小井溝水庫副壩上游匯水導流至主壩下游的可行性論證與效益分析

何本才,蘇艾麗,何　牧,高　丹,沃琳紅,張立偉

(1.水利部水利水電規劃設計總院,北京　100120;2.小井溝水利工程環境與水土保持監理部,四川 榮縣　643000)

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小井溝水庫副壩上游匯水導流至主壩下游的可行性論證與效益分析

何本才1,蘇艾麗2,何牧2,高丹2,沃琳紅2,張立偉2

(1.水利部水利水電規劃設計總院,北京100120;2.小井溝水利工程環境與水土保持監理部,四川 榮縣643000)

論證了從小井溝水庫副壩上游匯水導流至主壩下游方案的技術和經濟可行性,分析了該方案的環境效益與供水水質保證效益。結果表明,從小井溝水庫副壩上游匯水導流至主壩下游的項目,技術上可行,并具有顯著的經濟效益與環境效益,可顯著提高城市供水取水水質。

導流;副壩上游;主壩下游;水下管道;城市供水;效益分析;可行性研究;小井溝水庫

1　研究背景

小井溝水利工程位于岷江一級支流越溪河上游的榮縣保華鎮紅豆樹村小井溝峽谷，干流全長232 km，壩址控制流域面積587 km2，工程主要由水庫樞紐、輸水工程和灌區渠系工程組成，主壩壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高88.37 m，正常蓄水位429 m，水庫總庫容1.66億m3，興利庫容1.11億m3，總干渠年引水量1.1億m3，主干渠首過流能力10 m3/s，為二等大(2)型工程，估算總投資26.59億元[1]。工程建成后每年可以向自貢地區提供工業用水及生活用水17 855萬m3，包括灌溉土地0.97萬hm2，解決灌區23.35萬人的飲水安全問題。

小井溝水庫擔負自貢市城市供水7 496萬m3/a,灌溉與農村人畜用水5 126 m3/a。按環評批復,非汛期以0.86 m3/s(10%的年均徑流作為基流流量)、而汛期以2.55 m3/s的流量作為環境生態用水排往壩下,生態環境用水5 233萬m3,其中生態基流2 712萬 m3,占了興利庫容1.1億m3較大的比例。

小井溝水庫副壩以上流域31.6 km2[2],匯水量年均3 000余萬m3,副壩上游9 km有中型水庫新店水庫,匯水面積19.5 km2,總庫容2 601萬m3,有生態用水與洪水下泄;犍為縣年平均降水量1 141.3 mm,新店水庫到副壩有匯水面積12.1 km2[2],水質相對較好,可直接供城市用水,但也需要按集中式生活飲用水水源地給予保護。如能把該匯水1 000余萬m3導流到大壩下游,就可以相應減少水庫下泄的生態流量,增加城市供水,并可兼顧水能利用。初步設計為減少淹沒而筑副壩改道穿分水嶺排往樂山水系月波河。樂山市境內江河眾多,年平均產水量113.7億m3,過境水741.4億m3,水資源總量855億m3,水能資源理論蘊藏量約800萬kW,經濟可開發量約750萬kW,截至目前,樂山市水電開發裝機348.26萬kW[3]。

2　技術可行性

2.1技術路線

從28.5 m壩高的主副壩(副壩壩址河底海拔約410 m,副壩外排洪渠進口海拔409.5 m,副壩外可蓄水416 m)用PE管在庫內按設計坡比敷設大壩。卞家橋副壩到小井溝大壩最短折線里程7.87 km,經生態環境基流下泄通道,或左岸調水取水口(海拔396 m)與發電壓力豎井,或右岸泄洪洞(海拔380 m)到大壩下游壩腳(海拔344 m),導流管道落差達72 m,導流幾乎射流而出。通過閘閥可以調節控制導流。導流管具有平直順暢的特點,能量損失較小,導流管內流速可以在很大的范圍內加以調節,為導流控制提供了極大的便利。

2.2管線選擇與鋪設

2.2.1選線與鋪設原則

盡量選擇直線貼地鋪設,必要時人工結構支撐固定跨溝谷,以控制管線長度,節約水頭損失,節約工程投資。8 km導流耗用水頭44 m,導管坡降分布可參考最速管線,以克服設計流速管道內摩擦阻力、減少管道受力以及提高導流能力為原則。為利用較大的水頭提高導流能力,導流管過主壩采用虹吸結構。鋪設導流管時,整個管線分段,PE管則采用段內電融熱工藝接管,管線支撐與分段接頭方式要考慮鋪設與檢修更換作業的安全與方便,保證管線鋪設與維護在適當水庫低水位時實施不難(死水位海拔404 m),導管穿大壩、副壩并設控制閥不難實現。HDPE管具有強耐磨性和優異的液壓性,在埋地管道作業時無須外層保護,可用沉入法在江河底敷設。沉入法管道敷設在海上石油工程中常見,有關理論和設備工藝完備,實踐案例也較多,大陸往海島給水也采用水下管道工程輸水方式。

2.2.2上游段的選線與鋪設

從副壩到水庫死水位的上游段,導流管道在原河槽中鋪設,在副壩處、西家灣以及郭家灣3處裁彎取直,可以縮短930 m。管段總長度4 500 m,管段兩端的高差19 m,再加上副壩上游蓄水,可增加水頭6～7 m,這樣上游區段導管可以保證每公里5.5 m水頭并有富裕,保證以約1.2 m/s設計流速導流。該管段屬于自流管段,管內外水位差小于13 m, 1.2 m/s設計導流流速的管內壓降為0.007 3 kg/cm2,可規避或遠離(直接)負水錘, 設計流速(直接)正水錘25.1 m,0.6 MPa的PE管安全系數達4,建議選用。

在鋪管作業時需要對死水位處往上游的500 m段于河槽內清挖管溝,在上游段有水壩阻斷的地方應穿壩下部的底孔或成孔穿管,以保證管段落差基本均勻分布,減少水錘影響。

2.2.3下游段的選線與鋪設

死水位到大壩前段長3 332 m,沿著鐵山河右岸從404 m高程以每公里5.5 m落差選線,到壩前500 m處導管高程為380 m,已經低于大壩最低取水泄排水口—右岸泄洪洞,在水庫非流動庫底水體過溝谷到壩前,以保證不受泄洪庫內水流的影響。同樣該2 831 m段為自流段,建議采用0.6 MPa的PE管。

壩前500 m段到大壩下游,建議經過396 m高程取水洞采用虹吸管過壩,出口高程應低至372 m以下,并安裝節制開關。導管受到額外的虹吸負壓力,每10 m水位差約0.1 MPa,還考慮到(上游入口)閥門先關閉誤操作的直接負水錘內水負壓25.1 m水頭,所以建議采用1.0 MPa的PE管。需要注意的是,流速大于設計流速時,虹吸管段即管內流體負壓力段會延伸上移;反之亦然。

2.3水下管道的支撐、掩埋與保護

2.3.1水下管道工程特點

由于管線在水庫水下鋪設,而PE管可以做成與水同比重,或通過配重導流管重力浮力抵消,豎向荷載為0,因此,管線既可貼地面布設,又可跨溝谷走捷徑(這一優勢是海上石油管道工程難以企及的,另石油管道內徑小,不及外徑的1/3,原油黏性大,管道內外壓差高,皆為金屬復合管,要求抗浮,抗壓,以至保溫,并嚴禁泄露);但水平管線方向因管內水流(穩定流與非穩定流)產生荷載,需要對管線分段鎮墩控制,在轉彎處要布置鎮墩,直線段則可以少設置鎮墩,全程支撐固定,以避免軸向力長距離作用于管道,避免破壞性水平(蛇行)串動。

2.4節中設計工況下導流有0.5%坡降的水能損失,但能量都消耗在紊流層流里,在水力學上可以表述為導管內流體剪切運動黏性阻力為管內水重0.5%水平,但管內穩定流作用在管內壁軸向的荷載是微分量。只有開啟與關閉導流,以及在其他水流速度突變情況下,對閘閥以及管道才會產生水錘作用。穩定流與非穩定流在管道轉彎處產生沖擊作用力與沖擊力變化,可導致管線(蛇行)串動。

2.3.2水下管道固定形式

管道工程的結構安全設計與鋪設保護可以參照CJJ101—2004《埋地聚乙烯給水管道技術規程》。水下管道支撐固定的方式可根據地形、地質、水文情況來定。

a. 下游區段(死水位以下段)的土質非基巖地基,作為導管分段處,導管段間用法蘭盤連接,采用混凝土坐墩加卡扣,便于維修更換;或澆筑或埋設標準混凝土開口向上的U形管座或半圓形管座(按照水電壓力管道的術語,在承受各種力,包括水壓力、管重、水重、溫度力、地震力等條件下,完全固定管道使所在管段不發生移動的,叫鎮墩;通過滾軸容許管道軸向串動的,叫支墩),法蘭盤可直接把力傳到管座。

b. 根據下游區段基巖地質情況,直接用金屬基座固定到基巖上,或鉆孔外套管加內套管卡扣,孔口外圍澆筑混凝土,內外套管可以伸縮調節導管標高,作為支墩實現導管水頭合理分配;

c. 在上游區段(死水位以上段),導管在原河槽中鋪設,基巖地質可用U形扣,以膨脹螺栓入基巖固定,采取防劃傷物理措施保護掩埋的管道并用土料與小粒徑料埋管,必要時形成小的過水壩,使各管段整體始終浸沒于水中而受到保護。

d. 在上游區段,導管在原河槽中鋪設,非基巖地質可以澆筑混凝土半圓基座,或埋設預制基座,半圓卡扣固定。段內可以用U型或馬蹄型混凝土塊扣住管道,必要時輔以覆土以固定管道。

2.4導管選型

2.4.1選擇PE管

導管可選擇特制的HDPE管(理論上0.96密度HDPE工藝中再多添加3%左右的石粉;醫用有0.98密度的HDPE),或HDPE管增加法蘭盤連接以及混凝土套管配重,以達到綜合比重為1的效果,這樣導管可以跨溝谷走捷徑。管內徑由導流流量、流速決定;對導管的耐壓性要考慮大氣壓力、外部(大庫)水壓、導流內水(靜態)水頭以及內水最大流速壓降。根據多次驗算,按0.28 m3/s目標的導流能力(即年導流1 000萬m3),可選擇600(或560)mm的管徑;流速設計為1.2 m/s(最大流速1.32 m/s)時,8 km導流損失44(或48)m水頭,72 m總水頭尚有28(或24)m余量儲備;庫內導流管的抗壓強度為0.6MPa即可,只有虹吸段與出大庫水體段導流管的抗壓強度要求分別為0.8 MPa與1.0 MPa。如若采購成品,宜按0.56 m直徑選管,管徑寧小勿大,以節約投資,且水源相對充裕,利于運行監控,此外,管道安全系數較大,水頭富裕。PE管還具有易回收使用,環境友好的優點。

2.4.2低阻力涂層

船舶、軍工等行業對低阻力涂層的研究較多,并富有成果。增加涂層的工藝簡單,導管內壁可采用疏水涂層、水中低摩擦阻力涂層、納米涂層,管壁阻力會極大地減小。納米涂層的導流能力高,微納米表面結構凸出與凹陷面積比遠遠小于1,而在低速情況下水與氣體的摩擦力相對于與固體的摩擦力可以忽略,液體微觀尺度表現出的張力也是一種彈性力。摩擦損失包括水管內壁、層流與湍流的能量損失,在理論上可以極大地減小。

2.5水能利用

要充分利用水能,則要加大導流管徑,降低流速;采用低阻力涂層新技術,可減少管壁與水的摩擦力,減少導流水頭損失。用流速與水頭損失曲線,管徑與導管成本曲線,水機水頭與出力效率曲線,求解計算期扣除成本費用的水能產出凈效益最大解。干渠首建節制閘,成巨型調壓蓄水池。當大庫發電時,停止導流發電,導流入干渠渠首段;大庫停止發電時,可啟動導流與渠首蓄水發電以保證生態下泄流量,實時70%導流能力發電出力水頭可達44 m,發電出力達71.43 kW。當地5月初到9月底皆為汛期,4—10月皆可導流發電,年發電52.15萬kW·h。

2.6導流安全與流速控制

2.6.1開啟與關閉導流

開啟導流。首先關閉通往大庫水體的閘閥,導流入口控制閘閥先開,導流出口控制閘閥后開,開啟導流沒有慣性內水,不發生水錘。

關閉導流。緩慢關閉壩下出口閘閥,同時同步緩慢打開壩頭前通往大庫水體的閘閥(可設置在設計流速虹吸段最高處高程396 m處,比導流入口水位低20 m),讓慣性管道內水泄入大庫,待導流上端入口水流趨于靜止并在反向流前關閉入口閘閥。這樣,水錘僅在出口閘閥與通往大庫閘閥之間(以及出口閘閥以下)管段發生。

2.6.2三通球閥完全消除關閉直接水錘

圖1　三通T型球閥每轉1/4周切斷導通介質流向圖

如把出口開關與壩前通往大庫的開關合二為一,在壩前安裝三通球閥開關,實現B、C狀態的切換(圖1)?？裳芯扛脑霻型球閥,不難實現切換中T球閥內入出通道不嚴重縮徑(嚴禁通道切斷, X、A狀態嚴禁出現),慣性內水泄入大庫,則(除球閥出口以下段外)完全消除關閉導流較大的直接水錘。

2.6.3導流安全的其他問題

通過實驗研究確定導流進水口最低安全水位,并采取措施,避免導流管進氣與放空;一旦進口進氣就關閉出口閘閥,再開啟通往大庫水體的閘閥,內水上行利于排氣,排氣畢關閉進口閥門,待恢復正常工況再次開啟導流設施。在導流管道最上端第一段的中部,利用管段內進入的氣體浮力與上升運動,自動打開連通大庫的開關,并提前關閉出口,實現自動啟動上述保護管道防浮力破壞的程序。

研究管道內水流因為導流開關非穩定流的對閥門、管道支撐固定的沖擊力,研究確定在轉彎處影響較大的敏感的管道固定支點采用減避震器,即允許非破壞性軸向與橫向串動緩沖,以保護支撐固定結構,避免管道各固定結構連鎖破壞。導流管道可研究設置增、減壓閥。由于虹吸結構的原因,運行期調壓池措施行不通。

入口出口皆關閉后,庫內導流管可開啟通往庫內水體的控制開關,使導流管處于不承壓狀態,以延長導流設施使用壽命。在壩頭緊臨出口閘閥處,或導管在副壩下游處與死水位處,可設置兼具水錘泄水與城市供水取水功能的閘閥。

2.7防止淤塞

利用大庫清水或副壩外建清水池,每當導流渾濁洪水后,在保證導流設施安全的前提下,適量利用部分水頭余量儲備高速導流清水,置換清水越冬,防止泥沙長期滯留附著管道。

2.8管線監控

管線間隔重點地安裝壓力傳感器,監測管內壓力。若發現壓力過大,管道破損,反向導流內水上行間歇注入壓縮空氣沿線查找出氣冒泡點,或利用特殊軟套套管拖行力傳感探測,以及水下攝像查找,標記并GPS定位,適時維護(外壓大于內壓利于外粘貼,有水下蛋白黏合劑報道);但若發現壓力過小,應立即關閉管道出口,開啟通往大庫的開關,排氣后關閉入口閘閥,并保護管道,待解除異常情況(即管道入口外水位過低,出現了放空進氣的情況),再次開啟導流[6-9]。

2.9副壩選型

原副壩泥巖心墻土石壩也考慮了兩面迎水,但兩面迎水高程以下壩體應嚴格控制上壩石料足夠耐水并保證強度。

其他技術問題,如管道外部可能的風浪、水流、地震的荷載需要研究規避和采取的結構措施,如可研究特別設置低強度螺栓法蘭接管。

本研究突破完全消除關閉的直接水錘三通球閥技術,以及運用兩自由度緩沖滑軌支撐結構,利用庫水為介質的液壓阻尼器,鎮墩、支墩的設計施工,加速導流取水等是該管道工程關鍵技術與創新之處。

總的來說,在項目特殊工況下,導流設施較大直接水錘問題可以得到根本的消除和規避,在這一關系管道系統安全與造價的問題上,其他管道系統難以企及,非常難得。

3　經濟可行性

3.1新增經濟產出

如果年導流932萬m3,相應增加等量調水并入自來水管網,而業主公司產業鏈涵蓋了水源、輸水、自來水水廠與管網業務,故可按現行1.825元/m3單價計算,則增加年經濟產出約1 701萬元。在新增計算口徑上僅考慮導流。

3.2新增經濟投入

從大壩到副壩管線長7.87 km。2015年4月詢價的結果是:560 mm管徑(流速1.20 m/s左右,年導流932萬m3),0.6 MPa抗壓強度, 519元/m,7 070 m(設計自流段);0.8 MPa, 636元/m,500 m(包括自流虹吸過渡段與較小虹吸壓力段);1.0 MPa,777元/m,300 m(較大虹吸壓力段),則PE管材投資計約422.043萬元。

經估算,閥門3臺計10萬元;上游段郭家灣、西家彎以及副壩下游河槽裁彎取直可縮短930 m,成溝埋管工程約100萬元;支撐固定砼結構、金屬結構建安費計120萬元。

副壩原設計就兩面迎水,在排洪隧洞入口保留并改造圍堰成滾水壩,并建閘,即可成三岔型河道水庫,長3 000余m,寬均50～10 m,庫容近50萬m3,水深達7～5 m,水位可達416 m以上，這幾乎不增加投資。調水與水處理等也幾乎不新增加投入。

瓦滓排洪渠工程從4#副壩上游約400 m處卞家橋起,沿學堂頭溝逆流而上,通過隧洞穿張家坳分水嶺,匯入月波河,流經三江匯口入月溪河。排洪渠線總長8 610.88 m,其中,渠道長 923.3 m,隧洞總長1 305.58 m,連接段長290.54 m,河道改造段長5 930.22 m。概算投資分為:排洪洞工程1 870.99萬元,排洪渠工程921.85萬元[1]。如導流則大部被分流,可對排洪渠護坡與月波河疏浚調整。純新增經濟投入預計632萬～850萬元(工料對半估算則850萬元,未計上述設計調整)。

3.3效益指標

導流10年計算期增量效益費用比達26(而管道使用壽命50年),新增投資回收期(1個汛期)1年。可見,新增方案經濟可行。相對小井溝水利工程27億元投資開發利用2.7億m3水資源,新增不到1 000萬元投資導流副壩庫外水源,可獲得1 000萬m3的水資源開發利用效益,無疑經濟指標優越。

4　環境效益與供水水質保證效益

4.1有利于下游水生態保護,增加飲用水源

導流向壩下補水,較水庫水下泄更有利于下游水生態保護,因為導流水具有河道水質和原河道水環境的周期性,使生態補水更可靠,更有保證;同時也減少了對月波河原生態的影響。鑒于現在新店水庫水中氯化物偏高,如作為集中式生活飲用水地表水源地應予相應的治理和保護,在治理達標前,新店水庫水下泄期間可導流供生態利用。另新店水庫下游現有1個鹽廠廢水排入趙家河,需要關閉取締排放。

4.2取水水質不達標的風險防范

鑒于水庫水質保護面臨長山鎮生活污水特別是上游(自貢境外)工業排放較嚴峻局面,長山鎮污水處理廠不滿足原設計A2O處理工藝,對新建的污水處理廠擬按照Ⅳ類水質出水要求,采用膜生物法等新工藝,實現提標排放一步到位,然而其300萬m3/a的Ⅴ類排放轉為Ⅳ類水排放,對劣Ⅲ類干流2億m3/a徑流水質改善的效果不會顯著[10]。大壩發電取水用水不進開闊庫區而是到壩前左岸干渠取水口,干流補水直抵壩前,右岸支流鐵山河開闊庫區相對優質水難以或者說根本就不能自流抵近干流左岸取水口,深水河道自然凈化能力差,凈化時間較短,因此,存在一定取水水質不達標的風險。如必要可利用導流設施伸入水庫3 km的水庫中西部(如觀音橋、金山島附近)實現從Ⅱ類水質水體[2]取水,年取水量可達1 398萬m3,伸入水庫1 km,改用0.63 m管,則可年取水3 243.9萬m3,鐵山河產水約6 000萬m3/a?？裳芯坎捎?大庫)水機與(導流)水泵軸傳動技術,內外管同軸軸流泵技術(內管段旋轉,內管內外皆有泵葉片而外葉片可調節,外管與內管間的大庫水流直接推動內管的導流水流),利用大庫取水洞水流(對吶叭口放大降速的導流水)負壓抽吸作用,或枯水期外來動力,加速導流取水入干渠。

4.3時分取水調水,節約人工凈化成本

由于Ⅱ類水質取水量與城市居民供水量可比,因此可顯著提高城市供水取水水質,并可以適當降低越溪河上游污水處理廠的負荷與出水水質要求[10],污水處理廠僅進行A2O工藝處理。干流水主要供發電灌溉利用,采用時分取水、調水、供水技術,城市用水盡量利用開闊庫區具有自然凈化能力的鐵山河產水,這樣可減輕自來水廠的水處理負荷,節約自來水廠水質凈化處理的成本費用。

小井溝水源保護區的劃分應根據水庫蓄水試運行情況進一步論證,按照法定程序,組織一類、二類與準保護區劃分的科學論證,保證調水取水達到Ⅲ類水質的目標,并做好干渠污染防治與水質保護,充分利用30 km干渠自然凈化的能力,爭取調水到達調節水庫時達Ⅱ類水質(據監測資料,調節水庫榮縣雙溪水庫除總氮、偶總磷指標為Ⅲ類或略超外,其余指標基本達到Ⅰ類標準;而越溪河榮縣入境斷面Ⅴ類水質經30 km河道到入庫斷面時,水質可自然凈化到Ⅲ類)。

5　結　語

從小井溝水庫副壩上游匯水導流至主壩下游的導流項目,技術上是可行的,并具有顯著的經濟效益與環境效益。如果城市供水市場成為現實,并且同時滿足區域水資源配置規劃、分配控制指標等條件,即可對導流項目開展進一步的工程研究設計并付諸實施。

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Feasibility study and benefit analysis of catchment diversion from upstream of auxiliary dam of Xiaojinggou Reservoir to downstream of its main dam

HE Bencai1, SU Aili2, HE Mu2, GAO Dan2, WO Linhong2,ZHANG Liwei2

(1.WaterResourcesandHydropowerPlanningandDesignGeneralInstitute,MinistryofWaterResources,Beijing100120,China;2.XiaojinggouWaterConservancyEngineeringSupervisionDepartmentforEnvironment,SoilandWaterConservation,RongCounty643000,China)

This paper demonstrates the technical and economic feasibilities of the scheme for catchment diversion from upstream of the auxiliary dam of the Xiaojinggou Reservoir to downstream of its main dam. The environmental benefits of this scheme and the quality of supplied water are analyzed. The results show that the scheme is technically feasible, it has noteworthy economic and environmental benefits, and the quality of water supplied to the urban area can be significantly improved.

diversion; upstream of auxiliary dam; downstream of main dam; underwater pipeline; urban water supply; benefit analysis; feasibility study; Xiaojinggou Reservoir

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.011

何本才(1963—),男,高級工程師,主要從事水利工程環境保護與水土保持監理工作。E-mail:hebencai@giwp.org.cn

TV213.4

A

1004-6933(2016)05-0053-05

2016-01-20編輯：彭桃英)