引水工程輸水管道設計方案分析

黃小華

（江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330052）

1 工程概況

兩當縣徐楊河引水工程是以城市供水為主的工程，供水主要對象為兩當縣城區、城關鎮、金洞鄉周邊鄉村的工業、農業及生活用水，設計水平年近期為2025 年，供水人口1.61 萬人。設計水平年遠期為2030 年，設計供水人口2.48 萬人[1]。供水工程主要由取水樞紐、輸水管線工程、安全貯水池、凈水廠等組成，取水樞紐從徐楊河孔家溝段取水，引水至兩當縣城新建凈水廠，以解決兩當縣城區的居民生活和工業等用水困難問題，為發展特色產業、增強發展能力提供水資源保障。本文主要從引水工程輸水管線布置、管材比選、設計管徑的大小比較以及穿管隧洞等方面進行論述。

2 輸水管線布置方案比較

2.1 方案比較

楊河引水工程取水水源至縣城較遠，根據地形、施工、運行管理條件，輸水管道選擇單管加安全貯水池與雙管兩種方案進行比較，兩方案采用同一管線。具體比選方案如下[2-3]：

表1 取水樞紐至安全貯水池輸水管線布置

（1）單管+安全貯水池方案：管道布置采用單管，在末端設1 萬m3安全貯水池，安全貯水池后接凈水廠。單管布置，管徑較大，總管材費用較小；管槽開挖量小，管線施工簡單，臨時占地少管線投資較小，單根管道供水保證率較低，但由于增加了安全貯水池，在管道發生事故時也可滿足供水要求保證率。

（2）雙管方案：管道布置采用雙管，在末端接凈水廠。雙管布置，管徑較小，總管材費用較大；管槽開挖量相對較大，臨時占地多，管道投資大；采用兩條管道輸水，運行安全、可靠，但工程投資比單管+安全貯水池方案高。

綜合比較，本次選擇的輸水線路從地形條件來看，均適合單管和雙管布置，雙管方案管徑較小，但管材的用量較單管多1.7 倍，管道的投資大，而且管槽開挖量大，臨時占地較大。而單管加安全貯水池方案具有運行靈活，供水保證率可滿足要求等優點，投資略小，故本工程選擇單管方案作為輸水管線布置的推薦方案。取水樞紐至安全貯水池輸水管線布置見表1。

2.2 管材的選擇

本工程輸水管線屬長距離有壓輸水管線系統，根據本工程的情況，用于輸水工程的管道主要考慮有球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃纖維增強塑料夾砂管、硬聚氯乙烯管（PVC-U 管）、改性聚氯乙烯管（PVC-M）、聚乙烯管（PE）、預應力鋼筒砼管（PCCP）等。本輸水管材各類管材中進行比較，并從適應水量及水壓，工作壓力，埋深及承受壓力等要求出發，從各種管道的用途、對水質的影響，水頭損失及糙率n 值，管材制作、運輸及現場安裝情況，管材施工難易程度，運行維修以及管材重量，管道造價及發展趨勢等方面進行統計和分析比較[4]。各種管道性能價格比較見表2。

表2 各種管道性能價格比較表

綜合上述七種管材，各自都有優缺點[5]，結合本工程區的地質地形條件，及本工程中管道工作壓力≥1.0 MPa 的情況，從管槽開挖、管道的制造到在管槽內安裝，整個土建施工程序考慮以及工程安全運行的要求、工程造價等綜合因素，本工程根據管段壓力及管基地質情況，分段選擇不同的管材。

本工程輸水管道的工作壓力≥1.0 MPa，所以本工程宜不采用玻璃纖維增強塑料夾砂管、預應力鋼筒砼管（PCCP）及聚乙烯（PE）管。

工作壓力高達1.0 MPa 以上管段主要考慮球墨鑄鐵管和鋼管進行比較，由于球墨鑄鐵管承壓能力較低，管節短，接口數量多，因管段所處地段工程地質條件及水文地質條件均須做防腐處理，分析比較后鋼管和球墨鑄鐵管每米造價接近。由于大部分管線位于河床及溝道中，受水流沖刷威脅較大，鋼管整體性好，抗沖刷破壞能力較強，同時管段壓力較高，而且城市供水的高保證率（P=95%）對管道的檢修時間有提出相應要求，鋼管和球墨鑄鐵管相比優勢突出，綜合考慮安全及經濟因素，故本工程輸水管道設計選用螺旋鋼管。

2.3 輸水管徑的確定

本工程輸水管道采用單管，起點高程1208.5 m，末端高程1014.96 m，管線總長25.866 km，可采用重力流自流輸水。管徑選擇一是考慮管內流速應大于0.6 m/s，以防泥沙淤積[6]，二是管線在劉家溝與北崖溝之間需翻越兩溝之間的分水嶺，分水嶺最低高程1297 m，高出取水樞紐處管道起點水位約90 m，比較后管線采用設穿管隧洞的方式穿越分水嶺，以滿足重力流輸水要求。因此，本段管道水頭損失不宜過大，以免穿管隧洞過長，投資過大。為滿足流速大于0.6 m/s，管內徑應小于400 mm。對管徑D=323.9 mm、377 mm 兩種進行比較。當鋼管管徑D=323.9 mm（外徑）時，穿管隧洞長約2800 m；管徑D=377mm(外徑)時，穿管隧洞長1570 m。管徑D=323.9 mm 穿管隧洞投資增加約415 萬元，管材投資減少約200 萬元，總投資增加約215 萬元。因此，本段管道管徑以D=377 mm（外徑）為宜。穿管隧洞出口736 m 處（樁號22+610）至凈水廠管道總落差約91 m，管線長3.256 km，每公里管長可用水頭較大，管徑選擇以盡量利用水頭減小管徑為原則，經計算，管徑D=219 mm(外徑)時，本段管道水頭損失約66 m，小于可用水頭，輸水流量滿足設計要求。

3 穿管隧洞設計

管道在20+304～21+874 處布置穿管隧洞，長1.57 km，隧洞縱坡1/400。因輸水線路中穿管隧洞作為最重要的建筑物之一，受地形、地質條件的影響較大，施工較為復雜，本文專門進行研究。隧洞呈城門洞型，斷面尺寸按施工斷面控制，隧洞凈高2.0 m，頂拱呈半圓形，半徑0.9 m，兩側直墻高1.1 m，底板厚0.2 m。穿管隧洞進出口均設現澆C20 鋼筋砼洞臉，洞臉頂寬0.8 m，頂部設0.3 m×0.3 m 排水溝。穿管隧洞進出口設進人孔，底板側墻厚0.3 m，頂部設預制C25 鋼筋砼蓋板，厚0.2 m，內尺寸1.8 m×1.8 m×3.1 m。

根據圍巖巖性及類別分為兩種襯砌類型：

①Ⅰ型洞：Ⅳ類圍巖，圍巖穩定性較差，需及時進行加固襯砌。

襯砌結構：臨時支護和永久襯砌結合的結構形式。施工期臨時支護結合永久襯砌頂采用系統錨桿，掛網噴砼，噴混凝土厚度為8 cm；拱頂及側墻采用φ20 系統錨桿錨固，錨桿長2.0 m，深入巖石1.90 m，外露0.10 m，呈梅花狀布置，間排距1.5 m，并設間距1.2 m 的Ⅰ12 鋼拱架形式組合襯砌。

②Ⅱ型洞：Ⅴ類圍巖，洞進、出口加強段，施工期臨時支護，采用系統錨桿，掛網噴砼，噴混凝土厚度為15 cm；拱頂、側墻采用φ20 系統錨桿錨固，錨桿長2.0 m，伸入巖石1.85 m，外露0.15 m，呈梅花狀布置，間排距1.0 m，并設間距0.8 m 的Ⅰ12鋼拱架形式組合襯砌。

穿管隧洞頂拱、側墻為現澆C20 鋼筋砼，襯砌厚度為300 mm，底板為200 mm 厚現澆C20 砼。穿管隧洞內管道每隔6 m 設一支墩，支墩與側墻間距為0.3 m，支墩為現澆C20 砼，長0.6 m，寬0.4 m。支墩與管道間設兩氈三油墊層。隧洞進出口各50 m范圍內每隔10 m 設一條橫向伸縮縫。

4 結論和建議

本文對楊柳河引水工程的設計、施工進行分析，結果可保證隴南市和兩當縣用水的可靠性和經濟性，還可為以后研究長距離調水工程的技術安全性提供參考。工程實施以后，可以解決兩當縣縣城居民、城關鎮、金洞鄉周邊鄉村共計1.6145 萬人和前來兩當接受紅色教育等方面的游人等用水困難問題，促進當地經濟和社會的發展。