莒南縣大水網工程扁山隧洞優化設計簡析

慕乾科，張繼山，王 勇

（1.莒南縣陡山水庫管理處，山東 莒南276600；2.莒南縣水利局，山東 莒南276600；3.莒南縣水務發展集團有限公司，山東 莒南276600）

為充分利用縣域內雨洪水資源，搞好莒南縣縣域內地表水資源時空統一調配，緩解水資源緊缺狀況，莒南縣于2014年籌劃構架了“三庫串聯、沭水東調、供水外埠”的“大水網”工程，其中沭水東調工程系取用沭河客水的綜合調蓄工程。規劃在道口鎮朱家莊段、沭河中泓樁號66+900處，興建沭河橡膠壩工程，攔蓄汛期沭河雨洪水資源，經6.4 km明渠自流輸水至魯溝泵站，再經20 km管道壓力輸水至扁山隧洞（另一分支進入石泉湖水庫調蓄）輸水至相邸水庫。其中扁山隧洞工程則是實現“三庫串聯、沭水東調”的關鍵工程。

1 扁山隧洞設計優化

1.1 已建東部供水工程概況

為解決莒南東部鄉鎮、臨港經濟開發區等工業用水匱乏問題，2014年山東水務魯南水務發展公司與莒南縣人民政府聯合興建了莒南東部供水工程，2015年東部供水工程建成投運。建設內容為自相邸水庫引水，在相邸水庫壩后新建裝機1 500 kW提水泵站1座，設計日供水25萬m3，經5 km長DN1600管道調水至坊前鎮大坊前村北嶺調節池。調節池容量3 000 m3，設計水位為94.0 m，下游鋪設總長43 km管道輸水，自流供水至莒南臨港產業園區、臨港經濟開發區、日照嵐山區等。

1.2 扁山隧洞優化設計緣由

扁山隧洞設計輸水方案：隧洞進口高程為108.00 m，出口高程為93.81 m，設計比降1/296，上游來水經扁山隧洞無壓輸水進入相邸水庫，再通過上述東部供水工程相邸泵站動力提水供水至下游用水戶。由于東部供水工程已建成投運、整個體系輸水能力固定，按照設計方案，沭河雨洪水資源需經魯溝泵站一級提水、相邸泵站二級提水方可供水至下游用水戶，整個過程需二次動力提水；陡山水庫、石泉湖水庫富裕水量部分也必須經由相邸泵站動力提水至下游用水戶，該過程需要一次動力提水。由于扁山隧洞來水均需經相邸泵站動力提水，不但大大增加了供水成本，而且不利于節約能源，需對原設計方案進行優化。

1.3 設計工況下輸水能力分析

根據扁山隧洞及下游已建東部供水工程設計指標，對下游供水能力進行了復核。扁山隧洞進口高程為108.00 m，設計比降1/296，出口高程為93.81 m，隧洞出口至東部供水工程坊前北嶺調節池距離7.3 km，調節池設計供水位92.50 m。經水力計算，隧洞設計出口斷面水面高程與調節池設計水位高差不滿足設計供水能力下自流供水至用水戶要求。

2 優化方案

扁山隧洞優化設計的指導思想：堅持工程投資微小變動原則，維持扁山隧洞設計斷面尺寸不變，通過微調扁山隧洞軸線走向，適當抬高隧洞出口高程，將扁山隧洞出口通過管道直接與相邸泵站出水管端連接，使扁山隧洞來水自壓輸水至下游調節池、下游用水戶，實現扁山隧洞后全部自壓輸水。

2.1 扁山隧洞設計指標

扁山隧洞位于石泉湖水庫下游3 km處，長4.2 km，斷面身為城門洞形，底部為3.9 m×2 m矩形斷面、上部為同寬半圓斷面。隧洞進口高程為108.00 m，設計比降1/296，出口高程為93.81 m，設計日供水能力25萬m3，整個隧洞設計工況為無壓輸水。扁山隧洞出口建鋼筋混凝土出水池。

2.2 具體優化方案

經研究沭河雨洪資源調配工程設計文件、下游已建東部供水工程竣工指標，通過水力計算，進行了方案比選，提出了隧洞下游自流供水方案。旨在將扁山隧洞出口高程抬高，在出水口處設置鋼筋混凝土出水池，通過2.4 km管道連接相邸泵站出水管道，自流供水至下游用水戶。優化設計后，沭河2 515萬m3來水僅需一級動力提水，陡山、石泉湖水庫富裕水量無需動力提水，將大大降低供水成本。具體優化方案為：

在設計供水能力、已建工程指標已確定的情況下，維持扁山隧洞設計進口位置、進口底高程108.00 m不變，根據現場地貌地質情況，將隧洞出口北移200 m，對隧洞軸線稍作調整，由原設計隧洞4 260 m、縱向比降1/296、出口底高程93.61 m調整為隧洞長4 080 m、縱向比降1/452、出口底高程98.98 m，隧洞出口底高程抬高了5.37 m。在隧洞出口建鋼筋混凝土出水池，出水池設計水位100.20 m。

2.3 輸水能力復核

根據扁山隧洞優化方案技術指標，對扁山隧洞輸水能力進行了復核。經復核，采用優化方案后，在維持設計供水能力不變的情況下，隧洞的正常水深由原設計方案的0.53 m增大為0.60 m，原隧洞設計橫斷面尺寸仍能滿足要求。

經水力計算，通過上述優化設計，即可滿足沭河雨洪水資源僅需經魯溝泵站一級提水、陡山水庫及石泉湖水庫富裕水量無需動力提水便可供水至下游用水戶，無需相邸泵站二次動力提水過程，從而達到節約成本、節約能源的目的。

3 投資及效能對比分析

3.1 投資對比分析

優化方案后，扁山隧洞長度由4 260 m調整至4 080 m，隧洞出口至相邸泵站出水管長度由原2 300 m增長至2 480 m。根據施工圖預算單價，隧洞開鑿襯砌每米綜合單價1.2萬元，包括管溝開挖回填在內DN2200×22螺旋鋼管購安每米綜合單價7 700元。方案優化后，隧洞工程減少投資216萬元，管道工程增加138.6萬元，綜合節省投資77.4萬元。

3.2 效能對比分析

方案優化后，扁山隧洞下游無需動力提水，可自流供水至下游用水戶。主要效益變化為節約的提水動力費。方案優化后產生的經濟效益根據相邸泵站的裝機容量等計算求得。根據上述水資源富裕量分析，沭河年可調劑使用水資源總量2 515萬m3。

相邸泵站設計揚程H=64.26 m，設計日調水能力25萬m3，設計流量Q=10 417 m3/h，N=1 500 kW，效率η泵=0.89。

泵站提水動力費按下式計算：

式中：E為電費，萬元；Q為設計流量，為10 417 m3/h；N為泵站裝機功率，為1 500 kW；K為電價，按0.68元/kW·h；W為年均提水量，9 050萬m3；η為綜合效率，取0.8。

經計算，在沭河年均引水量2 515萬m3計工況下，年均節約成本（動力費）為308萬元，年均節約電力能源453萬kW·h。

4 結語

莒南縣大水網工程是一個系統工程，內含項目多、技術要求高、系統關聯性強，應從整體效益出發，精心優化至每一工程每一環節。勘測設計單位在二次勘測現場、水力計算的基礎上，按照上述優化方案進行了變更。通過優化扁山隧洞設計，使扁山隧洞下游供水均為自壓供水模式，在保持設計供水能力不變的情況下，達到節約成本、節能增效的目的，經濟效益、節能效果顯著。