新疆某矿井外排水工程末端中水库坝型选择

赵锦程

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

随着社会经济的发展、水资源日益匮乏以及人们对环境问题的重视，中水回用作为一项保护环境、节约资源的环保措施，对我国的可持续发展将会起到非常重要的作用[1-2]。

1 工程概况

新疆某矿井外排水工程位于新疆昌吉县境内，工程主要由首部事故备用水池、排水管道及末端中水库池等建筑物组成。工程建成后不但能解决矿井排水问题，同时还可为末端中水库下游村镇提供绿化用水。工程等别为Ⅴ等，工程规模为小(Ⅱ)型。末端中水库为5级建筑物，库容为53×104m3。末端中水库平面布置示意图见图1。

2 坝址区地形地质条件

库区位于硫磺沟左岸Ⅴ级阶地上，地形开阔平坦，西南高，北东低，地面微向北东倾，地面坡降17‰。尾部水池库区南100 m为较大冲沟，沟深30～50 cm；尾部水池库区东100～150 m为Ⅴ级阶地阶坎，深10～15 m。库区上部多为洪积含砾碎石土覆盖，厚2～12 m，岩性为黄灰色、紫红色薄层泥岩夹灰绿色薄层粉砂岩、砂岩、砂砾岩。覆盖层下部分布有砂卵砾石层，厚3～15 m，呈南厚北薄、西厚东薄的分布规律。

3 坝型比选

根据坝址区地形地质条件，水池布置在此区域便于承接上游排水管路和下游供水系统，且地形相对平坦开阔，土石方工程量不大。由于水库规模较小，同时考虑充分利用开挖料作为坝壳填筑料，从而降低工程总投资。因此，初步拟定采用土工膜斜墙坝及分离式面板堆石坝进行方案比选。

3.1 土工膜斜墙坝方案

土工膜斜墙坝最大坝高控制在16.5 m，坝长845 m，坝顶铺设厚20 cm的级配砾石路面，路面宽5.0 m。为排除雨水，坝顶面向下游单向倾斜，坡度为2%。坝顶上游侧设防护栏混凝土基础，标号为C25F300，基础顶部高出坝顶面30 cm，并于基础上设高1.2 m的栏杆；坝顶下游侧设混凝土路沿石，标号为C20F300，横断面尺寸为0.2 m×0.6 m，高出坝顶面20 cm，路沿石每隔5 m设一通向下游的排水孔。

3.1.1 坝坡及护坡

本工程大坝筑坝材料主要为碎石土料，从改善坝身断面结构、安全、经济和便于施工等方面综合考虑，并根据坝坡稳定分析，初步选用坝坡如下：上游坝坡为1∶2.5，采用土工膜防渗；下游坝坡为1∶2.0。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189-2013)，并进行工程类比，上游护坡材料一般选用现浇混凝土板护坡或大块石护坡。本工程在综合考虑滑坡稳定和防渗膜稳定的基础上，本阶段初选上游护坡为现浇混凝土护坡板，混凝土强度及耐久性指标为C25F300，板厚0.2 m，分缝尺寸为3 m×3 m，采用闭孔塑料板作为填缝材料。上游坡脚采用混凝土锚固基座，混凝土锚固基座为C25F300，尺寸为1.0 m×0.6 m(B×H)，每5 m设一道分缝。

3.1.2 防渗设计

根据本工程地形地质条件，水池地处天然阶地，库盘底部为砂砾石料，因此本工程除了要对上游坝坡进行防渗，还需对整个库盘进行防渗处理。本工程上游坝坡及整个库盘选用复合(PE)土工膜进行全防渗。

1) 土工膜选取。根据《聚乙烯(PE)土工膜防渗工程技术规范》(SL T231-1998)的规定，复合土工膜规格的选择与下垫层平整度、材料允许拉应力、材料弹性模量、抗冻性、撕裂强度、抗渗强度、渗透系数及覆盖层最大粒径等有关，土工膜厚度设计除应考虑主要由水压力要求的强度外，尚应考虑暴露、埋压、气候、使用寿命等应用条件，并按国家现行有关标准的规定确定设计厚度及实际厚度。为同时满足防渗及环保的要求，坝坡与库区防渗层均采用规格为250 g/m2/PE 0.6 mm/250 g/m2/PE 0.6 mm的两布两膜(PE膜)复合土工膜，幅宽为8 m。

2) 防渗工程结构。坝体上游护坡防渗工程结构设计应包括下部支持层、土工膜防渗层及上部保护层。本工程下部支持层包括厚5 cm砂浆垫层，层面应平整；防渗层选用两布两膜(PE膜)复合土工膜；上部保护层为厚20 cm的C25现浇混凝土面板。

库盘防渗工程结构设计应包括下部支持层、土工膜防渗层及上部保护层。根据地质报告，库区大部分区域为碎石土层；防渗层选用两布两膜(PE膜)复合土工膜，下部支持层为厚10 cm砂垫层；上部保护层选用厚80 cm的开挖碎石土和厚10 cm砂垫层进行回填。

3) 接头设计。土工膜间的接缝设计应使接缝数量最少，且平行于拉应力大的方向，接缝避开弯角，应设在平面处。土工膜与土工膜间的接缝采用焊接工艺连接，焊接搭接宽度为10 cm，焊接接缝抗拉强度不应低于母材强度。

土工膜与坝顶连接：坝顶超出正常水位1.5 m，在此处土工膜采用锚固槽方式与坝顶连接，锚固槽呈梯形结构，两侧边坡与平面夹角30°，每侧边水平长度25 cm，土工膜沿梯形锚固槽铺设，然后回填锚固槽。

土工膜与坝坡坡脚连接：采用螺栓将土工膜与基础锚固基座锚固，混凝土标号为C25、F300，锚固基座宽1.0 m，高0.6 m，每5.0 m设一道伸缩缝，缝宽2 cm，用闭孔塑料板填缝。

3.1.3 坝料规划

根据地形条件及地质资料，筑坝材料尽可能利用开挖料。根据颗分试验，粒径>40 mm含量0.5%,粒径40～20 mm含量15.6%，粒径20～5 mm含量约占29.2%，粒径5～2 mm含量约占18.4%，粒径2～0.5 mm含量约占17.1%，粒径0.5～0.25 mm含量12.1%，粒径0.25～0.075 mm含量约占5.6%，粒径<0.075 mm含量约占1.5%。碎石土料紧密密度、内摩擦角、渗透系数等均符合要求。

3.1.4 坝基处理

库区表层为第四系上更新统-全新统洪积积物(Q3-4pl)碎石土厚度2～12 m，下部第四系中更新统冲积物(Q2alp)厚度为3～15 m，为透水层。因此，对于坝体基础，将表层厚0.5～1 m腐质土清除，即可满足大坝基础填筑要求。土工膜斜墙坝典型横断面图见图2。

图2 土工膜斜墙坝典型横断面图

3.2 分离式面板堆石坝方案

分离式面板堆石坝最大坝高控制在16.7 m，坝长832 m，库盘底部长为212 m，宽为156 m。坝内侧坡比为1∶1.6，采用厚30 cm混凝土面板；连接板作为大坝防渗面板和库底土工膜防渗层的连接结构；坝外侧坡比为1∶2.0。坝外坡坡面设置上坝道路，通向坡顶。

3.2.1 坝顶结构

分离式面板堆石坝坝顶设计同土工膜斜墙坝方案。

3.2.2 坝坡及防渗设计

本工程大坝筑坝材料主要为碎石土料，从改善坝身断面结构、安全、经济和便于施工等方面综合考虑，并根据坝坡稳定分析，初步选用坝坡如下：上游坝坡为1∶1.6，采用分离式混凝土面板进行防渗，厚30 cm。下游坝坡为1∶2.0。

3.2.3 混凝土面板及止水设计

混凝土面板均采用分离式面板，面板混凝土采用C25、W6、F300，二级配。混凝土面板厚30 cm，分缝尺寸为4 m×6 m，按横向布置，即长边平行于坝轴线。

结构缝内加设钢筋将坡面相邻两块分离式面板连接起来，采用Φ16钢筋，长度为1.6 m，分别插入相邻两板各0.8 m，连接钢筋间距1 m。水平缝迎水面止水方式采用深8 cm、下开口宽6 cm、上开口宽10 cm的锲型聚氨酯密封膏填充，两块面板间采用“硬缝”相接。

结构缝底部(垫层表面)设宽0.6 m的150 g/m2无纺布，起反滤作用。

3.2.4 趾板设计

坝体上游混凝土防渗面板底部设置混凝土趾板，作为分离式面板的支持及防渗面板和库盘土工膜防渗层的连接结构。混凝土趾板宽2 m，厚0.6 m，沿纵向每8 m设置变形伸缩缝。由于混凝土趾板位于水池库盘砂砾石基础上，先完成坝体的填筑和碾压施工，并尽可能使坝体完成施工期沉降后，再浇筑混凝土趾板，避免坝体过大的沉降变形造成混凝土面板断裂。

趾板止水方式与面板止水相同。趾板水平及垂直分缝的底部(垫层表面)设一层沥青砂浆，砂浆下铺设宽0.6 m无纺布，起反滤作用。

3.2.5 筑坝材料

分离式面板坝同土工膜斜墙坝方案一样，坝壳料也采用库盘开挖料。碎石土料含量、紧密密度、内摩擦角及渗透系数均满足规范要求。

3.2.6 坝基处理设计及库盘防渗设计

坝基处理及库盘防渗同土工膜斜墙坝方案。分离式面板堆石坝典型横断面图见图3。

图3 分离式面板堆石坝典型横断面图

4 坝型比选及结论

在同等库容的条件下，本文根据坝址区地形地质条件对各个坝型的防渗型式、施工方法、建筑材料、主要工程量及投资进行了综合比较，见表1。

表1 不同坝型综合比较表

通过对以上两种方案进行对比分析，得出以下结论：

1) 从地形、地质条件对坝型的适应性能分析，适合建造当地材料土石坝，两种坝型均可行。

2) 从对当地的气候条件的适应程度比较，复合土工膜土石坝的上层覆盖保护其特性不受气候影响，混凝土防渗面板作为防渗体暴露在外，易于检修维护，但受寒冷气候影响较大。

3) 从运行管理比较，复合土工膜斜墙土石坝在运行期管理更为简便。分离式混凝土面板坝对面板及各种类型的接缝止水设计、施工要求均较高，但与复合土工膜土石坝相比，分离式混凝土面板坝适应坝体变形的能力不如复合土工膜土石坝，面板裂缝会降低混凝土的耐久性，面板止水也会因坝体变形遭到破坏，产生坝体渗漏。

4) 从施工条件比较，复合土工膜砂砾石坝可充分利用开挖料，土工膜施工量大，但钢筋混凝土工作量较小；分离式混凝土面板坝钢筋混凝土结构较多，施工工作量较大，两个方案工期相当。

5) 从工程量与投资比较，复合土工膜砂砾石坝方案中的土方清基量、土方开挖量、土方填筑量、土工防渗膜均较分离式混凝土面板坝要大，而对混凝土用量及钢筋量的使用分离式面板坝较大；复合土工膜土石坝方案工程投资为1 891.8万元，分离式混凝土面板坝方案工程投资为1 980.6万元，比分离式混凝土面板坝方案节省88.8万元。

综上所述，从经济技术比较结果来看，复合土工膜砂砾石坝具有良好的防渗性能和抗冻性能，具有坝体结构、坝料加工生产简单、技术可靠、投资相对较少等优点，因此采用复合土工膜斜墙土石坝作为推荐坝型。