浅谈喀腊苏铜矿供水工程蓄水池的设计与防渗措施

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摘 要：复合土工膜防渗是我国目前水利工程，特别是水库防渗应用最广泛的关键技术措施。文章主要针对青河县喀拉苏铜矿供水工程蓄水池所采用的设计及防渗措施进行了论述。

关键词：喀拉苏铜矿；供水工程；蓄水池；设计；防渗措施

1 工程概况

工程区位于乌伦古河上游河段二台水文站以北10km处，青河县阿热勒托别乡西南，萨尔托海乡以北，喀旦逊套山以西，青河县与富蕴县交界处的阿苇戈壁上。地理坐标为东经89°54′14″-90°08′26″，北纬46°11′36″-46°30′42″。

本项目建设的目标和任务是充分利用已建的阿苇灌区北干渠渠水作为矿区的水源，在渠道旁边建设一座容量为92.54万m3的半挖半填蓄水池，为矿区提供9月中旬至次年5月中旬的生产生活用水，同时，要保护项目区生态环境，达到人与自然和谐相处，共同发展，提供可借鉴的技术和经验。

本项目建设任务主要包括蓄水池、扬水泵站、压力管道及相关建筑物。

根据矿区新水用量进行蓄水池的设计，取3400m3/d，扬水泵站流量170.0m3/h，扬程315m，功率132kW×3台，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，该工程等级为Ⅳ等，工程规模为小⑴型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级；蓄水池主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。

2 工程总体布置

工程总布置为：从已建的阿苇灌区北干渠末端引水，桩号为21+365，利用现状节制闸，在闸后新建消力池，消力池上部设交通桥，消力池后经过6.0m长的渐变段，后接400.0m长引水干渠，引水干渠末端设节制分水闸，分水闸后经过48.0m长的引水渠后，进入半挖半填的调蓄水池，再从蓄水池外接扬水泵站，利用7.92km长的输水管道将水扬至矿区高位水池，满足矿区进行生产生活用水。

文章主要对工程蓄水池的设计及防渗措施做一阐述。

3 蓄水池结构设计及防渗措施

3.1 工程地质

蓄水池地层结构较为简单：表层0.20-0.50m厚的混杂碎石的含细粒土砂层，下部为厚层的碎石土层，沉积厚度大于5.0m，中等-密实沉积，属于中等透水层。蓄水池基础均座于该层上。

3.2 工程布置

本工程蓄水池为引水注入式，主要作用是调蓄水量、沉淀泥沙。因工程区处于洪积倾斜平原区，无施工导流防洪要求，工程布置较为简单，主要有引水渠首、引水渠、陡坡、大坝等工程组成。

工程区地形较为平坦，地势开阔，地形东北高西南低，蓄水池为半挖半填四面挡水，坝轴线为矩形。筑坝材料尽量利用开挖料和当地材料，考虑土石方挖填平衡及水量平衡计算，初步选定以地面高程1122.40m等高线为蓄水池设计底高程。蓄水池长边按西北方向布置，底宽400m，纵坡为1/400，短边按东南方向布置，底宽350m，纵坡为1/200，长边平行于等高线布置，短边垂直于等高线布置。

3.3 蓄水池各特征参数的确定

蓄水池大坝为细砾土均质土坝，现浇砼护坡，复合土工膜斜墙防渗。大坝坝型为均质土坝，按照《水利水电等级划分及洪水标准》（SL252-2000）划分，该蓄水池规模为Ⅴ等小⑵型蓄水池，平均坝高7.40m，坝体最大填高10.40m（含清基0.20m）。坝顶为封闭型矩形结构，坝顶长度1562.0m，坝顶高程1129.80m，坝底平均高程为1122.40m，坝底长400.0m，宽350.0m，坝顶宽4.0m，上游坝坡1：2.0，下游坝坡1：2.0；最高蓄水位1128.12m，总库容92.54万m3，其中，死库容8.45万m3，对应死水位为1123.0m。

3.4 坝顶宽度及坝顶结构设计

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定，坝顶最小宽度对中、低坝可选用5-10m，结合当地同类坝高的坝顶宽度相比，结合施工、运行要求，确定该蓄水池坝顶宽度为4.0m。

施工中，先将坝顶加高至1129.60m高程，上铺20.0cm厚的碎石路面，以保护坝顶，便于交通，坝顶两侧均设砼路沿石，下游侧路沿石向上移20cm，以确保稳定，上游坝坡的路沿石每隔10m设一排水孔，排水孔采用直径为75mm的UPVC管，坝顶按1%坡度向上游倾斜，以利于排水。坝顶上游侧设防护栏杆，栏杆高1.20m，横断面尺寸为0.15m×0.15m，横向设置2排63mm的钢管，蓄水池周围20m内设浸塑隔离栅围栏。

3.5 坝坡及护坡设计

3.5.1 上、下游坝坡拟定

本工程为半挖半填的结构形式，平均坝高7.40m，最大填筑高度10.40m，蓄水池大坝填筑材料主要为开挖的砂砾石料，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，初定上、下游坝坡均为1：2.0。

3.5.2 上、下游护坡

根据《碾压土石坝设计规范》SL274-2001，并进行工程类比，上游护坡材料一般选用现浇砼板护坡或大块石护坡，本工程位于严寒地区，本工程选上游护坡为15cm厚C20F250W6砼现浇护坡板。上游坝坡防渗体结构由复合土工膜、保护层及护坡组成，将坝壳料平整碾压密实后上面依次铺设5.0cm厚水泥砂浆找平层、0.50mm厚的复合土工膜、3.0cm厚水泥砂浆找平层和15.0cm厚的C20F200W6砼面板护坡。在坝脚设C20F200W6现浇砼阻滑墙，阻滑墙水平宽度为0.50m，深度为0.80m。阻滑墙与砼护坡浇筑为整体。复合土工膜上端用“V”型槽埋置在坝体内，高程在最高蓄水位以上0.50m（1127.62m高程）；下端埋设在阻滑墙下面，与池底土工膜连接为一体。阻滑墙每10.0m设一伸缩缝，缝宽2.0cm，缝内下部填充高压闭孔板，上部采用沥青砂浆进行封堵。砼面板护坡分缝尺寸为3.0m×3.0m，相邻面板间设2.0cm宽的伸缩缝，缝内下部填充高压闭孔板，上部采用沥青砂浆进行封堵。砼面板上部与路沿石连接，下部与阻滑墙连接。考虑到该地区气候寒冷，坝面冬季结冰较厚，为使护坡板填缝材料能够在冰的作用下不产生破坏，因此使用柔性较好、强度较高的高压闭孔板作为填缝材料，并采用沥青砂浆进行封堵。蓄水池入池陡坡段和扬水泵站与土工膜的连接，采用盖板螺栓连接，螺栓间距为0.30m。

受资金方面的限制，本次设计不对下游坝坡做护坡处理，在坝顶高程达到设计高程后，将下游坝坡均以1：2.0坡度整平，不再做其它方式的处理。

3.6 复合土工膜设计

3.6.1 设计准则和基本要求

（1）本工程蓄水池大坝设计时采用较高塑性的复合土工膜防渗作为防渗体，这种防渗体能适应大坝的位移和筑坝时的振动，不致造成裂缝。

（2）复合土工膜防渗与坝基的连接是防渗体的薄弱部分，需精心设计，确保连接部位的安全。

（3）复合土工膜加粘土截水槽防渗，渗透系数应小于10-5cm/s。

3.6.2 复合土工膜防渗体结构布置

为减少坝体的渗漏，防止渗透破坏，提高水库经济效益，本工程坝体防渗设计采用复合土工膜为防渗体，按照《土工合成材料应用技术规范》（GB50290-98）之规定，土工膜采用二布一膜（200g/m2/0.5mm/200g/m2），复合土工膜的渗透系数应≤1×10-11cm/s，其密度、破坏拉应力，断裂伸长率、弹性模量、抗冻性等应满足设计规范要求。复合土工膜幅宽4.0×4.0m，连接时用焊接的方法，焊接处复合土工膜应熔结为一个整体，不得出现虚焊、漏焊或超量焊。土工膜下面铺一层3.0cm厚的水泥砂浆找平层，其上铺一层5.0cm厚的水泥砂浆找平层，上面设15.0cm厚的C20F250W6㈡现浇砼护坡。本工程平均坝高7.40m，采用复合土工膜斜铺防渗，面积较小，工程量小，施工简单。复合土工膜铺至防渗高程后，用“V”型槽埋置在坝体内。

3.7 坝料规划与设计

根据坝体剖面及工程量计算，坝壳料填筑方量约22.41万m3。以相对密度作为坝壳砂砾料填筑的设计控制标准。根据《混凝土面板坝设计规范》（SL228-98）及《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），结合砂砾石料的性质，确定坝壳砂砾料的相对密度Dr≥0.80，渗透系数在10-3cm/s量级。

3.8 蓄水池池底设计

哈腊苏铜矿供水工程蓄水池为半挖半填结构，设计池底平均高程为1122.40m，根据池盘地形情况，最大挖深5.22m，平均挖深2.34m。根据地质勘察成果，蓄水池池盘范围内地面以下为碎石土，渗透系数K值1-5m/d，属中等透水层，因此，需对池底进行防渗处理，防渗结构采用复合土工膜和土料保护层。从下往上依次为15cm砾质砂垫层（采用坝体开挖料，剔除粒径大于20mm的颗粒、碾压）、0.5mm厚复合土工膜、15cm厚砾质砂（采用坝体开挖料，剔除粒径大于20mm的颗粒，不碾压）保护层和40cm厚砾质砂（坝体开挖料）盖重层。池底土工膜与坝坡土工膜连接为整体。

3.9 坝体稳定分析计算

3.9.1 计算断面和计算工况

取大坝标准剖面演算在正常情况及非常情况下，是否具有足够的稳定性，并求出最小安全系数。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），计算剖面取大坝填方段最大断面，本设计取0+732断面作为典型断面。根据枢纽建筑物的布置及水库运行情况，本次计算以下控制土石坝稳定的时期、两种工况的稳定：（1）稳定渗流期的上下游坝坡；（2）水库水位降落期的上游坝坡。

计算工况见表1。

3.9.2 计算方法及计算原理

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），计算方法采用瑞典圆弧法。采用北京理正软件设计研究院的《土质边坡稳定分析程序》进行计算。

3.9.3 计算参数

计算参数根据坝料实验指标及工程类比选取，计算坝坡稳定分析选取的计算参数详见表2。

3.9.4 计算结果

根据上述计算工况，坝坡稳定计算成果见表3。

由计算结果可知，工程建成后，蓄水池大坝在正常运用条件和非常运用条件下，上、下游坝坡均为稳定。

4 结束语

水利工程防渗形式及措施较多，复合土工膜作为一种防渗材料已广泛应用于水利行业的各种工程，特别是在水库工程的防渗措施中起到了较为显著的作用，其施工简单，防渗效果好。

本工程是在平原区所建的一座半挖半填的蓄水池，其防渗措施尤为重要。文章仅针对该工程简单介绍蓄水池的设计及采取的防渗措施的一些经验与建议，希望能对类似工程的设计及防渗提供一些借鉴。另外，增强责任心，加强运行管理，总结经验教训，防患于未然，保证工程的正常运行。