青年泵站及輸水管線設計分析

費開軒

(廣東水科院勘測設計院,廣東 廣州 510610)

1 工程概況

汕尾市區應急備用水源工程是為解決在發生特大干旱、突發水安全事件情況下汕尾市城區汕尾市區居民生活日常均值75%，以及工業、城鎮公共正常情況30%的用水，從而進一步提升汕尾市城區的供水安全保障能力的跨流域調水工程。工程從海豐縣青年水庫尾水渠引水，經過青年泵站加壓后輸送至新地水廠原水池。該工程取水量為9.5萬m3/d，折合設計引水流量1.1 m3/s，合計20 d的取水量為190.0萬m3[1-3]。

工程供水對象為汕尾市城區，以青年水庫為起點，新地水廠為終點，輸水管線總長約該方案原水輸水線路總長約26.7 km。根據工程按供水對象的重要性，確定本工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時建筑物為5級[4-6]。

2 青年泵站設計方案分析

該應急備用水源工程青年泵站初擬裝機2用1備，單泵流量0.55 m3/s，設計揚程85 m，電機功率630 kW。泵站采用液控緩閉止回蝶閥斷流。

2.1 樞紐高程

泵站樞紐位于小液河左岸，放水涵尾水渠右岸青年水庫管理房廠區內。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(GB 50201—2017)與《泵站設計規范》(GB 50265—2010)的規定，青年泵站的防洪標準為30年一遇洪水設計、100年一遇洪水校核。泵站樞紐由進水前池、主泵房、檢修間、壓力箱、管理房、配電房等建筑物組成。泵站樞紐所處位置地面高程為5.0～5.3 m，建成后泵房水機層地面高程為5.5 m。泵房水下墻高程為5.5 m，滿足規范GB 50265—2010，超高下限滿足規范要求。

2.2 主、副廠房布置

主、副廠房的布置是在可研報告基礎上及充分征求海豐縣青年水庫管理所意見的基礎上進行優化布置，主泵房安裝3臺雙吸離心泵(兩用一備)，由下至上依次為水泵層、電機層。水泵層底板高程1.00 m，建基面高程-0.80 m，泵組安裝高程2.16 m，機組間距4.80 m(機組中心距)，為節約用地，主、副廠房合并布置，泵房總占地為長×寬=24.05 m×12.90 m。混凝土水下墻頂高程5.50 m、6.60 m，主泵房設有1臺50 kN單梁電動葫蘆，軌頂高程10.20 m，泵房頂高程11.00 m，泵房頂高程不超過青年水庫管理樓一層高度。

2.3 沉砂池布置

沉砂池進水口北側，沿現有渠道布置，渠道為矩形斷面，渠道底寬約8.0 m，底坡i=0.001。渠道水深按明渠均勻流計算。引水流量為1.1 m3/s時，渠道水深渠道攔沙坎高度為50 cm，糙率取0.025，求解得到明渠水深為0.271 m，流速0.507 m/s。在最小引水流量下，引水比K=Q引/Q渠=1.0。沉砂池段渠底高程為3.0 m，達到設計流量時，渠道水位為3.271 m。

2.4 攔沙坎設計

攔沙坎高度根據引水流量確定，根據工程布置，前池進水口尺寸為2.0 m×3.2 m，側向進水結構。根據索科洛夫對無壩取水的經驗總結，在含沙量較小的穩定河床中，攔沙坎高度可采用0.5～0.8 m。本工程從青年水庫取水，放水渠渠底和側壁均做過硬化處理，原水含沙量比較小。攔沙坎高度采用0.5 m是合適的。

根據《水力學》[7]按式(1)進行計算：

(1)

式中：Q為流量，m3/s;σ為淹沒系數；ε為側收縮系數；m為流量系數，取0.366；n為孔數，取2.0；b為孔寬，取3.2 m；H0為上游水位。

經計算，得出側堰進口堰頂高程為2.6 m。

2.5 青年泵站監測設計

青年泵站為3級建筑物，主要布置變形和環境監測。

(1)變形監測。在泵站擋墻、閘墩分縫兩側及廠房四周布置10個垂直位移測點，采用精密水準法進行監測；建筑物變形影響區以外堅實基礎上布置2個起測水準基點和1個校準基點進行校核。

(2)環境監測。在進水池布置1根水位標志和1根水位計，并在泵站樞紐區域布置1套百葉箱和1支雨量計。儀器電纜引致泵站管理中心。

3 輸水管線設計方案分析

管材采用DN1000球墨鑄鐵管(鋼管)，新建管線長度12 299 m，管道主要采用開挖溝槽方式鋪設，管頂覆土厚度不小于1.0 m，大液河、小液河段管轄布置在堤防臨水側堤腳位置，其他河段布置在堤防背水側。

3.1 跨涵結構

管道跨越段距離堤防排水涵出口較遠位置采用跨河管橋結構。管橋段采用直徑800 mm混凝土灌注樁，樁頂設置支墩(鎮墩)，支墩間距參考《自承式給水管道附屬構筑物》(07MS101-3)，7度地震區(0.10 g)的非保溫管道，直徑DN1000，單跨允許跨度17.1 m，雙跨允許跨度17.1 m，本工程跨涵(小河)多為1跨和2跨結構。管橋均高于現狀排水涵、閘的頂高程，不影響其功能。

管道結構距離涵閘較近位置，管道在涵閘頂部設置支墩跨越。支墩間距與管橋跨度一致。根據沿線鉆孔柱狀圖，沿河段淤泥層最大厚度為13.6 m，上層填土厚度為1.4 m，管橋灌注樁長按穿透淤泥層并考慮一定的嵌固深度，管橋樁長為17 m。單樁豎向承載力特征值Ra=546.01 kN。

3.2 管槽開挖

3.2.1 陸地埋管段

根據管道沿線地層情況，管槽開挖主要有放坡開挖和鋼板樁支護開挖兩種形式。管槽開挖底寬計算式(2)如下：

B=D0+2(b1+b2+b3)

(2)

式中：B為管道溝槽底部的開挖寬度，mm；D0為管外徑，mm，球墨鑄鐵管取1048 mm；b1為管道一側的工作面寬度， DN1000管道取400 mm；b2為有支撐要求時，管道一側的支撐厚度，取150～200 mm；鋼板樁支撐時，槽鋼采用C-400×100×10.5×18槽鋼，厚度為100 mm；鋼板樁采用SP-Ⅲ型，厚度125 mm，支撐厚度取值為225 mm；b3為現場澆筑混凝土或鋼筋混凝土管渠一側模板的厚度，無鋼筋混凝土管道取值為0 mm。

3.2.2 頂管段

(1)黃江段頂管。黃江段頂管位于西閘上游，共設置1個頂管井，1個頂管井兼接接收井和1個接收井，頂管總長約561.17 m。頂管段管中標高-7.6 m。

(2)市區段頂管。市區段頂管段位于汕尾市區，1#頂管井位于汕尾大道北側，2號接收井位于汕尾大道南側，頂管線路橫跨汕尾大道，與汕尾大道夾角為43°。頂管長約66 m；3#頂管井位于成業路西側，4#接收井位于成業路東側，頂管與成業路夾角45°。頂管長約60 m，頂管完工后頂管井和接收井均用粗砂回填密實。

3.3 管道接口

球磨鑄鐵管與球磨鑄鐵管之間采用“T”型承插接口，埋地鋼管與球磨鑄鐵管之間采用承插短管連接，鋼管與鋼管之間采用焊接方式連接，球墨鑄鐵管及鋼管與閥門連接部位均采用法蘭連接。承插接口可以有一定的轉角以便于借轉，通常情況下，偏轉角度不大于1°，借轉角度也可根據廠家提供的參數進行偏轉連接。管道接口模型見圖1。

圖1 管道接口模型

3.4 管道抗浮計算

(1)球磨鑄鐵管抗浮計算。DN1000球磨鑄鐵管單位重量為309.3 kg，覆土厚度1.0 m，填土浮容重11 kN/m3。按最不利空管工況進行計算：抗浮力：Gk=13.09 kN,浮力：F=7.85 kN,Gk/F=1.67≥Kf=1.10，因此，滿足規范要求。

(2)沉管抗浮計算。DN1000鋼管單位重量為299.48 kg，最小覆土厚度1.1 m，填土(石)浮容重11 kN/m3，同樣按最不利空管工況進行計算：抗浮力：Gk=15.09 kN,浮力：F=7.85 kN,Gk/F=1.92≥Kf=1.10，因此，滿足規范要求。

3.5 頂管計算

鋼管頂管傳力面允許的最大頂力計算如式(3)：

(3)

式中：Fa b為鋼管允許頂力設計值，kN；φ1為鋼材受壓強度折減系數，可取1.00；φ3為鋼材脆性系數，可取1.00；φ4為鋼管穩定系數，取值0.40；fs為鋼材受壓強度設計值，Q235，抗壓強度設計值215 N/mm2。

經計算Fa b=2522.59 kN。

頂管總頂推力可按下式(4)估算：

F0=πD1Lfk+NF

(4)

式中：F0為總頂推力標準值，kN；D1為管道外徑，取1.024 m；L為管道頂推長度，取338 m；fk為管道外壁與土體的平均摩阻力，觸變泥漿減阻時，fk取2 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力，kN。

經計算F0=2274.27 kN。

由上述計算可知，頂管總頂推力小于鋼管最大允許頂力，管道不需要設置中繼間。

3.6 輸水管線監測設計

輸水管為3級建筑物，主要布置水平位移監測、沉降監測、土壓力內水壓力監測與應力監測設施。

(1)水平位移監測。1#～4#頂管井布置4根測斜管，共計16根；在輸水管線選取2個典型鋼板樁支護斷面在斷面鋼板樁外側各布置1根測斜管，共設置4根；在泵站旁邊的舊青年水庫管理房布置2根斜側管，管理樓進行位移監測。

(2)沉降監測。在1#～4#頂管井及頂管井之間的地面布置沉降節點，工布置10個垂直位移監測點，用于監測頂管井及管線經過地面的沉降情況。在頂管井及頂管變形影響區域以外設置水準起測點和基準點進行校核。觀測點位移觀測中誤差不大于±1 mm。

(3)土壓力監測。對1#～4#頂管井外側及減壓閥井鋼板樁支護外側各布置4支土壓力計，共計20支土壓力計，監測井壁外側的土壓力情況。

(4)內水壓力監測。在輸水管線沿程檢修閥及量水間布置壓力傳感器和壓力表，并布置2個監測點，用于監測管道內水壓力。

(5)應力監測。對1#～4#頂管井內襯墻處選擇應力較大位置各布置8只鋼筋計，共計32只鋼筋計，用于監測內襯墻內的鋼筋狀態；針對減壓井布置4只鋼板計，用于測量鋼板樁的狀態 。

4 結 論

(1)廣東省汕尾市區應急備用水源工程項目從青年水庫引水，解決汕尾市區的應急備用水源問題，進一步提升汕尾市城區的供水安全保障能力。

(2)汕尾市區應急備用水源青年泵站與輸水管線和設計方案滿足相應規范要求，工程技術可行、施工可操作性強、經濟性比較合理。

(3)應急備用水源的建設，提高了渠道輸水穩定性與安全性，改善汕尾市水利基礎設施，對地區經濟可持續發展有積極的現實意義。