内渗流段砂料被淤堵，常常在槽两端分别留有5m长的净化段。

6 结 论

文章结合案例工程，将短阻长透功能水坝在结构上划分为挡水坝和半透水槽两个主要功能部分进行了研究，文中介绍了短阻长透功能水坝的技术结构，梳理了短阻长透功能水坝的重点设计参数和功能。显然，短阻长透功能水坝须胜任径流拦蓄和水体杂物滤除的功能要求。为实现这个功能，分段半透水槽的设计相对关键，采用分段半透水槽的方式利于避免出现淤堵，也利于日后维护和管理。

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