河北邯鄲大磨山引水工程設(shè)計(jì)

王 敏

（邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 邯鄲 056005）

1 項(xiàng)目的建設(shè)背景、流域概況、地質(zhì)情況以及水資源情況

紫山區(qū)域作為邯鄲市西北部的一個(gè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，是全市西部生態(tài)屏障建設(shè)的重要組成部分。近年來，叢臺(tái)區(qū)政府為打造美麗邯鄲而大力推進(jìn)紫山區(qū)域生態(tài)修復(fù)建設(shè)，為改善城區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了重要作用。大磨山系紫山余脈，北接309 國道，與紫山生態(tài)保護(hù)區(qū)相對(duì)，東依西陶莊村，西臨興盛莊村，屬于紫山文化旅游休閑產(chǎn)業(yè)園的配套區(qū)域，以“體驗(yàn)度假、運(yùn)動(dòng)休閑”為主要內(nèi)容，打造出集餐飲、體驗(yàn)、消費(fèi)為一體的經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)。紫山文化旅游休閑產(chǎn)業(yè)園大磨山區(qū)域規(guī)劃總面積1 775 畝，水域面積為186 畝，蓄水量約為14.9 萬m3。由于受到地形地勢(shì)的制約，紫山區(qū)域蓄水無法自流進(jìn)入大磨山，而現(xiàn)狀支溝水源無保證，因此為大磨山區(qū)域開辟穩(wěn)定的水源尤為重要，意義重大。規(guī)劃大磨山水域板塊如圖1 所示。

圖1 規(guī)劃大磨山水域板塊圖

本工程所在流域?yàn)榍吆拥囊粭l支流溝道。沁河為子牙河水系滏陽河流域的一條支流，為季節(jié)性河流。沁河位于太行山東麓，邯鄲市西部的丘陵區(qū)，界于牤牛河與洺河流域之間。流域地形復(fù)雜，地面起伏較大，地形坡度較陡。紫山文化旅游休閑產(chǎn)業(yè)園紫云湖生態(tài)補(bǔ)水工程擬建兩座塘壩均位于沁河支流東陶村附近，兩壩址區(qū)間無支流匯入，控制流域面積基本一致。壩址以上控制流域面積5.53 km2，主河道長度5.374 km，河道平均縱坡25.45‰。項(xiàng)目區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春季多風(fēng)，年平均氣溫12.7°C，最低氣溫-18.3°C，最高氣溫41.0°C，多年平均降雨量540 mm 左右，降雨量多集中在7 月、8 月和9月三個(gè)月，三個(gè)月降雨量約為全年降雨量的65%～75%。每年初霜期多在10 月下旬，終霜期多在4 月中旬，全年無霜期200 d 左右，每年12 月、1 月和2 月平均溫度在0°C 以下。項(xiàng)目區(qū)所在位置西連太行山地，東接華北平原，總體地勢(shì)是西北、西部高，東南、東部低。管道沿線為低山丘陵-河流沖、洪積地貌，地勢(shì)起伏較小，總體地勢(shì)西高東低。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，該工程所在的三陵鄉(xiāng)Ⅱ類場地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相當(dāng)于地震烈度Ⅶ度。

本項(xiàng)目供水目標(biāo)為大磨山區(qū)域生態(tài)、景觀植被用水，年總需水量為67.3 m3，已包含在紫山現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園區(qū)的需水量中，根據(jù)審查通過的《紫山文化旅游休閑產(chǎn)業(yè)園紫云湖生態(tài)補(bǔ)水工程可行性研究報(bào)告》（2019 年5月），其可供水量可滿足規(guī)劃范圍紫云湖和紫山現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園區(qū)需水要求，故本項(xiàng)目需水可以滿足，供水有保障。

2 工程設(shè)計(jì)方案比選

本次設(shè)計(jì)新建1 座引水泵站，再鋪設(shè)供水管道將水引至大磨山產(chǎn)業(yè)園區(qū)。在選擇泵址和管道路線時(shí)要盡量避免穿越村莊及房屋等建筑物，減少永久建筑物占地。

2.1 泵址及輸水管線的選擇

根據(jù)前期到現(xiàn)場的考察，泵站的修建位置有兩個(gè)方案。方案一：泵站建在309 國道以南約30 m 處，東、西陶莊之間的狹長谷地的右岸，再通過管道將水引至大磨山區(qū)域，管道全長約1 000 m。方案二：泵站建在309 國道以北，規(guī)劃紫山生態(tài)水源涵養(yǎng)區(qū)最末端攔河壩的上游，再通過管道將水引至大磨山區(qū)域，管道全長約1 800 m。

輸水管線的選擇有三個(gè)方案。方案一：從泵站一引出，沿309 國道向西北方向引至大磨山區(qū)域，全長約1 000 m。方案二：從泵站二引出，沿沖溝向南，穿過東陶莊橋，沿方案一路線引至大磨山區(qū)域，全長約1 800 m。由于要下穿東陶莊橋，管線高程變化較大，沿線應(yīng)布設(shè)排泥井和排氣井。方案三：從泵站二引出，向西引至309 國道橋下，水自流入大磨山區(qū)域，全長約1 200 m。此路線要穿過紫山和陳大線公路，施工難度較大。

綜合泵址和輸水管線考慮，方案一引水泵站造價(jià)低，施工方便，輸水管道長度短，沿線開挖量小，施工占地問題易協(xié)調(diào)，所以選擇方案一，即將泵站建在309 國道以南約30 m 處，東、西陶莊之間的狹長谷地的右岸，沿309 國道向西北方向鋪設(shè)管道將水引至大磨山區(qū)域，全長約1 000 m。

2.2 水泵型號(hào)的選擇

工程中常用的水泵有離心泵、軸流泵、混流泵和潛水排污泵等，不同水泵的性能和適用范圍也不同。離心泵的流量和揚(yáng)程適用范圍較廣、效率較高，啟動(dòng)前泵內(nèi)須先充水或真空引水，啟動(dòng)時(shí)出水閥門關(guān)閉，但安裝高程受到水泵汽蝕余量的制約，對(duì)水質(zhì)要求較高[1]；軸流泵的流量大、揚(yáng)程低，常用于水位變幅不大的大型泵站和水廠內(nèi)的提升泵站或排水泵站等，泵房占地面積小，電動(dòng)機(jī)安裝在泵房上部的電機(jī)層內(nèi)，但在低流量時(shí)工作效率低，水泵工作不穩(wěn)定；混流泵適用于流量大、揚(yáng)程低的泵站，揚(yáng)程比軸流泵高，抗氣蝕性能和效率比軸流泵高，與同尺寸水泵相比，流量大于離心泵但小于軸流泵，揚(yáng)程高于軸流泵但低于離心泵，水質(zhì)要求為清水或輕度污水；潛水排污泵的流量與揚(yáng)程適用范圍較廣，水泵與電動(dòng)機(jī)聯(lián)接為一體，直接放入水中抽水，可簡化取水構(gòu)筑物與取水泵房工程，對(duì)設(shè)備的制造和絕緣性能要求較高，水質(zhì)適用范圍較廣[2]。

本次新建泵站的引水規(guī)模根據(jù)園區(qū)規(guī)劃，按峰值1 萬m3/d 考慮，即0.12 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為32 m。如果選用離心泵，泵房占地面積較大，且水泵安裝高程受到汽蝕余量的制約，現(xiàn)狀沖溝較深，約13 m，泵房需做成地下式，增加施工難度及土建工程量；潛水排污泵流量及揚(yáng)程范圍均適合，且結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，安裝維修方便，不受水質(zhì)條件約束。綜上對(duì)比，并結(jié)合泵站在區(qū)域中的位置及重要性、建設(shè)規(guī)模、運(yùn)行穩(wěn)定的重要性等方面考慮，確定本工程中水泵型式采用潛水排污泵。

2.3 輸水管道管材的選擇

目前國內(nèi)外常用的壓力管道主要有鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、聚氯乙烯管（PVC）和聚乙烯管（PE）等。

鋼管具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，可以承受較高的內(nèi)壓和適度的外壓，但耐銹蝕性差，如內(nèi)外防腐及電化學(xué)保護(hù)不完善，使用壽命較短。球墨鑄鐵管的耐腐蝕性優(yōu)于鋼管，機(jī)械加工性能好，可焊接、切割、鉆孔，施工方便，不易漏水。玻璃鋼管比熱塑性塑料管的耐腐蝕性能和耐溫性能更強(qiáng)，不需作內(nèi)外防腐，運(yùn)輸方便，施工快捷。聚氯乙烯管（PVC）具有較好的抗拉、抗壓強(qiáng)度，耐腐蝕性優(yōu)良，管材硬度高，但在外力下易脆裂。聚乙烯管（PE）的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性強(qiáng)，管道內(nèi)壁光滑、阻力系數(shù)小，相對(duì)于金屬管材，PE 管的重量輕、韌性好、施工方便[3]。

本工程地質(zhì)情況相對(duì)較復(fù)雜，管材的選擇應(yīng)傾向于對(duì)地形及地基適應(yīng)能力強(qiáng)的管材。另一方面，本工程的建設(shè)期比較短，工期比較緊，工程任務(wù)重，管材的選擇應(yīng)傾向于運(yùn)輸、施工工藝簡單，接口方便可靠的管材。綜上對(duì)比，本工程施工時(shí)推薦采用聚乙烯管（PE）。

3 工程方案設(shè)計(jì)

3.1 泵站設(shè)計(jì)

按泵站引水方向依次布置的主要建筑物有進(jìn)水池、閥門井和輸水管道。泵站形式采用前池式，前池位于現(xiàn)狀沖溝內(nèi)側(cè)，采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，容積的確定應(yīng)滿足5 min 進(jìn)水量，平面尺寸定為7 m×5 m，池深1.4～2.2 m，池壁和池底板厚度均為0.3 m，放置水泵處上方應(yīng)設(shè)置攔污柵，避免雜物垃圾進(jìn)入水池堵塞水泵進(jìn)水管。泵站設(shè)計(jì)流量為0.12 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為32 m，擬采用2 臺(tái)200WQ250-35-45 型潛水排污泵，呈一列式布置，單泵功率為45 kW，出水管均采用DN200 鋼管。河底采用17.7 m長、0.5 m 厚M10 漿砌石護(hù)底，下設(shè)0.1 m 厚碎石墊層，沖溝右側(cè)邊坡采用1∶2，采用0.5 m 厚M10 漿砌石護(hù)坡，下設(shè)0.1 m 厚碎石墊層，沿坡度方向每8 m 設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填充閉孔泡沫板。為保證管道安全穩(wěn)定，沿坡設(shè)置C25 素混凝土支墩。

進(jìn)水池為矩形，修建于沖溝內(nèi)坡腳處，采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上游進(jìn)口處池深1.4 m，高出河底0.1 m，其余池深1.5 m，高出河底0.2 m，池底高程為169.15 m，放置水泵處池深2.2 m，池底高程為168.45 m。進(jìn)水池長7 m，寬5 m，池壁和池底板厚度均為0.3 m，底板下設(shè)0.1 m 的C10 素混凝土墊層。進(jìn)口處設(shè)M10 漿砌石導(dǎo)墻，使水流平順進(jìn)入進(jìn)水池。

管道系統(tǒng)首部設(shè)置閥門井，采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為2.6 m×3.3 m，邊墻和底板厚度均為0.3 m，底板下設(shè)0.1 m 的C10 素混凝土墊層。閥門井內(nèi)設(shè)電磁流量計(jì)、空氣閥、傳力伸縮節(jié)、緩閉止回閥及控制蝶閥。該系統(tǒng)從渠道內(nèi)取水，接入供水管道實(shí)現(xiàn)供水。泵站總體平面布置圖如圖2 所示。

圖2 泵站平面布置圖（單位：mm）

3.2 管道設(shè)計(jì)

本次供水范圍包括紫山文化旅游休閑產(chǎn)業(yè)園大磨山區(qū)域。管道自引水泵站引出，沿309 國道向西北方向至規(guī)劃大磨山區(qū)域第一個(gè)坑塘內(nèi)。

3.2.1 管道水力計(jì)算

沿程水頭損失的計(jì)算按公式：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；m為流量指數(shù)，塑料管取1.77；f為摩阻系數(shù)，塑料管取94 800；Q 為管道設(shè)計(jì)流量，m3/h；D 為管道內(nèi)徑，mm；b 為管徑指數(shù)，塑料管取4.77；L 為管道長度，m。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算。通過計(jì)算，管道水頭損失為3.2 m。

3.2.2 管道壓力等級(jí)

管道壓力等級(jí)根據(jù)實(shí)際靜水壓力及管材國標(biāo)額定壓力等級(jí)確定，根據(jù)GB/T 13663.2—2018《給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第2 部分:管材》，管材壓力等級(jí)為0.6 MPa。

3.2.3 管道基礎(chǔ)及防護(hù)

本工程管道頂部要有適當(dāng)?shù)母餐辽疃龋艿缆裆畛凉M足抗凍、車輛荷載要求外，同時(shí)還應(yīng)滿足檢修或施工后期尚未通水階段的抗浮要求、滿足事故檢修及地面植被生長等要求，綜合分析管頂覆土深度為1 m。溝槽采用開溝機(jī)施工，鋪設(shè)完管道后采用溝槽開挖土回填。

3.2.4 管道閥門井設(shè)置

管道系統(tǒng)首部設(shè)置閥門井，采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為2.6 m×3.3 m，邊墻和底板厚度均為0.3 m，底板下設(shè)0.1 m 的C10 素混凝土墊層。閥門井內(nèi)設(shè)置電磁流量計(jì)、空氣閥、傳力伸縮節(jié)、緩閉止回閥及控制蝶閥。

3.2.5 出口防護(hù)設(shè)計(jì)

管道出口位于坑塘底部，為防止水流沖刷坑塘，對(duì)出口附近邊坡、坑底均采用0.3 m 厚干砌石護(hù)砌，護(hù)坡長10 m、寬10 m，護(hù)底長15 m、寬10 m，下設(shè)0.1 m 厚碎石墊層。

4 結(jié)束語

本工程實(shí)施后可為大磨山水域提供穩(wěn)定的水源保障，將產(chǎn)生良好的社會(huì)效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，增加園區(qū)水面面積和蓄水量，水域附近空氣清新濕潤，保護(hù)了水生態(tài)環(huán)境，提高了生活環(huán)境水平，有利于廣大居民的身心健康，實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供保障，是一項(xiàng)利國利民的工程。