静宁县引洮供水二期调蓄水池优化设计

郭永峰

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

甘肃省引洮供水二期配套静宁县城乡供水工程位于甘肃省平凉市静宁县，主要为静宁县城提供城镇用水和工业用水。工程主要内容包括：调蓄水池1座（容积196万m3）；水厂供水管线2条。其中县城调蓄水池至水厂管线长1.85 km，静宁专用输水管八里铺分水口至水厂管线长2.19 km，加压泵站1座等。

调蓄水池主要建筑物有大坝、进水口和出水口等，主要建筑物级别为3级，其设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇。

调蓄水池位于葫芦河河道左右岸漫滩及Ⅰ、Ⅱ级阶地上，坝基涉及的地层岩性主要为全新世Q42pl和Q41pl土层，Q42pl部分土层具有湿陷性，土层湿陷性分布呈现厚薄不均的态势，土层的湿陷强度与湿陷量参差不齐，其湿陷下限深度范围8.0 m，因此坝基土层存在不均匀变形问题。

调蓄水池池底地层大部分为全新统早期低液限黏土，厚0～3.5 m，池底部分地段级配不良砂、级配不良砾出露。低液限黏土层具弱透水性，级配不良砂、级配不良砾具强透水性，且连续分布，构成渗漏通道，存在渗漏问题。此外，池底以下低液限黏土，结构松散，分布不均，其下多为级配不良砾、级配不良砂。低液限黏土结构松散、分布不均，具有湿陷性。

2 原方案情况

2.1 原调蓄水池概况

原方案中调蓄水池位于静宁县城北侧2 km高崖村的葫芦河左右岸漫滩及Ⅰ、Ⅱ级阶地上，紧邻葫芦河河道左侧，并侵占部分原河道，葫芦河“U”型河道段需要裁弯取直，并对河道进行防洪治理，然后利用弯道段的河滩地布置调蓄水池。

调蓄水池为半挖半填的平原围封水池，大坝环型布置，坝型为碾压均质土坝，其平面形状为边角修圆的五边形，调蓄水池库容194万m3。池底最大净长646m，最大净宽325 m，池底高程1 658.00 m，池顶高程1 668.00 m，防浪墙顶高程1 669.20 m，最高蓄水位1 666.70 m，设计水深8.7 m；填筑土料为池底开挖土料，压实度不小于0.96。围封水池大坝最大坝基宽59 m，坝顶宽6.0 m，坝高10 m，坝轴线长度2018.8 m；大坝迎水面坡1∶2.75，坝坡自下而上依次为50 cm厚10%水泥土垫层，后铺PE复合土工膜，膜上设100 mm厚M 10水泥砂浆垫层，后铺设100 mm厚C 25混凝土预制块护坡，背水坡面1∶2.0，采用混凝土网格内植草护坡。池底防渗布置自下而上依次为：池底复合土工膜下铺设200 mm厚细砂垫层，复合土工膜上铺800 mm厚壤土垫层。

2.2 调蓄水池进水口

调蓄水池进水口位于大坝西南侧，入库最大设计流量1.30 m3/s。水流入库消能型式为陡坡消力池消能，进水口建筑物主要由进水管线段、消能箱、箱涵段，陡坡、消能段、消力池、出口护坦组成。

2.2.1 进水管

静宁县城调蓄池进水管线为静宁输水骨干管线，采用DN 800钢管，从静宁输水渠27号隧洞取水，进水管埋深2.0 m，进水管管材采用DN 800内外涂塑钢管，壁厚10 mm，外防腐采用热熔聚乙烯（PE）防腐，厚度1.2～1.5 mm，内防腐采用热熔结环氧树脂粉末（EP）防腐，厚度0.3～0.4 mm。

2.2.2 消能箱

进水管道从外坡脚爬坡上至坝顶消能箱。消能箱（长×宽×高）2.68 m×2 m×1.5 m，胸墙高0.75 m，尾坎高0.34 m，底板厚度0.5 m，边墙厚度0.4 m，顶板厚度0.4 m。

2.2.3 进水箱涵

为改善流态，消能箱后接进水箱涵。进水箱涵（长×宽×高）6 m×2 m×1.5 m，纵坡1/3000，最大设计水深0.85 m。

2.2.4 陡坡、消力池

陡坡段水平长度22.275 m，坡顶高程1 666.50 m，坡底高程1 658.00 m，高差8.5 m，坡宽2.0 m，边墙高2.0 m。消力池池长5.0 m，宽度2.0 m，池深0.8 m，池底高程1 658.00 m。水流出消力池后即为池底区，消力池两边及顺水流方向3 m范围铺设700 mm厚C 20素混凝土护坦，护坦顶高程1 658.00 m。

进水消能箱、箱涵、陡坡及消力池均为C25W6F150钢筋混凝土结构。地基土具湿陷性，经过强夯处理。建筑物底板下铺设有150 mm厚C 15素混凝土垫层及300 mm厚细砂垫层。

2.3 调蓄水池出水口

出水口位于调蓄水池东南侧，蓄水池设置1000mm出水钢管和放空钢管（坝内共用）。出水设计流量1.15m3/s，出水建筑物包括：出水池、出水管和泄水管线、泄水阀井等。

2.3.1 出水池

为保证出水管道的淹没要求和流态顺畅，出水口设置了出水池，出水池矩形结构，（长×宽×高）3 m×3 m×3.8 m，底板厚度0.5 m，边墙厚度0.4 m，C25W6F150钢筋混凝土结构。地基土具湿陷性，经过重夯处理。建筑物底板下铺设有150 mm厚C 15素混凝土垫层及300 mm厚细砂垫层。

2.3.2 出水管

坝下埋管管材采用DN 1000钢管，壁厚12 mm，现浇C 25钢筋混凝土外包封，厚度30 cm，每间隔5～10 m设一道伸缩缝，并在混凝土外侧设置混凝土截水环，截水环突出混凝土管道外径50 cm。坝下埋管出坝体后设置三通，在泄水支线上设置泄水阀井，阀井内设泄水阀。出水管道直接通过岔管连接泵站；泄水支线进入下游葫芦河沿岸。钢管外防腐采用热熔聚乙烯（PE）防腐，厚度1.2～1.5 mm，内防腐采用热熔结环氧树脂粉末（EP）防腐，厚度0.3～0.4 mm。

2.3.3 泄水阀井段

管道出坝体后在泄水支线上设泄水阀井，阀井内布设泄水阀，阀井段（长×宽）3.0 m×3.0 m，为C25 W6钢筋混凝土结构，阀室壁厚0.5 m，阀室底板厚度0.6 m，无上部结构。建筑物底板下铺设有150 mm厚C 15素混凝土垫层及300 mm厚细砂垫层。

2.4 初步设计阶段发现的问题

一是改河段需要对相关工厂进行拆迁，据调查，涉及工业企业有7家，初步估计拆迁投资1.6亿元左右，拆迁任务大，协调难度大，拆迁完成时间难以把控，导致后期主体工程施工无法控制。

二是改河方案将对工程区内的国防光缆产生直接影响，现国防光缆为埋地布设，与拟改河段垂直，改河时，大约100 m国防光缆将暴露在外，需向相关部门申请施工时如何处理，周期长，费用大，影响多。

三是相关河道改道前河底平均坡度为4.4‰，改道后，河底平均坡度变为8‰，河道宽度也由100～200 m变为不到100 m，考虑原河道已存在多年，基本稳定，改河后可能对上下游产生长期影响，引起各种不利因素。

四是改河后，调蓄水池无法直通至葫芦河右岸的县道，需新建对外交通道路。

3 方案优化

初步设计阶段调蓄水池在原方案的基础上向西侧偏移约50 m，位于葫芦河主河道右岸与乡间道路东侧的漫滩及Ⅰ、Ⅱ级阶地上，不侵占葫芦河主河道和果园及工业厂房，对国防光缆没有直接影响。在葫芦河右岸临调蓄池大坝一侧按300年一遇校核洪水进行防护，对葫芦河行洪不会造成大的影响，也不会对调蓄池大坝产生危害。调蓄水池平面形状为边角修圆的七边形，调蓄水池大坝选用土石坝，蓄水池为半挖半填的平原围封水池，大坝环型布置，坝型为碾压均质土坝。调蓄水池库容196万m3，池底最大净长617 m，最大净宽425m，池底高程1660.50m，池顶高程1670.50m，防浪墙顶高程1 671.70 m，最高蓄水位1 669.20 m，设计水深8.7 m，填筑土料为池底开挖土料，压实度不小于0.98。最大坝基宽64 m，坝顶宽6.0 m，坝高10.5 m，坝轴线长度1 954.9 m，下游坝坡临河一侧，在原50年一遇防洪堤设计的基础上，根据葫芦河300年一遇洪水标准，采用坝体回填标准填筑坝体，培厚作为防洪堤，堤外边坡1∶2.0，堤顶宽度5.0 m，防洪堤采用混凝土贴坡防护，厚度0.3 m。池底防渗布置，自下而上依次为500 mm厚10%水泥土垫层、PE复合土工膜，膜上部为800 mm厚壤土保护层。

坝体结构和防渗形式以及上下游坝坡防护进水口、出水口建筑物结构，组成均与原方案相同。初步设计阶段主要从以下方面进行了调整和优化：

3.1 调蓄水池位置优化

原方案对葫芦河进行了裁弯取直，调蓄水池布置在改道后的葫芦河左岸。根据地形测量资料并分析后，认为不需对河道裁弯取直，在葫芦河右岸也可以布置调蓄水池，减少工程永久占地，降低施工影响，减少对工业企业的拆迁补偿，降低工程投资，同时，调蓄水池布置于葫芦河右岸临近省道，施工期交通便利，建成后便于运行管理，节省进场道路投资。此优化可节省征地投资18 849万元，节省道路投资约200万元。

3.2 调蓄水池坝体填筑标准与地基处理标准提高

原方案中坝体的粘性土压实度为96%。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）规定，3级中低坝粘性土压实度应为96%～98%，设计地震烈度为8度的地区，宜取上述规定的大值。调蓄水池坝体为3级建筑物，处于8度地震区，因此初设阶段坝体的粘性土压实度将原阶段的96%调整到98%。

原方案中坝基的处理方式为原土翻夯2.5 m，没有对池体下黄土的湿陷性全部进行消除。初设阶段根据调蓄水池区域地质勘察资料，坝基为第四系全新统洪积低液限黏土层，结构松散，干强度低，具湿陷性，压缩变形大，存在不均匀变形问题。考虑到工程的等级及重要性，初设阶段对坝基处理方式调整为强夯，对池体下湿陷性全部清除。

原方案为池底复合土工膜下铺设200 mm厚细砂垫层，复合土工膜上铺800 mm厚壤土垫层。原方案中调蓄水池池底为级配不良砾层，为提高调蓄水池防渗能力，减少开挖量，初设方案将调蓄水池池底高程提高了2.5 m，提高后调蓄水池池基为第四系全新统洪积低液限黏土、级配不良砂、级配不良砾层，存在不均匀变形、湿陷性、渗漏及渗透变形等问题，针对池底低液限黏土厚度不同，设计分别采取了重夯（土层厚度超过1 m）与换填（土层厚度不到1 m）处理方式，在夯实的黏土层上再进行防渗处理，优化后的池底防渗方案为复合土工膜下设500 mm厚10%水泥土垫层，复合土工膜上铺800 mm厚壤土垫层。

调整后方案较原方案提高了坝体填筑标准，提高了地基处理标准，抗渗性能标准也得以提高。

3.3 防护标准提高

原方案中调蓄水池在改移河道后设计，根据《堤防设计规范》采用50年一遇洪水标准对河道进行防护，但因河道改移工程量大，河道面积大，投资较大；优化后的初设方案中不改移河道，坝坡防护按水库防洪标准设计按300年一遇洪水标准对调蓄水池进行防护，防护标准提高。

优化方案不需要对葫芦河改道处理，只需对河道加强防护，并且对原方案的地基处理翻夯设计进行优化，计划采用强夯、重夯及换填处理，即坝基采用强夯，能级6 000 kN·m，处理深度8.0 m，池底采用重夯及换填处理。

优化方案相对原方案的缺点是，地基处理工程量增大。原方案中调蓄水池坝体长度一半处于原葫芦河河道中，基础为级配不良砾，在对基础进行清基碾压后即可进行坝体填筑工作；另一半基础为低液限黏土，有湿陷性，坝体填筑前，需对基础进行消除湿陷处理。优化方案位置调整后，其中约2/3的基础位于低液限黏土上，需进行处理，因此基础处理工程量增大，投资有所增加。

优化方案实施后，对原葫芦河河道行洪有影响，该段河道水位部分有壅高现象，当发生50年一遇洪水时，最大壅高0.24 m，最大流速为3.82 m3/s，较天然增加0.43m3/s；当发生300年一遇洪水时，最大壅高0.62 m，最大流速为4.61 m3/s，较天然增加1.58 m3/s。对此影响可通过加强河道防护解决。由此可见，优化方案虽对葫芦河河道行洪有影响，但较改河方案对河道行洪的影响要小。

4 结论及建议

初设优化方案比原方案工程投资增加约1 100万元，主要在基础处理方面，原方案采用翻夯方案，对湿陷性基础没有全部处理，现要求对池体下部的湿陷性全部清除，初设方案采用强夯、重夯、换填等基础处理方式，对基础范围内湿陷全部清除，提高了工程的安全性。

初设优化方案较原方案征地减少21 hm2，征地拆迁费用减少约18 850万元，减少了拆迁量、征地亩数，协调工作量大大降低，可实施性强。另外原方案对外交通工程投资比优化方案多约200万元。因此，综合比较初设优化方案较原方案可实施性强，总投资大幅降低，工程安全性提高，推荐选取优化方案。