水庫連通工程輸水管比選及特殊地段管道工程設計

王 超，任 方

(宜昌市水利水電勘察設計院有限公司，湖北 宜昌 443000)

水庫之間的連通輸水工程可以有效補充和盤活水庫水源，有效緩解區域用水矛盾問題，而連通工程設計方案直接影響了供水能力及運行成本，且與區域內的實際地質條件有關，因此必須要進行綜合論證。

1 工程概況

官莊水庫多年平均徑流量約為2000萬m3，補充水量約為8000萬m3，水量充足，水質全年65%時間為Ⅰ類水體，其余為II類水體(地表水環境)。梅子埡水庫作為宜昌市區主要水源，目前水質較差，且水庫長期處于低水位運行狀態，水環境容量大幅度下降，已無法保持生態平衡。官莊水庫地勢較梅子埡水庫高出86.38m，由官莊向梅子埡水庫供水運行完全可行，設計日供水規模為36萬t，輸水流量為5.1m3/s。

2 輸水管方案確定

2.1 工程總體布置設計

本項目因受引水線路沿線用地條件限制，不宜建設明渠，同時明渠不利于水質得到保障，根據實際情況，設計采用管道方式輸水。根據既有地形條件和協調結果，本次線路布置設計盡量沿河溝或道路一側布置。

本項目管線總體設計如下：官莊水庫右岸取水口→習家崗1#隧洞→習家崗2#隧洞→習家小河、楊樹河→東方大道→梅子埡水庫庫尾。管線全長15.15km，包括2.45km隧洞(輸水隧洞180m、洞內明敷管道2273m)、12.59km管道、末段明渠0.11km。

2.2 輸水管材比選

輸水管材是影響工程造價的主要因素之一，不同管材，其水力特性、耐久性、經濟性、施工難度等方面均有較大差異[1]。本項目可選擇管材包括鋼管(SP)、預應力鋼筋混凝土管(PCP)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼管(GRP)和球墨鑄鐵管(DIP)，對輸水管材進行比選分析[2]，結果詳見表1、表2。

表1 各類管材優缺點對比

表2 各類管材價格對比 單位：萬元/km

本工程輸水管道具有管徑大、壓力高、不良地層較長、輸水安全性要求高、施工工期短特點。綜合上述多個參數，兼顧管材應用經驗，本項目最終選擇球墨鑄鐵管(DIP)作為輸水管材，均采用雙管鋪設[3]。

2.3 最佳管徑方案設計

管徑大小直接關系到輸水能力、管道成本、施工成本，因此需要在滿足輸水量的前提下降低管徑尺寸，最佳管徑可通過公式計算管道沿程水頭損失hf來分析，具體見式(1)[4]，本項目局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算。管徑設計方案及結果見表3。

(1)

式中，λ—水力摩阻系數；L—計算管段管道長度；di—管道內徑；v—管內水速；g—重力加速度，取9.81m/s2。

由表3數據可知：①方案1全線敷設DN1200球墨鑄鐵管，水頭損失大，末端富余水頭為負值，不滿足輸水要求；②方案3全線敷設DN1400的球墨鑄鐵管，管道的水頭損失較小，末端富裕水頭較大，但經濟性差；③方案2以小鴉路為界，上段敷設DN1400mm球墨鑄鐵管，下段敷設DN1200mm球墨鑄鐵管，可滿足輸水要求，管道投資也較為經濟。因此，通過綜合比較，本項目推薦選用方案2[5]。

表3 管徑設計方案比選

3 特殊地段管道工程設計

此次連通工程施工共包括隧洞工程4處(習家崗1#和2#隧洞、楊家埡隧洞、趙家灣隧洞)，以及順河、跨河、跨堰塘段和跨路段管道工程。隧洞工程總體結構設計基本一致，在此以習家崗2#隧洞為例，對隧洞管道工程進行設計分析。

3.1 隧洞工程管道設計

習家崗2#隧洞利用原西干渠習家崗隧洞，該隧洞現狀長467.0m，進口底板高程為168.90m，出口底板高程為166.85m，縱坡為1/228，寬2.0～2.3m，高1.8～2.5m，斷面不規則。

(1)進出口結構設計

本項目對習家崗2#隧洞進出口設計如下：①為滿足管道布置要求，對該隧洞進行擴挖，擴挖后斷面尺寸為6.2m×4.96m；②進口23m、出口15m范圍設計鋼筋混凝土襯砌(厚度40cm)以增加結構強度，拱頂120°范圍采用回填灌漿(斷面結構如圖1所示)[6]。

圖1 習家崗2#隧洞進出口結構斷面設計(單位：mm)

(2)洞身結構設計

隧洞洞身段采用混凝土掛網錨噴(厚度10cm)，下部鋪設兩根直徑為1.4m的球墨鑄鐵管，管座采用C25混凝土現澆，管身采用黏土壓實回填，管頂采用20cm厚C25混凝土澆筑，上部為西干渠過水通道(斷面結構如圖2所示)[7]。

圖2 習家崗2#隧洞洞身結構斷面設計(單位：mm)

3.2 順河、跨河、跨堰塘段工程施工設計

本項目順河、跨河、跨堰塘段管道工程施工方法一致，均在河道枯水期時采用“明挖→埋管→回填”，具體設計如下：①管道下部平段埋置于河床下，管線左右10m范圍內的河道進行護砌處理[8]；②在滿足抗浮穩定基礎上，采用淺埋式防護方案，以減少開挖量，根據實際地質條件設計管道置于河底以下2.0m；③設計管道外包50cm厚C20混凝土，人工回填至原河床高程。

3.3 穿路段工程施工設計

本項目管道須穿越的小鴉公路為新建公路，上部為近期填筑土，較為密實，下部為第四系粉質黏土，硬塑。

本段管線開始設計布置在小鴉路填土中下部，但填土成份復雜，多夾雜碎塊石，塊徑為30～50cm，且施工可能會影響公路質量，因此改為利用已建下穿公路涵洞作為管道敷設通道。設計在涵洞底板澆筑混凝土支墩，間距3.0m，管道敷設后回填土方至管頂以上0.5m(斷面結構如圖3所示)[9]。

圖3 管道穿越小鴉公路結構斷面設計(單位：尺寸為mm；水位為m)

4 結語

本項目建設工期為2018年5月16日—2019年1月15日，共計8個月，完成了全部引水敷設埋管工程并試通水，輸水量達到了設計要求，取得了較好的經濟和社會效益，極大緩解了宜昌市用水緊張問題。在工程設計過程中，輸水工程設計應當緊密結合項目區地質、環境、長度、成本等多個條件，通過對比選擇最適合方案，切忌盲目追求“高大上”而可能導致項目經濟性變差。