二壩西干引水渠輸水管線設(shè)計(jì)方案探討

肖 冰

（山西省水利建筑工程局有限公司,山西 太原 030006）

1 工程概況

汾河灌區(qū)是山西省境內(nèi)最大規(guī)模的自流灌區(qū)，地處山西中部太原盆地，東西寬21.5 km，南北長145.8 km，控制灌溉面積14.6 萬hm2。汾河灌區(qū)分為一壩灌區(qū)、二壩灌區(qū)和三壩灌區(qū)，二壩西干引渠改造工程位于二壩灌區(qū)。二壩西干引渠始于二壩攔河閘前庫區(qū)，終于二壩西干分水閘，全長約1.2 km。二壩西干引渠來水包括兩部分，一部分為一壩西干來水，另一部分為二壩庫區(qū)來水，一壩西干來水水質(zhì)較好，而二壩庫區(qū)水質(zhì)較差。二壩西干引渠除向二壩灌區(qū)輸水外，還擔(dān)負(fù)著向清徐清泉東湖、西湖的供水任務(wù)，在6 月初的夏澆和10 月下旬的秋冬澆時(shí)，一壩西干來水與二壩庫區(qū)來水同時(shí)通過二壩引渠，使得清、污水混合，但是清徐清泉東湖、西湖用水水質(zhì)要求較高，需對(duì)二壩西干引渠進(jìn)行改造，將一壩西干來水和二壩庫區(qū)來水分開。二壩西干引渠向清泉東湖及通過西一支渠向清泉西湖供水，清泉東湖引水口、一壩西干尾閘和西一支進(jìn)水閘均位于西干引渠右側(cè)，故在二壩西干引渠中設(shè)置中隔堤，將西干引水渠右側(cè)劃為清水區(qū)，作為清泉東湖、西湖的引水水源。中隔堤起點(diǎn)為現(xiàn)清泉東湖進(jìn)水閘上游約20 m，起點(diǎn)設(shè)置一道閘門，終點(diǎn)為二壩西干分水閘，中隔堤白石河處設(shè)置泄洪閘，泄洪閘采用液壓合頁閘，全長30 m。

2 輸水管線設(shè)計(jì)

2.1 工程布置

引水管線出水源泵站后，向西南穿過白石河左側(cè)堤防至堤內(nèi)側(cè)，后向西北沿白石河左側(cè)河灘地逆流鋪設(shè)，該段河道已經(jīng)美化治理，為滿足景觀蓄水要求，沿河800 m左右設(shè)有攔河閘壩，管線途經(jīng)2 處閘壩和2 處跌坎。管道沿河道橫穿閘壩時(shí)需拆除壩兩側(cè)漿砌石擋墻，待管道開挖埋設(shè)后進(jìn)行恢復(fù)。

該段引水管道流量大、揚(yáng)程低，管材選用球墨鑄鐵管，根據(jù)汾河灌區(qū)二壩灌區(qū)灌溉規(guī)模及其余干渠施工經(jīng)驗(yàn)，確定管徑1.2 m，管線全長2 km。管道在北營水庫西南角出白石河，在北營一級(jí)泵站廠區(qū)內(nèi)設(shè)控制閥室，水流經(jīng)閥室后進(jìn)入北營水庫，庫內(nèi)防沖護(hù)坡結(jié)合北營一級(jí)泵站進(jìn)水池布置。

圖1 輸水管線線路示意圖

2.2 管線設(shè)計(jì)

2.2.1 管道埋深

管道埋設(shè)深度的確定是在控制工程投資的基礎(chǔ)上保證輸水管線安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)《室內(nèi)給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013-2006）規(guī)定，管道埋設(shè)深度應(yīng)根據(jù)管道外部荷載、管材強(qiáng)度、管道交叉布設(shè)、冰凍情況等綜合確定[1]。

本工程供水管線所處地區(qū)為北方寒冷地區(qū)，最大凍土深度為0.83 m。為保證輸水管線的安全，滿足防凍及管道正常工作的要求，將輸水管線埋置于最大凍土深度以下，同時(shí)結(jié)合各類閥門安裝高度要求和檢修要求等，在滿足供水管線正常使用和檢修的基礎(chǔ)上確定輸水管線的管頂覆土厚度最小為1.5 m。縱向坡度和地形坡度相同，管溝開挖底寬按管外側(cè)≥0.6 m確定，開挖坡度≥1∶0.5。

2.2.2 管道敷設(shè)與基礎(chǔ)處理

管道基槽開挖斷面在管底高程處開挖寬度不小于1.2 m，開挖邊坡根據(jù)鋪設(shè)管道沿線的具體情況，并結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料和鋼管施工經(jīng)驗(yàn)確定，穿河段開挖邊坡為1∶1.25，其他管槽開挖邊坡為1∶0.75，水下1∶1.0，開挖深度超過5 m時(shí)需加設(shè)一級(jí)馬道。

管槽開挖成型后，進(jìn)行基礎(chǔ)處理、整平，其上鋪設(shè)0.2 m厚砂礫石墊層，墊層盡量采用天然砂礫石回填，填料最大粒徑不大于50 mm，粒徑大于2 mm的顆粒含量百分比在20%～50%之間，小于0.075 mm的顆粒含量不得大于15%，壓實(shí)相對(duì)密度不小于0.75。管道管區(qū)回填時(shí)回填材料應(yīng)均勻散布在管溝內(nèi)，沿管道兩側(cè)同時(shí)均勻回填，每層回填虛鋪厚度應(yīng)不大于300 mm，不擾動(dòng)管位，管道兩側(cè)的回填高度差不應(yīng)超過一層填筑厚度。管區(qū)內(nèi)的回填材料不應(yīng)含有樹根、樹枝、草等有機(jī)物質(zhì)，也不能有垃圾、廢渣，回填材料的最大粒徑為150 mm。同時(shí)要求鋼管輸水管道外徑以外300 mm的范圍內(nèi)的回填材料最大粒徑不大于50 mm，管頂500 mm范圍內(nèi)不得采用大型機(jī)械碾壓。對(duì)于需要復(fù)耕的區(qū)域回填時(shí)回填材料應(yīng)為原表層土，農(nóng)田復(fù)耕段應(yīng)留有高度不小于300 mm的表層余土，使之高于原地面，以作為自然沉實(shí)補(bǔ)償之用[2]。

2.3 管道水力計(jì)算

根據(jù)《室內(nèi)給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013-2006），二壩西干引水渠輸水管線供水保證率90%，為確保供水量，根據(jù)規(guī)范，將管線設(shè)計(jì)流量所考慮的供水量日變化系數(shù)確定為1.5，時(shí)變化系數(shù)確定為1.6，輸水管線設(shè)計(jì)流量1.85 m3/s，由于本輸水工程采用單管管道，根據(jù)工程地形條件和管線走向進(jìn)行管道及附屬建筑物布置和管道壓力等級(jí)的確定。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-2018）進(jìn)行管線沿程水頭損失的確定，局部水頭損失為沿程水頭損失的10%。

式中：hf為管線沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)，本工程取f=0.00169；L為管線長度，m；Q為流量，m3/s，本工程取Q=1.85 m3/s；m為流量指數(shù)，本工程取m=1.85；d為管徑，mm；b為管徑指數(shù)，本工程取b=5.29。

本工程管線水力計(jì)算結(jié)果見表1，為節(jié)省投資，保證管道運(yùn)行的安全性，管道水力計(jì)算在管道壓力等級(jí)≤1.0 MPa下進(jìn)行，在地形壓力差為100 m管道位置設(shè)置調(diào)壓池，壓力等級(jí)根據(jù)所確定的設(shè)計(jì)流量及水力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行確定。

表1 輸水管線水力計(jì)算結(jié)果

2.4 附屬建筑物布置

根據(jù)本工程運(yùn)行和安全管理要求，結(jié)合地形及線路布置情況，在輸水管線上布設(shè)排氣閥井、排水閥井、檢修閥室、分水閥室、流量計(jì)井、鎮(zhèn)墩等附屬建筑物，工程沿線設(shè)置控制閥1 座、排氣閥井4 個(gè)、排水閥井4 個(gè)、流量計(jì)井1 個(gè)，鎮(zhèn)墩13 個(gè)、穿河跌水坎4 處。

2.4.1 排氣閥井

為避免水中積累的氣體壓縮過水?dāng)嗝嬉约肮艿涝谂潘畷r(shí)出現(xiàn)負(fù)壓，需在輸水管線上適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置排氣閥井。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013-2006）要求，排氣閥井一般布置在管道的高凸處，本工程供水管線共設(shè)置4 個(gè)排氣閥井。排氣閥井為方形現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全部位于地下，平面尺寸為3.0 m×3.0 m，壁厚0.3 m，底板厚0.5 m，下鋪0.1 m厚C15 素混凝土墊層。井蓋板采用預(yù)制C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.2 m，其上留有邊長0.9m的進(jìn)人孔，進(jìn)人孔蓋板采用邊長為1.1 m的預(yù)制C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚100 mm，井蓋板高出周邊地面不少于0.5 m。井筒內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼爬梯，排氣井基礎(chǔ)下部鋪設(shè)0.1 m厚C15 素混凝土墊層。為了順利進(jìn)排氣體，在操作井頂板上設(shè)一管口焊接鋼絲網(wǎng)片的DN250 排氣鋼管，管口高于井蓋板0.5 m。

2.4.2 排水閥井

為便于管道檢修或發(fā)生事故后在盡快短的時(shí)間內(nèi)排出管道內(nèi)存水并將管內(nèi)沉淀雜物、泥沙沖洗干凈，結(jié)合檢修時(shí)間要求，將排水閥井布置在管道底凹處和檢修閥室之前，由輸水管道上接出的DN300 排水管將水引至集水井內(nèi)，再由水泵將集水井內(nèi)水抽出，供水管線全線共布置4 座排水閥井。排水閥井由閥井和集水井并聯(lián)組成，為矩形C25 鋼筋混凝土豎井，中間用0.3 m厚C25 鋼筋混凝土墻相隔，兩井尺寸均為1.5 m×1.8 m，壁厚0.3 m，井底板厚0.5 m，井底設(shè)邊長0.5 m，深0.3 m的集水坑。頂板設(shè)一邊長為0.9 m的預(yù)制C30 鋼筋混凝土進(jìn)人孔蓋板。排水基礎(chǔ)下部鋪設(shè)0.1 m厚C15 素混凝土墊層。閥井及集水井井筒高出地面0.5 m，井內(nèi)側(cè)均在隔墻上設(shè)有鋼爬梯。

2.4.3 流量計(jì)井

為了能夠準(zhǔn)確觀測管道內(nèi)水流流量變化情況，結(jié)合供水工程流量控制要求，在出水池、加壓泵站上游側(cè)設(shè)流量計(jì)井，每個(gè)流量計(jì)井中配備1 臺(tái)電磁流量計(jì)。井筒為邊長3.0 m的方形現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板、壁厚0.5 m、0.3 m，井筒高出地面0.5 m。井壁內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼爬梯，井蓋采用預(yù)制C30 鋼筋混凝土板，井蓋厚0.2 m，人孔邊長900 mm，井蓋上設(shè)一帶有濾網(wǎng)的DN250排氣鋼管，流量計(jì)井基礎(chǔ)下鋪設(shè)0.1 m厚C15 素混凝土墊層。

2.4.4 控制閥室

為了能在管道發(fā)生事故時(shí)分段進(jìn)行檢修，加快清淤和檢修速度，減少棄水損失，結(jié)合輸水管線運(yùn)行管理和事故檢修排水及地形條件等因素，輸水管道沿線平均每隔4 km設(shè)置1座控制閥室，供水管道沿線共布設(shè)1 座控制閥室。控制閥室為上下結(jié)構(gòu)，上部為檢修控制間，磚混矩形結(jié)構(gòu)，平面外形尺寸為5.5 m×5.5 m，磚墻后0.37 m，凈高4.0 m，內(nèi)放配電箱等電氣控制設(shè)備；下部為C25 鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，底板、邊壁分別厚0.7 m、0.5 m，下部結(jié)構(gòu)高于地面0.2 m，井深隨地面高程不同而變化，檢修控制平臺(tái)為C25 現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.2 m，設(shè)孔口邊長900 mm的方形人孔，井筒內(nèi)側(cè)埋設(shè)鋼爬梯，底板埋設(shè)集水坑。為方便設(shè)備檢修更換，檢修控制平臺(tái)板上設(shè)一尺寸為1.0 m×1.5 m吊物孔。檢修閥室基礎(chǔ)下部鋪設(shè)0.1 m厚C15 素混凝土墊層。

3 結(jié)論

二壩西干引水渠輸水管線工程建成后，目前已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行階段，通過試通水及正式供水檢驗(yàn)，連接段輸水管線及建筑物運(yùn)行良好，運(yùn)行過程中，除向二壩灌區(qū)輸水外，向清徐清泉東湖、西湖日供水量可達(dá)5.21 萬m3，本引水渠輸水管線工程的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益順利發(fā)揮。