迪那河五一水庫供水工程大型多功能鋼筋混凝土調節池設計研究

萇登侖

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著城市的不斷發展，城市生產、生活用水需求對水源地供水之間的問題日益凸顯。水源地供水量與下游用水量之間的不平衡，供水管線運行維護、事故檢修與下游用水的矛盾，都對供水工程的水量調節、檢修維護等多種功能的應用提出了一定的要求。調節池是調節產水量、供水量與用水量不平衡的建筑物，其合理的結構布置型式，是實現多種功能、安全運行的關鍵。

迪那河五一水庫工業供水管線工程位于新疆輪臺縣境內，是五一水庫工程的配套工程，主要承擔向輪臺縣拉依蘇工業園區供水的任務。拉依蘇工業園區為自治區級重要的工業園區，主要以大型煤炭化工生產為主，用水日均變化量大，供水保證率高，為95%。迪那河為高泥沙河流，含沙量達8.61kg/m3，汛期水庫懸移質泥沙進入管道，可能影響調節池安全運行。本供水工程壓力管道水頭落差大，總靜水頭達253.6m，對管道運行要求高。本工程地質條件較復雜，地下水對建筑物安全產生不利影響。以上問題都對調節池在流量調節、保證管道檢修、保證自身安全運行等多方面都提出了較高的要求，設計中采取何種策略進行應對，值得研究。

1 工程概況

迪那河五一水庫工業供水管線工程是從五一水庫引水，受水點為位于水庫以南約23km的自治區級拉依蘇工業園區，年引水量4000萬m3，引水流量為1.62m3/s。本工程屬Ⅲ等中型[1]。本工程主要由取水口、輸水隧洞、輸水涵洞、前池、壓力管道、調節池、消能系統、放空系統等建筑物組成，其中輸水隧洞長6.27km，調節池前供水管道長11.898km，調節池后配水管道長4.89km。本工程取水口、輸水隧洞、輸水涵洞、壓力管道、調節池等主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。主要建筑物設防烈度Ⅷ度。工程總投資為3.95億元。調節池平面圖如圖1所示。

圖1 調節池平面圖

2 調節池設計難點分析

(1)調節池規模確定。在城鎮和工業供水中，供水保證率至關重要。對于長距離供水工程，若供水管道按照單根管道布置，為提高供水保證率，調節池應具備多日調節的能力，需要調節池具有更大的調節容量，成為超大型調節池或調節水庫；若供水管道采用雙管布置，調節池的調節能力則相應減小，其規模可大大降低。調節池規模的確定與供水保證率、工程投資及工程運行安全等多種因素密切相關。

(2)調節池位置選擇。長距離供水工程若通過取水口對供水流量進行調控則存在遲滯效應，調節建筑物應盡量靠近受水點。但園區附近地形較為平坦，無設置調節池的有利地形。調節池位置的選取不但要滿足用水戶不同工況下最不利點水壓要求，同時還應考慮如何降低揚水設施規模甚至不設置揚水設施。

(3)流量調節要求。水源地供水流量與下游用水流量存在差異，是需要進行流量調節的原因。水庫供水是按照恒定流量均勻供水，下游園區用水過程變動較大，需采取措施滿足用戶各種工況下的用水需求。

(4)供水保證率要求。受水區為自治區級大型工業園區，用水保證率高。應滿足在供水管道例行檢修和突發事故時，以及調節池自身檢修和沖沙排淤時，保證管線仍能夠運行，滿足用戶用水需求。

(5)水質改善。迪那河屬多泥沙河流，汛期水庫懸移質泥沙隨水流進入管線，降低了供水水質，給水質處理增加負擔，甚至可能會影響調節池運行，減小調節池容積，造成降低調節能力等不利影響。

(6)地下水降排問題。調節池為半埋入式結構，建基面低于地下水位。調節池存儲水量較大，若發生大的滲漏將抬升地下水位，尤其汛期洪水將導致地下水位顯著抬升，這些都可能造成調節池底板失穩，危及建筑物安全。

3 調節池選擇影響因素研究

3.1 調節池規模選擇

本工程供水管線總長16.92km，屬長距離供水工程[2]，調節池的型式和規模對工程投資和運行等影響均較大。調節池的規模與壓力管道布置形式密切相關，根據壓力管道單管布置和雙管布置兩種形式，調節池擬定了兩種不同規模進行比選。

(1)容積3.5萬m3。供水管道壓力前池設置在出山口，根據管網壓力對調節池水位的要求，調節池設置在距前池11.898km的位置，調節池總容積為3.5萬m3，調節時長為13.5h。調節池前供水管道采用兩根DN800鋼管平行布置，設計流量1.62m3/s，調節池后配水管道采用兩根DN900鋼管平行布置，最高日均流量1.782m3/s。

(2)容積(庫容)120萬m3。供水管道起點設置在出山口，管道末端的調節池根據筑壩材料易于獲得的價格優勢，設置成為調節水庫。調節水庫壩型為復合土工膜砂礫石壩，全庫盤鋪設土工膜防滲，最大壩高8.3m，正常蓄水位1096.0m，死水位1090.80m，總庫容120萬m3，調節庫容85萬m3，調節時長為6d。調節水庫前供水管道采用單根DN800鋼管，設計流量1.62m3/s，調節池后配水管道采用單根DN900鋼管，最高日均流量1.782m3/s。

經綜合比選，因管道長度相對較短，調節水庫的投資占比較大，投資增量大于少鋪設一根供水管道引起的減少量，投資較調節池方案增加2439萬元。調節水庫的征地范圍、施工難度相對較大，運行管理也相對復雜。因此，規模較小的調節池+供水管道雙管布置方案在短距離供水工程及相對較短的長距離供水工程中更為適用。

對于設有高壓疏水的系統，在布置設計時應盡量讓暖風器高位布置，使其疏水能自流到疏水箱，疏水箱的安裝高度還應滿足疏水泵汽蝕余量的要求[8]，把系統設計和布置設計充分結合起來，才能從源頭上得以解決暖風器的疏水問題。

3.2 調節池位置的選擇

供水管線敷設在山前沖洪積扇。根據地形特點，前段縱坡較陡，后段縱坡較小，總的落差較大。調節池可采用高位的布置形式(如水塔或高位水池)，也可采用低位的布置形式(如加壓泵站)[3]。采用全線自流和末端設置揚水泵站兩種方案進行比選。

(1)全線自流方案。要滿足管線全程自流，調節池應布置于地形相對較高的位置，其作用相當于高位水池。高位水池的最低運行水位，應滿足其供水范圍內最不利用戶接管點和消火栓設置處的最小服務水頭要求(管網最不利點壓力值詳見表1)。調節池布置方案詳見本文3.1節。

(2)加揚水泵站方案。前池設置在出山口，兩根平行布置的DN800壓力管道沿山前沖洪積扇向南敷設，到達工業園區后，在管線末端設置升壓泵站[4]。泵站由前池、主泵房、安裝間、副廠房組成。主泵房內設3臺560kW水平中開雙吸離心泵(一臺備用)，離心泵揚程為50m，升壓水頭值為29.8m。泵房出水管道接入園區管網。

根據綜合比選結果，全線自流方案工程布置相對較為簡單，施工難度較小，運行管理相對較為方便，工程投資節省3507萬元。因此選擇全線自流方案。

4 調節池的流量調節

4.1 調節池容積的確定

調節池的有效容積應根據上游供水過程線、下游用戶用水量及消防儲備水量等因素確定，單獨設置的調節池有效容積采用最高日用水量確定[5- 6]。

工業園區年需水量為4000萬m3。本工程采用全年均勻供水的方式，輸水管線設計流量為1.62m3/s。管線采用雙管輸水方式，單管流量按照70%設計流量，為1.14 m3/s。園區管網配水管采用雙管輸水方式，根據不同工況供水流量詳見表1。

表1 不同工況供水流量詳見

由表1可知，園區配水管流量按事故工況控制，其流量比上游供水管設計流量增大10%，可通過調節池對上、下游流量進行調配。本工程調節池有效容積根據最高日用水量的20%計算[4]，為1.782 ×3600×24×0.2=30793m3。調節池實際有效容積為31131 m3，總容積為3.5萬m3。現行圖集04S803《圓形鋼筋混凝土蓄水池》提供的最大容積為2000m3，不能滿足要求，需單獨設計。

4.2 調節時間計算

調節池的功能一方面體現在平衡上下游流量的差異，保證用戶用水需求，另一方面能在供水管線檢修維護和突發事故的情況下，按照事故流量向配水管供水。壓力管道事故流量為1.14 m3/s，為保持配水管流量不變，調節池需調節補充流量為0.642 m3/s。則經調節池調節，在管線檢修期間能夠延長以設計流量向配水管供水的時間為31131/0.642/3600=13.5h，完全能夠滿足檢修需要[7]。

5 特殊工況下調節池應對策略

(1)調節池應對特殊工況策略

設計中的應對策略為：在調節池中間設置一道隔墻，將調節池變為1、2號池兩個半池結構，如圖1所示，但隔墻高度約為池身高度的一半，在兩個半池進口段分別設置一個進水管與上游管道相接，在兩個半池出口段也分別設置一個出水管與下游管道相接。調節池為圓形鋼筋混凝土結構，池半徑37m，邊墻高10m，池內正常高水位1090.8m，對應水深8.32m，池內最低水位1083.48m，對應水深7.32m。隔墻墻高4m，將調節池底部隔開，墻頂低于正常高水位4.32m，高于最低水位4m。

(2)特殊工況下調節池的運行

正常運行時調節池池內水位控制在正常高水位和最低水位之間，由兩個半池進口的兩個閥門控制入池流量，由配水管道上的兩個閥門控制出池流量。

供水管道檢修或突發事故時，例如1號半池對應供水管道檢修，則關閉1號半池進口的閥門，保持一管進池兩管出池。1號半池水位降至最低水位時，關閉對應配水管道末端的閥門，2號半池繼續以供水管事故流量1.14 m3/s向對應配水管放水。根據前述計算，按照園區管網最高日均流量向下游放水時長為13.5h。

調節池采用兩個半池輪換的方式進行檢修。例如檢修1號半池，先關閉1號半池進口閥門，調整2號半池進水管流量至供水管事故流量1.14 m3/s；池內水位降至隔墻頂高程后，調整2號半池對應配水管流量至1.14 m3/s ；1號半池降低至最低水位時，關閉1號半池對應配水管末端閥門，打開1號半池沖沙放空閥門，排空水后可進行調節池的檢修。

6 改善水質措施

調節池直徑74m，斷面面積達4300m2，水流流速小于1mm/s，懸移質泥沙可得到有效沉積。調節池底板采用四周向中心放坡，并向集水池方向放坡，坡度均為1%。

調節池可在非高峰用水時段進行周期性沖沙排淤，調節池此時的作用相當于連續沖洗式沉砂池[8]。此種情況下，是利用調節池的有效容積進行的，供水工程仍保持正常運行。打開設置在集水池底部的沖沙放空管，排出調節池泥沙匯集至集水池。集水池設置在調節池出口段底板以下，為圓形斷面，直徑6m，深3.3m，被調節池中部隔墻分隔開，并分別位于調節池兩個半池，集水池共設置2根放水管和2根沖沙放空管。兩半池沖沙排淤可輪換進行也可同時進行。設計沖沙流量為0.5 m3/s。

為了徹底對池底淤泥進行清理，調節池可在自身檢修時，利用設置在邊墻底部的半環形清淤放水管結合人工清理的方式進行。每個半池設置一根清淤放水管，其進口設置在調節池進口閘室，將供水管道的高壓水適當減壓后引入池內，入池后清淤放水管沿邊墻底布設，管徑DN200，每隔5m設一個噴口。

7 地下水的降排策略

調節池基礎為第四系上更新統沖積砂卵礫石層，結構密實，承載力300～350kPa，地下水埋深5～6.5m不等，高于調節池建基面0.5～2m，汛期地下水位升高或調節池若大量滲漏，基地揚壓力易造成底板失穩。為保證底板穩定性和調節池安全運行，設計應對策略為：防止調節池滲漏，同時降低地下水水位。

(1)調節池的止水設計。調節池邊墻、底板采用分離式結構，邊墻采用扶壁擋墻，澆筑段長10m，結構縫采用B-P-280×10型橡膠止水帶止水。底板采用現澆混凝土板+土工膜防滲方式。混凝土底板厚200mm，分塊邊長3～4m。結構縫迎水面填50mm厚聚氨酯砂漿，其下部設PZ膨脹止水條。混凝土底板下布設土工膜(一布一膜，膜厚0.6mm，布重200g/m2)，土工膜上鋪設細砂層厚300mm(粒徑<5mm)，土工膜下鋪設排水料厚300mm(粒徑<20mm)。土工膜錨固于扶壁擋墻底板、立柱基礎、隔墻底板等混凝土結構側面。土工膜是一種常用的具有較好防滲效果的防滲材料，常用于大型蓄水池工程[9]，但由于土工膜施工中的缺陷也可能引起滲漏[10]，因此施工中應加強檢查和消缺。

(2)調節池的排水設計。在土工膜排水料下設PVC濾水花管，濾水花管埋置在排水槽底部，槽深0.5m，槽內回填排水料(粒徑20～40mm)。環向濾水花管共4根，管徑DN150～DN200，水平鋪設；徑向濾水花管共10根，關于圓心對稱布置，管徑為DN150，坡度為1/500，坡向池心；排水總管為PVC管，管徑為DN200，坡度為1/500，從基底中心點濾水花管匯集處接出，將地下水導向下游放空渠道。

8 結語

迪那河五一水庫供水工程設置的大型多功能鋼筋混凝土調節池，實現了流量調節、保持管網壓力、保證管道檢修與處理突發事故、改善水質等多種功能，同時調節池在自身檢修與沖沙排淤時能保證工程正常運行，地下水的降排處理也保證了調節池自身的穩定性。

調節池這種獨特的建筑物型式，實現了多功能集于一身，保證了工程安全，節省了工程投資，方便了運行管理。本文對設計研究成果進行了總結，為相同工程提供了借鑒。