濟源市王屋山水庫灌區改造方案

□ 薛偉彬（河南省中陸工程技術有限公司）

1 工程概況

濟源市王屋山水庫灌區位于濟源市西部山區，始建于1975年，涉及王屋、下冶、大峪鎮等3個鎮89個行政村，項目區耕地面積5793.36 hm2。灌區光照充足，晝夜溫差大，目前灌區大面積種植優質煙草，已成為當地農民增收的一項支柱產業。

灌區曾經為當地農業經濟發展和山區農民生活水平提高發揮了重要作用。但由于建設時未作詳細規劃，灌溉面積僅有2066.68 hm2，實際灌溉面積僅666.67 hm2。目前，渠道坍塌滲漏嚴重，渠系建筑物年久失修、坍塌、老化等現象普遍存在，渠道基本上已經廢棄，多年未進行灌溉。并且由于灌區地形復雜，管理和維修難度較大，致使滲漏損失大，輸水效率低，灌溉水利用率和灌溉保證率低，導致工程老化失修、破損嚴重，灌區有效灌溉面積不斷萎縮，尤其近年來渠系已是破爛不堪，嚴重制約著灌區農業經濟的發展。

2 灌區骨干工程運行現狀

工程區位于山西高原向豫西山地的過渡部位之王屋山脈，西部為太行山系，區內地勢北高南低。

灌區內現有總干渠1條，總干渠起點位于王屋山水庫灌溉輸水洞口處，灌溉輸水洞底高程為660.50m，終點位于灌區中、東干渠交叉點處，全長16.60 km，為隧洞+明渠輸水，隧洞和明渠交替布置，其中，隧洞段總長8.25 km；明渠段總長8.35 km，已襯砌8.35 km，拱圈防護2.05 km。干渠3條，分別為西干渠、中干渠和東干渠，其中西干渠全長23.06 km，中干渠全長13.85 km，東干渠全長26.01 km；供水管道1條，全長15.60 km。從多年運行的情況來看，沿線滲漏量較大，且明渠段兩岸山體宜發生塌坡，渠道多次被塌方堵死，渠道坍塌滲漏嚴重，渠系建筑物年久失修、坍塌、老化等現象普遍存在，渠道基本上已經廢棄。

3 灌區改造技術方案確定

基于灌區目前現狀及所處的地形條件，對灌區改造方案提出渠道襯砌防滲（渠道恢復）和鋪設壓力管道兩種方案。

方案一：渠道襯砌防滲方案（渠道恢復）是在現有工程上加以改造，即對現有已襯砌混凝土破碎段進行修繕，對未襯砌段渠道進行襯砌防滲，對損壞的渠系建筑物進行加固改造或拆除重建。

方案二：鋪設壓力管道方案利用原有渠道鋪設壓力管道，完全實行管道進行灌溉。完成骨干工程共鋪設壓力管道94.81 km，管道沿線共設置壓力前池1座，各類閥件井190座，出水口158座，流量計13套，水表158個，鎮墩741個；新建蓄水池70座。

經比較，方案二工程投資比方案一偏大，但方案二恢復灌溉面積大，工程效益好，施工工藝簡單，運行管理方便，更符合國家節水型社會建設和實行最嚴格的水資源管理制度要求。從工程投資、控制灌溉面積、水資源節約、工程施工、工程效益及運行管理等方面因素綜合考慮，方案二明顯優于方案一，比較符合灌區當前的實際情況，鋪設壓力管道作為本次推薦方案。2013年12月，該方案通過專家評審。

4 灌區管網輸水設計

4.1 流量推求

灌溉系統的設計流量應滿足需水高峰期多種作物同時灌水的要求，可有灌水率圖確定。根據分析計算，灌區設計灌水率為3.64×10-4m3/（s·hm2）。則灌溉系統的設計流量為：

式中：Q—灌溉設計流量，m3/s；A—設計灌溉面積，hm2。

管道分段設計流量由下向上逐段確定，即由末端分水口設計流量由下向上逐漸疊加確定。

4.2 管徑計算

長距離輸水工程管徑的確定，關系著輸水工程的合理性和工程的總造價。當管路通過一定的流量時，如果選用直徑較大，則管中流速小，運行時管路水頭損失也較小，可節約能頭，但單位管長造價高，其維修管理費也大。若管徑選擇較小，管中流速增大即增大了管路水頭損失，相應的提高了能頭的消耗，但降低了管路的工程投資和管理費用。壓力輸水管道的設計流速不宜>3m/s，不宜<0.6m/s。先根據允許流速νp初步按下式確定管道管徑。

根據各級管段的流量及初選管徑進行水力計算，然后校核各管段壓力，最后確定各級管道實選管徑。

4.3 管材選擇

近年來隨著工程技術、新型材料的發展，加上大量引進國外先進技術設備，為供水工程管道管材的選擇提供了更多的余地。目前用于供水的管材有球墨鑄鐵管（DIP）、預應力混凝土管（PCP）、預應力鋼套筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管（RPMP）及鋼管（SP）等。對于供水管道管材的選擇，應綜合考慮管材的安全可靠性、施工難易程度、工程造價、運行維修以及壽命等因素。

4.3.1 安全可靠性

鋼管：根據實踐經驗，鋼管的安全性(抗震、承內外壓)較好，但內外防腐質量影響使用壽命，故在施工時對防腐質量要求十分嚴格。

預應力鋼筋混凝土管和預應力鋼筒混凝土管：兩種管材基本上不需要防腐(鋼筒接口處需作局部防腐處理)，且預應力鋼筒混凝土管在防腐、防滲、耐壓等方面性能優于預應力鋼筋混凝土管，但在施工時需保證接口質量。

球墨鑄鐵管：球墨鑄鐵管安全性較好，國內已逐步廣泛使用。

玻璃鋼夾砂管：玻璃鋼管耐腐蝕性較好，無需防腐處理，重量輕、運輸施工方便；但由于技術引進時間不長，使用面尚在逐步擴大。

4.3.2 施工條件

各種管材的現場土方量相差不多；現場運輸、吊裝費用，混凝土管工作量最大，鋼管、球墨鑄鐵管次之，玻璃鋼管最低。鋼管現場的內、外壁防腐工作量較大，其他管材防腐工作量較少，玻璃鋼管對埋設條件要求較高。

4.3.3 管道運行、維護費用

由于玻璃鋼管內壁光滑，粗糙系數較其他管材低，同管徑比較單位長度動力消耗少，因此玻璃鋼管的運行費用最低。鋼管的日常維護費較高，包括防腐層的定期修補、加強等費用，其它管材的維護費則較少。

4.3.4 管材選擇推薦性意見

由上述各管材綜合比較可以看出，預應力鋼筒混凝土管及玻璃鋼加砂管價格較為便宜，使用壽命長，安裝方便，特別適合于長距離輸水。硬塑料管造價最低，最適合田間低壓管道工程，鑒于本次工程干管為大落差重力式管道，而田間為低壓管道系統。因此，本次本著經濟可行的原則，總干管、東、西干管均采用預應力鋼套筒混凝土管，跨渡槽段采用鋼管，中干管、和平分干管及田間支管采用PVC管道。具體布置為總干管、東干管、西干管管材選用D1200～D600mm的預應力鋼套筒混凝土管；中干管、和平分干管選用D400～D110mm的PVC-U管。

4.4 管網系統布置

4.4.1 管網總體布置

本工程項目區以王屋山水庫控制范圍為一個灌溉系統，以東、西、中、和平干為主脈，在不改變現狀條田、林、溝、路的布局的條件下，按照原灌溉體系布置，即按照原渠線布置。

4.4.2 壓力管道縱斷面設計

根據壓力管道布置方案，本次設計灌溉輸水管道縱向依據沿線地形條件，比降基本與管線地面坡降保持一致。現狀渠道護砌段，管道埋深以現狀渠底高程進行控制，其他需新開挖管溝段，管道平均埋深依沿線地形條件和以下公式計算確定。

管溝開挖深度H:H≥D+h凍+0.10

式中：B-管溝底部寬度，m；D—管道外徑，m；H—管溝開挖深度，m；H凍—最大凍土深度，0.60m。

經過計算，管道頂部覆土厚度均按照1.20m控制，則開挖深度按2.00m控制。

4.4.3 管道基礎及橫斷面設計

本次設計總干管、東、西干管供水管道采用預應力鋼筒混凝土管，采用柔性接口，基礎采用粗砂墊層，管底砂墊層厚度為20 cm。管道敷設方式采用地埋方式，管道頂部平均覆土厚度1.20m。施工開挖邊坡設計為1：1。

在管道方向改變處、橫截面面積改變處或管路終端會產生推力，可能導致接口拉開，對這些部位加設鎮墩，這樣增加了接口圈和土壤之間的接觸面積，提高了摩擦力從而防止接口的移動而造成滲漏。本次設計采用土質溝槽鎮墩，鎮墩混凝土澆筑在開挖斷面內滿填混凝土，土質溝槽鎮墩后背必須為原狀土，并保證鎮墩和土體緊密接觸，鎮墩與管道間做沉降縫，縫內墊20mm浸油木板。

4.5 水頭損失及水錘壓力防護

經計算項目區地勢高差能滿足水頭損失要求，且有富裕水頭，因此，本次設計干管及其支管可采用重力式供水方式。其中，西干管進口所需壓力水頭為4m（以管道中心高程為基準面）。

經計算，閥門關閉歷時>15 s方可保證閥門前總水頭小于管道允許壓力值的1.30～1.50倍，為了安全起見，管網系統干管及其管上的閥門關閉歷時按>60 s進行控制,

5 效益

本次節水配套改造工程實施后，可恢復灌溉面積2273.34 hm2，改善灌溉面積666.67 hm2，新增煙葉灌溉面積313.33 hm2，水利用系數達到0.80，灌溉保證率由現狀的不足10%提高到50%，新增節水能力489.21萬m3，新增糧食和煙葉生產能力1.02萬t，年新增總效益2202.95萬元。項目實施后為灌區農作物適時灌溉、及時解決旱情提供保證，對改善灌區灌溉條件，增加作物單產，提高農民收入有重要的意義。

6 設計體會

王屋山水庫灌區利用原有渠道鋪設壓力管道，完全實行管道進行灌溉。這在中型灌區中算是一個大膽的嘗試，從設計情況來看，與渠道灌區相比較而言，有以下幾個特點：

一是山丘區灌區受地形條件的限制，明渠恢復難度較大，可發展灌溉面積小。由于灌區耕地較分散，不便于運行管理，灌區上下游用水不均衡的問題不能得到解決，灌區缺水局面沒能得到很好的改善，而灌區采用鋪設壓力管道很好的解決了上述問題。

二是防滲效果好。管道輸水只要嚴格按照規范施工，控制好接口，滲漏量微乎其微。

三是預應力鋼筒混凝土管有很好的耐久性及防滲性能，且管道鋪設相對施工工藝較簡單。

從控制灌溉面積、水資源節約、工程施工、工程效益及運行管理等方面因素綜合考慮，緩解王屋山灌區水資源嚴重短缺的局面，對提高人民生活質量、維護社會穩定以及構建和諧社會具有十分重要的意義。因此，山丘區灌區采用鋪設管道具有較強的優越性和實用性。

7 結語

王屋山水庫灌區采用管道輸水解決了灌區上下游用水不均衡的問題，可發展灌溉面積有了很大提高，且便于管理灌區缺水局面沒能得到很好的改善。為處理類似灌區改造提供了一條有效途徑，特別是對那種山丘區缺水嚴重的同類灌區而言，采用該技術具有較大的社會效益和巨大的經濟效益，具有很強的借鑒意義。