某矿井外排水水库的坝型比选

　　摘    要：　新疆某矿井外排水工程将上游矿井废水经处理后的中水通过管道运至末端中水库, 从而为下游村镇提供绿化用水。根据末端中水库坝址区地形、地质条件, 从工程施工、工程运行管理、工程投资等方面进行经济技术比较, 从而确定推荐坝型。

　　关键词：　中水; 回用; 土石坝; 复合土工膜; 方案比选;

　　Abstract：　A mine drainage project in Xinjiang transports the reclaimed water from upstream mine wastewater which was treatment through pipeline to the reclaimed water reservoir at the end of the project, so as to providing greening water water for downstream villages and towns. According to the topographic and geological conditions of the dam site of the reclaimed water reservoir at the end of the project, this paper compares the economy and technology of engineering construction, engineering operation management and engineering investment, so as to the recommended dam type can be determined.

　　Keyword：　reclaimed water; reuse; earth rock dam; composite geomembrane; scheme comparison and selection;

　　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。

　　图1 末端中水库平面布置示意图

　　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/PE0.6 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。

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