湿陷性黄土地基蓄水池建设技术方法

王建彪

（宁夏水利水电勘测设计研究院,宁夏 银川 751000）

为深入贯彻党中央、国务院关于高标准农田建设工作的决策部暑,落实《乡村振兴战略规划（2018-2022 年）》,加快推进农田建设各项工作,集中力量抓好高标准农田建设,巩固和提高粮食生产能力,确保完成中央确定的农田建设硬任务,同时改变香山兴仁地区群众“靠天吃饭”的现状。经实地调查、分析比选,选定沙坡头区兴仁镇东滩村和拓寨村为沙坡头区2022 年高标准农田建设项目区,项目建设规模2.64 万亩,种植作物为硒砂瓜,灌溉方式采用滴管灌溉。项目灌溉水源采用中部干旱带沙坡头香山兴仁片区生态修复及灌区供水工程水源。考虑到供水工程辐射区域广,控制灌溉面积大,供水保障率不确定等因素,沙坡头区人民政府整合财政衔接,推进乡村振兴补助资金和区政府财政资金,计划实施沙坡头区兴仁镇东滩村和拓寨压砂地转产配套蓄水池工程,建设3座调蓄水池,以提高项目区供水能力和供水保障率。

1 蓄水池建设场址地质勘察

根据场址地质勘察试验资料：东滩1#调蓄水池场地土层湿陷系数0.003～0.048,自重湿陷系数0.003～0.021,湿陷量339.2 mm～556.2 mm,自重湿陷量145.2 mm～274.9 mm,具自重湿陷性,湿陷等级Ⅱ（中等）。东滩2#调蓄水池场地土层湿陷系数0.001～0.068,自重湿陷系数0.001～0.021,湿陷量340.8 mm～629.2 mm,自重湿陷量0～318.8 mm,具自重湿陷性,湿陷等级Ⅲ（严重）。拓寨1#调蓄水池场地土层湿陷系数0.007～0.055,自重湿陷系数0.002～0.027,湿陷量603.5 mm～797.1 mm,自重湿陷量401.0 mm～538.1 mm,具自重湿陷性,湿陷等级Ⅳ（很严重）。

2 湿陷性黄土地基处理方法确定

依据《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025-2018）,湿陷性黄土地基处理方法主要有垫层翻夯法、强夯法、素土挤密桩法、预浸水法等。

1）垫层翻夯法是对调蓄水池地基湿陷性黄土出现湿陷变形、承载力不满足设计要求的改善措施。一般将地基表层2 m～4 m 厚度湿陷性黄土挖除,并换填翻夯置换素土。

2）强夯法是对调蓄水池地基湿陷性黄土出现湿陷变形、承载力不满足设计要求的改善措施,用重锤自一定高度下落夯击土层使地基迅速固结。

3）素土挤密桩法是对调蓄水池地基湿陷性黄土出现湿陷变形、承载力不满足设计要求的改善措施,利用沉管在地基中挤土成孔,然后向孔内夯填素土成桩,分别与挤密的桩间土组成复合地基,共同承受地基上部荷载。

4）预浸水法是在建设调蓄水池前预先对湿陷性黄土场地大面积浸水,使土体在饱和自重应力作用下,发生湿陷、产生压密,以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷载湿陷性。一般大厚度湿陷性黄土场地预浸水的耗水量30 m3/m2左右,预浸水全过程周期6～8 个月；预浸水后,对于场地表层厚≤（2 m～6 m）仍可能存在的Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷性黄土,若有必要还需要二次处理。

根据场址地质勘察试验资料,地基湿陷等级为Ⅱ～Ⅳ级,从有效消除湿陷量、工程建设周期、工程建设造价以及蓄水池开挖土方利用等方面考虑,确定采用垫层翻夯法进行基础处理。

3 蓄水池防渗结构比选

参照《宁夏滴灌工程规划设计导则》（DB64/T 1290-2016）,从卵膜结构蓄水池、卵膜+格梁结构蓄水池、板膜结构蓄水池3 种结构型式进行比选,见表1。

表1 不同防渗结构蓄水池方案比选表

经分析比较,相同库容情况下,3 座调蓄水池方案一概算投资最低,为1166.99 万元,较方案二低184.61 万元,较方案三低359.01 万元,实际占地面积相同。且根据地质勘察试验资料,3 座调蓄水池坝址处土层均存在不同程度湿陷性,应优先考虑适应地形变形能力强的蓄水池结构型式。

综合各方面因素考虑,确定调蓄水池防渗结构确定为土料+复合土工膜结构型式,即方案一。

4 蓄水池结构设计

4.1 蓄水池布置形式

根据蓄水池选定场址地形条件,东滩1#调蓄水池（库容7.6 万m3）、东滩2#调蓄水池（库容7.8 万m3）和拓寨1#调蓄水池（库容6.4 万m3）均设计为长方形。池内水深根据地形、地质条件和地基处理要求,最终确定为5.2 m,超高均为0.8 m。蓄水池具体结构尺寸见表2。

表2 调蓄水池设计断面尺寸表

（1）蓄水池容积计算

推算调蓄水池容积通过拟定水深及调蓄水池底面积按式（1）计算。

式中：Vr为容积；h 为设计水深；V1为池底面积；V2为水面面积。

（2）蓄水池超高计算

1）波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式按式（2）和式（3）。

式中：hm为平均波高,m；Tm为平均波周期,s；W 为设计风速,m/s,取20 m/s；D 为风区长度,m；Hm为水域平均深度,m；g为重力加速度,取9.8 m/s3。

2）平均波长可按式（4）计算。

式中：Lm为平均波长,m；H 为坝迎水面前水深,m。

3）正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按式（5）计算。

当m=1.5～5.0 时：

式中：Rm为平均波浪爬高,m；m 为坡度系数,m=cotα（α为坡角）；KΔ为斜坡的糙率渗透性系数,根据护面类型由《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）表A.1.6-1 查得,取0.6；Kw为经验系数,由《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）表A.1.6-2 查得,取1.196。

4）波浪爬高R 可由平均爬高与坝迎水面前水深的比值hm/H 按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）表A.1.7 规定的系数计算求得,根据计算2 座调蓄水池hm/H 均小于0.1,R/Rm值取1.84。

4.2 蓄水池防渗结构设计

（1）地基处理

依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025-2018）、《蓄水池土层湿陷性计算评价表》,通过计算,最终确定东滩1#、2#调蓄水池坝基翻夯深度为2.5 m,拓寨1#调蓄水池坝基翻夯深度为3.5 m。坝体填土含水率应按最优含水率控制,允许偏差为±3%,要求填筑及翻夯压实系数为0.97。

图1 施工及检测图

（2）蓄水池池底防渗结构

蓄水池池底防渗结构形式为土料结构和复合土工膜。池底从上至下依次铺设600 mm 厚素土, 聚乙烯复合土工膜（200 g/m2×0.5 mm×200 g/m2）,2500/3500 mm 素土翻夯。

（3）蓄水池边坡防渗结构

调蓄水池坡面防渗均采用土料（砂砾石、碎石）+复核土工膜结构型式,即内坡从上至下依次为100 mm 厚破碎石（粒径40 mm～60 mm）、100 mm 厚砂砾石（粒径10 mm～20 mm）、400 mm 厚素土、聚乙烯复合土工膜（200g/m2×0.5 mm×200 g/m2）,2500/3500 mm 素土翻夯。

（4）进出水建筑物

调蓄水池进水建筑物均采用进水涵洞、进水陡坡、消力池、散水结构形式。进水涵洞设计为C25 钢筋混凝土盖板涵型式,底板厚0.20 m、侧墙厚0.2 m、盖板厚0.2 m,涵洞净空为0.5 m、净宽0.8 m、长5 m；进水陡坡设计为C25 钢筋混凝土直流槽形式,消力池设计为C25 钢筋混凝土消力池,底板厚0.25 m,侧墙厚0.2 m,深度为0.5 m；消力池周边设1 m宽,0.2 m 厚强度等级为C20 混凝土散水。

5 结语

设计经多方案比选,确定了适合湿陷性黄土地基蓄水池建设的结构型式及基础处理方法,同时运用理正软件,对蓄水池施工期、正常运行、正常运行加地震三种工况下坝体渗流稳定（达西定律）和坝体稳定（瑞典圆弧法、简化毕肖普法）进行了试算,确定了坝体最优结构尺寸,使得蓄水池在保障安全运行的前提下投资最合理,效益最大化。