引洮二期配套供水静宁县小岔沟工程调蓄水池设计

雒亚新

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

引洮供水二期配套工程是为保证引洮二期工程与地方已建的人饮与灌溉工 程进行全面的对接，真正实现引洮供水二期工程供水任务，促进当地群众脱贫致 富和生态环境改善的民生工程。供水范围涉及定西、白银、天水市及平凉4 市8 个县区，发展灌溉面积29.2 万亩，年调水量3.15 亿m3，工程规模为II 等大(2)型工程[1]。二期工程静宁县受水区每年9 月全月为停水检修期，为保障集中供水 点的检修期用水量要求，在该受水区修建小岔沟调蓄水池，位置在静宁县深沟乡 孙家沟与新王家村之间的杨家大河左岸的滩地上，设计有效容积20 万m3，调蓄水池平面形状为不规则圆角四边形，池轴线长度共865m，池深9.3m。小岔沟调 蓄水池供水对象为乡镇及周边农村，主要建筑物级别为4 级，次要建筑物级别为5 级，防洪标准按20 年一遇设计、100 年一遇校核。文章主要对调蓄水池地形地质 条件、选址、布置及结构形式等进行研究，为工程设计及施工提供参考依据。

2 调蓄水池选址及布置

2.1 方案布置情况

小岔沟调蓄水池选定在王家堡对岸的现代河床及左岸I 级阶地上，水厂位于调蓄水池北侧的II级阶地上，由于调蓄水池处压力水头不满足水厂运行要求，在调蓄水池处设提水泵站一座。为进一步优化调蓄水池、水厂选址方案，论证取 消调蓄水池至水厂加压泵站的可能性，现对小岔沟调蓄水池池址进行详细的现场 踏勘，拟定两种方案进行技术和经济比较。方案布置情况如下：

方案一：取消提水加压泵站方案

通过现场踏勘，为满足水厂运行要求，若要取消调蓄水池至水厂的提水加压泵站，调蓄水池池址可选在水厂西约100m 处的II 级阶地上，II 级阶地现状均为苹果园地，共占用苹 果园地105.28 亩。

方案二：布设提水加压泵站方案

此方案调蓄水池位于静宁县深沟乡孙家沟与新王家村之间的杨家大河左岸 的天然半圆状滩地上。水厂布置在调蓄水池北侧的II 级阶地上，由于调蓄水池至水厂水头不满足水厂水头要求，在调蓄水池和水厂间，设一级提水加压泵站，此处为良好的耕地和果园林地。经计算，此方案占地面积共69.3 亩，其中耕地21.6 亩，园地41.3 亩，其他土地(裸地)6.4 亩。调蓄水池平面布置图如图1 所示。

图1 小岔沟调蓄水池平面布置图

2.2 选址比较

两种方案坝顶路面处理、消能处理、进出水池设计等基本相同，现对两方案 就池址处地质条件、干管水头对池址选择的影响、防洪影响、经济投资等方面进行比较。

2.2.1 地质条件比较

方案一 调蓄水池地处II 级阶地上，II 级阶地表层均为马兰黄土与黄土状土，其中湿陷性黄土层一般厚度5.0～11.0m，地基处理深度需达到5.0～7.0m。

方案二 调蓄水池位于I 级阶地部分，表层有1.0～5.7m 的黄土状土，且靠近II 级阶地岸坎处土层较厚，约3.5～5.7m，向中间逐渐变薄且层厚较均一，厚1.0m 左右，下部为冲洪积砂砾石层，结构稍密～中密，颗粒岩性主要以灰色、青灰色 砂岩、花岗岩和石英岩为主，局部夹厚0.5～1.0m 黄土状土透镜体；基底为新近 系(N1)中厚层砖红色粉砂质泥岩，基岩面高程1621.3～1613.9m。

从地质条件比较，方案一池址选在II 级阶地上，池基为马兰黄土与黄土状土，湿陷性较强，需进行原土翻夯处理+强夯处理，地基处理深度需达到5.0～7.0m，地基处理深度、难度及投资均较大；方案二拟建调蓄水池场地位于现代河 床及左岸Ⅰ级阶地上，场地稳定，只需对靠山侧池基表层约0.5～2.0m 黄土状土 进行处理，对临河侧池基只需清基并整平压实后采取防渗措施即可，地基处理深 度、难度及投资均较小，适宜修建调蓄水池。

2.2.2 调蓄水池防洪处理及对河道行洪的影响

根据平面布置，方案二拟建调蓄水池池堤占用了五方河部分河道，将对五方 河行洪产生一定的影响。为满足方案二调蓄水池防洪要求及五方河行洪要求，需 对此处五方河河道进行治理，根据上下游河道高程开挖行洪通道，治理长度约450m，并对此段五方河河道两岸修建防洪设施进行防护，其中左岸(临池侧)布置 护岸长度453m，新建护岸设计主体为夯填壤土，横断面设计为梯形。

方案一调蓄水池地处II 级阶地上，地势较高，基本不存在防洪问题，对河 道行洪也不会产生影响。

2.2.3 经济比较

两种方案经济比较见表1。

表1 两种方案经济比较表

从表1 可以看出，方案一比方案二投资增加约1496 万元，其中建筑工程投资增加约710 万元，机电设备投资减少135.66 万元，按运行30 年考虑，折现后运行管理费增加约31.5 万元，但征地投资增加约890万元。从经济方面比较，方案二明显优于方案一。

2.2.4 综合比较

从地质条件比较，方案二池址处地质条件明显优于方案一；从调蓄水池防洪 处理及对河道行洪的影响方面考虑，方案一较方案二占优势；从经济方面比较，方案二投资明显低于方案一。

综合比较，选定方案二，即布设提水加压泵站方案中池址作为本工程调蓄水池推荐池址。

3 调蓄水池设计

3.1 结构设计

调蓄水池为注入式水池，池内设计水深8.0m，池顶宽度5.0m，靠山一侧池堤是将I、II 级阶地之间陡坎削坡形成，边坡1:2.75，临河侧池堤为碾压式均质土堤，设计池 堤迎水面边坡采用1:2.75，背水面边坡1:2.0，池堤最大填筑高度13.0m，采用开挖后的壤土、马兰黄土、黄土填筑，设计压实度0.98。迎水面从上往下依次为8cm 厚C20 混凝土预制板、3cm厚M10 水泥砂浆垫层、FN2/1PE-20-500-0.5 复合土工膜、30cm 厚10%水泥土垫层[3]。调蓄水池迎水面结构设计图如图2 所示。

图2 调蓄水池迎水面结构设计图

虑调蓄水池大面积铺设土工膜水气顶托作用，在土工布下部纵横向设置直径90mmPVC 排水排气花管，采用专用的PVC 透水花管。排气管数量以池底尺寸具体布置，纵横向间距10m。

为满足管理道路及调蓄水池排水要求，防止对调蓄水池池基造成破坏，设计沿靠山侧削坡段池顶外侧布置排水设施，排水沟采用现浇C20 混凝土矩形断面，深0.4m，宽0.5m，衬砌厚度15cm。

地基处理根据池基处地质条件分别采取不同处理措施：根据钻探资料，调蓄水池临河侧五方河主河道池基采取的处理措施：为清基、表面夯实，当清基后地面高程低于设计高程时，采用砂砾石换填至设计高程；当调蓄水池池基位于Ⅰ级阶地时池基处理措施为：对池基以下黄土状土全部进行原土翻夯。

3.2 池顶高程确定

池顶高程根据 《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)有关规定，按以下两 种运行条件计算确定[2]，计算结果取其最大值。

1)正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高；

2)正常蓄水位+非常运用条件+地震安全加高。

本工程地震设防烈度为8 度，地震安全加高值包括地震沉降和地震壅浪高度，本文取地震安全加高值为1.0m，小岔沟调蓄水池池顶高程计算结果见表2。

表2 小岔沟调蓄水池池顶超高计算表

3.3 池堤边坡稳定计算

边坡稳定采用等效断面进行计算，坝体填筑料的容重和内摩擦角均采用综合平均值，按临河侧池堤标准断面进行边坡稳定计算，计算断面如图3 所示。

图3 计算断面

(1)计算工况：根据《小型水利水电工程碾压土石坝石坝设计规范》有关规定，稳定分析应 该核算分以下5 种工况计算：

工况①正常蓄水位，土工膜防渗；

工况②正常蓄水位，土工膜防渗，遇地震；

工况③正常蓄水位，土工膜防渗失效；

工况④正常蓄水位，土工膜防渗失效，遇地震；

工况⑤施工期上、下游坝坡。

（2)计算方法与参数：坝坡稳定计算采用由北京理正软件设计研究院的理正岩土系列软件中的边坡稳定分析软件计算，理正岩土软件的边坡稳定分析软件计算是按照《碾压土石 坝设计规范》规定的方法、工况编制的[3]。计算参数根据地质勘查结果得到，壤土坝体采用主要计算参数为见表3，靠山侧开挖边坡主要计算参数见表4。

表3 壤土坝体填筑料主要计算参数表

表4 靠山侧开挖边坡主要计算参数表

(3)计算公式：本次计算对上、下游边坡分别采用考虑条块间作用力的简化毕肖普法(圆弧 滑动)进行分析，计算公式为：

式中：W 为土条重量；Q、V 为水平、垂直地震惯性力，kN；u 为作用于土条底面的孔隙压力，kpa；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，o；b 为土条宽度，m；c’为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc 为水平地震惯性力对圆心的力矩(地震工况时考虑)，kN·m；R 为圆弧半径，m。

(4)计算结果。经计算，各种工况下池堤的稳定计算成果图及安全系数如图4 所示及见表5、表6。

图4 土工膜防渗遇Ⅷ度地震时边坡滑弧位置图

表5 小岔沟调蓄水池临河侧填筑池堤边坡稳定计算安全系数

表6 小岔沟调蓄水池靠山一侧池堤边坡稳定计算安全系数

综上所述，上下游在各种计算条件下池堤边坡的稳定安全系数均大于规范规定值，满足规范要求。

4 结论及建议

小岔沟工程调蓄水池主要解决项目区检修期供水问题，两种选址方案对建筑 物布置差别大，文章从地质条件，水头、防洪安全以及工程投资等方面对水池的选址进行优化比选和结构布置，最终选出合理的布置方式；另一方面调蓄水池 临河布置，对蓄水池进行池堤边坡稳定计算分析尤为重要，经计算，调蓄水池池堤边坡满足设计要求，本次工程设计对调蓄水池的设计、施工具有参考意义。