汕尾市區(qū)供水節(jié)水改造工程設計方案分析研究

陳 湘

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

汕尾市位于廣東省粵東沿海，珠江三角洲與海峽經(jīng)濟圈中間，北緯22°37′29″—23°28′33″，東經(jīng)114°54′46″—116°13′16″，與香港一水之隔，南臨紅海灣和碣石灣，西瀕惠州市，東接揭陽，北部與梅州、河源接壤[1-3]。汕尾市區(qū)地表飲用水源基本依靠公平水庫通過公平干渠引水到赤沙水庫，經(jīng)調(diào)研，采用明渠輸水的方式，公平水庫流入公平干渠的水約1.36億m3，只有0.55億m3進入赤沙水庫，大概3000多萬m3的水通過滲漏、蒸發(fā)損失掉，在這種損失條件下，2025年公平水庫將不能滿足各用水戶的用水需水。明渠輸水的方式也會影響水質(zhì)，存在生活垃圾和生活污水污染水質(zhì)的可能。因此，急需對汕尾市區(qū)的供水方式進行工程改造，通過封閉式管道輸水至赤沙水庫，能有效防止輸水過程水質(zhì)污染和公平干渠工程損壞對供水的威脅，大幅度減少輸水損失，大大提高公平水庫水資源利用效率，緩解汕尾城區(qū)供水壓力。

2 工程規(guī)模

2.1 工程等級與標準

本工程輸水管道設計引水流量Q=4.8 m3/s，年平均取水量1.08億m3。根據(jù)《防洪標準》(GB 50201—2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)及《調(diào)水工程設計導則》(SL 430—2008)的規(guī)定[4]，按照本工程供水對象的重要性，確定本工程的工程等別為Ⅱ等大(2)型。相應主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。主要建筑物包括引水渠道、進水閘、加壓泵站、渠道擋水閘、輸水管道、輸水隧洞、高位水池、過河倒虹吸等。次要永久建筑物包括管道檢修道路、廠區(qū)附屬建筑物等。

本工程供水對象主要為汕尾城區(qū)及紅海灣開發(fā)區(qū)的生活和工業(yè)用水，根據(jù)《防洪標準》(GB 50201—2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)、《調(diào)水工程設計導則(附條文說明)》(SL 430—2008)和《水工隧洞設計規(guī)范》(SL 279—2016)[5]，確定取水口進水閘、加壓泵站、輸水管道等主要建筑物的洪水標準為50年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核；次要建筑物的防洪標準為30年一遇洪水設計，100年一遇洪水校核。

2.2 設計引水流量

設計引水流量由三部分疊加，一是入赤沙水庫的引水流量，二是可塘陶河鎮(zhèn)引水流量，三是檢修期備用流量。本工程設計管道規(guī)模取遠期的4.8 m3/s。最終計算結果見表1。

3 工程建筑總體布置

管線全長約為26.83 km，其中，管道埋設長度約24.17 km，頂管長1.35 km，隧洞長0.31 km，利用現(xiàn)狀隧洞長1.00 km，期間穿越高速公路2次、一、二級公路5次、干渠3次、九龍河及東溪河各1次。

表1 赤沙～公平水庫引水管道計算結果 m3·s-1

(1)公平泵站樞紐工程。公平泵站樞紐由進水閘、引水渠、泵站前池、主廠房、副廠房、安裝間、擋水閘等建筑物組成。

公平泵站布置在公平水庫副壩下游，取水口位于干渠首段轉角處，從公平干渠引水。取水口設計流量為4.8 m3/s。

(2)埋管。管線埋管段長24.17 km，管內(nèi)徑為2.0 m，其中，普通埋管23.40 km，跨一般渠道/河道埋管0.43 km，穿一般公路埋管0.32 km。高位水池前段埋管管材采用球墨鑄鐵管(DIP)，高位水池后段埋管管材采用預應力鋼筒混凝土管(PCCP)。

(3)隧洞。潭頭垅輸水隧洞長306 m，洞內(nèi)徑為2.0 m，樁號為E3+784.27～E4+091.03。

(4)跨東溪河倒虹吸。跨東溪河倒虹吸長260 m，管內(nèi)徑為2.0 m，樁號E18+577～E18+840。

(5)頂管。管線頂管段長1350.6 m，其中，穿過高速公路和一、二級公路采用套管型式，頂管套管管徑為2.2 m，內(nèi)置鋼管管徑為2.0 m。而在橫穿干渠及東溪河位置頂管管材采用鋼管，管徑為2.0 m。

(6)附屬建筑物。附屬建筑物有：建筑量水間、閥室、檢查井、排泥閥、進(排)氣閥、調(diào)壓室、高位水池。

(7)赤沙泵站技術改造。為了保證管路檢修前水庫能蓄夠水量，須對赤沙泵站機組進行技術改造。泵站原裝4臺機組(3用1備)，單機設計流量2.42 m3/s，現(xiàn)對全部機組進行更換，根據(jù)上一級泵站公平泵站的裝機3臺機組(2用1備)和設計流量4.80 m3/s，赤沙泵站作為其二級泵站運行要與之相配套，故赤沙泵站的設計流量和公平泵站一樣為4.80 m3/s，裝機2臺，單機設計流量2.40 m3/s。

赤沙泵站已建成投入使用，現(xiàn)泵站進水口設有4個閘孔，閘孔預留有1道攔污柵柵槽和1道檢修閘門門槽，無任何門(柵)槽埋件和其他金屬結構設備，擬對其中2個閘孔進行改造升級。泵站右側水庫自流進水渠的末端目前已破損，本次對進水渠進行修復加固，采用C30混凝土重力式結構與現(xiàn)有渠道擋墻銜接。

4 設計計算

4.1 輸水建筑物水力設計計算

4.1.1 管道水頭損失計算

本工程管材主要為預應力鋼筒混凝土管(PCCP)和球墨鑄鐵管(DIP)。管道水頭損失計算公式(1)～公式(2)如下：

h=hf+hj

(1)

(2)

式中：hf為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m；ξ為局部水頭損失系數(shù)；v為管道斷面水流平均流速，m/s。

沿程水頭損失采用式(3)～式(4)計算：

(3)

(4)

式中：C為流速系數(shù)；R為水力半徑，m；L為管道長度，m；n為管道的粗糙系數(shù)，取0.0125；y取1/6。球墨鑄鐵管設計粗糙系數(shù)n值取0.012。局部水頭損失按沿程水頭的15%計算。公平泵站～高位水池和高位水池～赤坑隧洞前池輸水管線水頭損失計算結果如表2、表3所示。

表2 公平泵站～高位水池輸水管線水頭損失計算 m

表3 高位水池～赤坑隧洞前池輸水管線水頭損失計算 m

4.1.2 公平泵站揚程計算

根據(jù)赤坑隧洞前池水位、公平泵站前池水位、高位水池及管道水損推算近遠期在不同流量下泵站最低揚程、設計揚程及最高揚程。計算結果如表4所示。

表4 公平泵站揚程計算 m

4.2 公平泵站樞紐設計計算

4.2.1 泵站廠房穩(wěn)定及地基應力計算

作用在廠房上的荷載主要有：結構自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、泥沙壓力、波浪壓力、地震作用等。

根據(jù)《泵站設計規(guī)范》(GB 50265—2010)，對泵站廠房的基地應力進行計算，計算結果如表5所示。

從表5結果可以看出：抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計算值Kc、Kf均大于規(guī)定允許值，滿足規(guī)范要求；廠房基底最小應力均>0，最大應力152.3 kPa。泵站基礎位于砂礫卵石層，局部位于粗砂層，承載力特征值為200～400 kPa，滿足承載力要求。泵站為大體積混凝土結構，局部應力較大，對地基要求較高，考慮到施工開挖對粗砂層的局部擾動，在泵站增加一層600 mm厚的6%水泥碎石夾砂墊層。

表5 公平泵站廠房穩(wěn)定計算成果

4.2.2 閘室整體穩(wěn)定及地基應力計算

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2016)規(guī)定，不同荷載組合計算公平泵站進水閘閘室和公平灌渠擋水閘閘室基底應力及穩(wěn)定結果如表6所示。

從表6計算結果可以看出：公平泵站進水閘閘室及公平灌渠擋水閘天然地基承載力可滿足設計要求，無須進行地基處理，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許值。

表6 基底應力及穩(wěn)定計算成果

4.2.3 擋墻穩(wěn)定及地基應力計算

根據(jù)泵站樞紐擋墻布置及地基情況，選取泵站前池扶壁式擋墻作為穩(wěn)定計算對象。選取以下幾種計算工況：

(1)基本組合Ⅰ：完建工況，擋墻背水側無水，臨水側為無水；

(2)基本組合Ⅱ：正常擋水位，擋墻背水側為地下水位常水位，臨水側為設計運行水位；

(3)基本組合Ⅲ：檢修工況，擋墻背水側為低水位，臨水側為無水；

(4)特殊組合Ⅰ：最高擋水位，擋墻背水側為地下水位常水位，臨水側為設計運行水位；

(5)特殊組合Ⅱ：地震工況，擋墻背水側為低水位，臨水側為設計運行水位。

本工程引水渠前池擋墻屬2級建筑物，按照《水工擋土墻設計規(guī)范》(SL 379—2007)規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值基本組合取1.30，特殊組合Ⅰ取1.15，特殊組合Ⅱ取1.05，取抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)允許值基本組合取1.50，特殊組合取1.40。穩(wěn)定及地基應力計算成果見表7。表中“—”，表示數(shù)值較大，計算已滿足要求。

從表7計算結果可以看出：引水渠前池擋墻最大應力183.53 kPa，該擋墻坐落于砂礫卵石層上，天然地基承載力可滿足設計要求，無須進行地基處理。基底應力分布合理，應力比都不大，均滿足規(guī)范要求。抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許值。

表7 擋墻穩(wěn)定及地基應力計算成果表

4.3 管道穩(wěn)定及基底應力設計計算

本工程項目中潭頭垅高位水池前段管線約4.47 km，采用球墨鑄鐵管(DIP)，管徑為2.0 m，管基采用C15混凝土120°包角；在高位水池后段約21.39 km管材采用預應力鋼套筒混凝土管(PCCP)，管徑為2.0 m，管基采用C15混凝土或級配碎石墊層120°包角。在彎頭、過路、過溝、頂管采用鋼管，管基采用外包0.5厚混凝土。并根據(jù)荷載組合，對DN2000球墨鑄鐵管及PCCP管進行基底應力計算，計算結果如表8所示。

表8 管道穩(wěn)定及基底應力計算成果 kN

從表8可以看出，兩種管材抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.1，滿足規(guī)范要求；經(jīng)計算管道基底應力均不大于100 kPa，管道基礎大部分在填土、粉質(zhì)黏土、風化土層上，地基承載力約120～150 kPa，滿足承載力要求，無須進行地基處理。在局部跨河、跨渠段地下水豐富管道地段或地質(zhì)條件較差地段考慮進行地基處理。

5 結 語

通過對汕尾市區(qū)供水現(xiàn)狀進行分析，對供水節(jié)水改造工程進行總體布置，綜合考慮防洪及輸水過程中安全運行工況，結合泵站、閘室、擋墻和管道穩(wěn)定性等因素，確定了汕尾市區(qū)供水節(jié)水改造工程的設計方案，設計方案較為合理，可為類似供水節(jié)水改造工程方案設計提供相關參考依據(jù)。