二壩西干引水渠輸水管線設計方案探討

肖 冰

（山西省水利建筑工程局有限公司,山西 太原 030006）

1 工程概況

汾河灌區是山西省境內最大規模的自流灌區，地處山西中部太原盆地，東西寬21.5 km，南北長145.8 km，控制灌溉面積14.6 萬hm2。汾河灌區分為一壩灌區、二壩灌區和三壩灌區，二壩西干引渠改造工程位于二壩灌區。二壩西干引渠始于二壩攔河閘前庫區，終于二壩西干分水閘，全長約1.2 km。二壩西干引渠來水包括兩部分，一部分為一壩西干來水，另一部分為二壩庫區來水，一壩西干來水水質較好，而二壩庫區水質較差。二壩西干引渠除向二壩灌區輸水外，還擔負著向清徐清泉東湖、西湖的供水任務，在6 月初的夏澆和10 月下旬的秋冬澆時，一壩西干來水與二壩庫區來水同時通過二壩引渠，使得清、污水混合，但是清徐清泉東湖、西湖用水水質要求較高，需對二壩西干引渠進行改造，將一壩西干來水和二壩庫區來水分開。二壩西干引渠向清泉東湖及通過西一支渠向清泉西湖供水，清泉東湖引水口、一壩西干尾閘和西一支進水閘均位于西干引渠右側，故在二壩西干引渠中設置中隔堤，將西干引水渠右側劃為清水區，作為清泉東湖、西湖的引水水源。中隔堤起點為現清泉東湖進水閘上游約20 m，起點設置一道閘門，終點為二壩西干分水閘，中隔堤白石河處設置泄洪閘，泄洪閘采用液壓合頁閘，全長30 m。

2 輸水管線設計

2.1 工程布置

引水管線出水源泵站后，向西南穿過白石河左側堤防至堤內側，后向西北沿白石河左側河灘地逆流鋪設，該段河道已經美化治理，為滿足景觀蓄水要求，沿河800 m左右設有攔河閘壩，管線途經2 處閘壩和2 處跌坎。管道沿河道橫穿閘壩時需拆除壩兩側漿砌石擋墻，待管道開挖埋設后進行恢復。

該段引水管道流量大、揚程低，管材選用球墨鑄鐵管，根據汾河灌區二壩灌區灌溉規模及其余干渠施工經驗，確定管徑1.2 m，管線全長2 km。管道在北營水庫西南角出白石河，在北營一級泵站廠區內設控制閥室，水流經閥室后進入北營水庫，庫內防沖護坡結合北營一級泵站進水池布置。

圖1 輸水管線線路示意圖

2.2 管線設計

2.2.1 管道埋深

管道埋設深度的確定是在控制工程投資的基礎上保證輸水管線安全運行的重要環節，根據《室內給水設計規范》（GB 50013-2006）規定，管道埋設深度應根據管道外部荷載、管材強度、管道交叉布設、冰凍情況等綜合確定[1]。

本工程供水管線所處地區為北方寒冷地區，最大凍土深度為0.83 m。為保證輸水管線的安全，滿足防凍及管道正常工作的要求，將輸水管線埋置于最大凍土深度以下，同時結合各類閥門安裝高度要求和檢修要求等，在滿足供水管線正常使用和檢修的基礎上確定輸水管線的管頂覆土厚度最小為1.5 m。縱向坡度和地形坡度相同，管溝開挖底寬按管外側≥0.6 m確定，開挖坡度≥1∶0.5。

2.2.2 管道敷設與基礎處理

管道基槽開挖斷面在管底高程處開挖寬度不小于1.2 m，開挖邊坡根據鋪設管道沿線的具體情況，并結合有關地質資料和鋼管施工經驗確定，穿河段開挖邊坡為1∶1.25，其他管槽開挖邊坡為1∶0.75，水下1∶1.0，開挖深度超過5 m時需加設一級馬道。

管槽開挖成型后，進行基礎處理、整平，其上鋪設0.2 m厚砂礫石墊層，墊層盡量采用天然砂礫石回填，填料最大粒徑不大于50 mm，粒徑大于2 mm的顆粒含量百分比在20%～50%之間，小于0.075 mm的顆粒含量不得大于15%，壓實相對密度不小于0.75。管道管區回填時回填材料應均勻散布在管溝內，沿管道兩側同時均勻回填，每層回填虛鋪厚度應不大于300 mm，不擾動管位，管道兩側的回填高度差不應超過一層填筑厚度。管區內的回填材料不應含有樹根、樹枝、草等有機物質，也不能有垃圾、廢渣，回填材料的最大粒徑為150 mm。同時要求鋼管輸水管道外徑以外300 mm的范圍內的回填材料最大粒徑不大于50 mm，管頂500 mm范圍內不得采用大型機械碾壓。對于需要復耕的區域回填時回填材料應為原表層土，農田復耕段應留有高度不小于300 mm的表層余土，使之高于原地面，以作為自然沉實補償之用[2]。

2.3 管道水力計算

根據《室內給水設計規范》（GB 50013-2006），二壩西干引水渠輸水管線供水保證率90%，為確保供水量，根據規范，將管線設計流量所考慮的供水量日變化系數確定為1.5，時變化系數確定為1.6，輸水管線設計流量1.85 m3/s，由于本輸水工程采用單管管道，根據工程地形條件和管線走向進行管道及附屬建筑物布置和管道壓力等級的確定。

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）進行管線沿程水頭損失的確定，局部水頭損失為沿程水頭損失的10%。

式中：hf為管線沿程水頭損失，m；f為摩阻系數，本工程取f=0.00169；L為管線長度，m；Q為流量，m3/s，本工程取Q=1.85 m3/s；m為流量指數，本工程取m=1.85；d為管徑，mm；b為管徑指數，本工程取b=5.29。

本工程管線水力計算結果見表1，為節省投資，保證管道運行的安全性，管道水力計算在管道壓力等級≤1.0 MPa下進行，在地形壓力差為100 m管道位置設置調壓池，壓力等級根據所確定的設計流量及水力計算結果進行確定。

表1 輸水管線水力計算結果

2.4 附屬建筑物布置

根據本工程運行和安全管理要求，結合地形及線路布置情況，在輸水管線上布設排氣閥井、排水閥井、檢修閥室、分水閥室、流量計井、鎮墩等附屬建筑物，工程沿線設置控制閥1 座、排氣閥井4 個、排水閥井4 個、流量計井1 個，鎮墩13 個、穿河跌水坎4 處。

2.4.1 排氣閥井

為避免水中積累的氣體壓縮過水斷面以及管道在排水時出現負壓，需在輸水管線上適當的位置設置排氣閥井。根據《室外給水設計規范》（GB 50013-2006）要求，排氣閥井一般布置在管道的高凸處，本工程供水管線共設置4 個排氣閥井。排氣閥井為方形現澆C25 鋼筋混凝土結構，全部位于地下，平面尺寸為3.0 m×3.0 m，壁厚0.3 m，底板厚0.5 m，下鋪0.1 m厚C15 素混凝土墊層。井蓋板采用預制C30鋼筋混凝土結構，厚0.2 m，其上留有邊長0.9m的進人孔，進人孔蓋板采用邊長為1.1 m的預制C30 鋼筋混凝土結構，厚100 mm，井蓋板高出周邊地面不少于0.5 m。井筒內側設置鋼爬梯，排氣井基礎下部鋪設0.1 m厚C15 素混凝土墊層。為了順利進排氣體，在操作井頂板上設一管口焊接鋼絲網片的DN250 排氣鋼管，管口高于井蓋板0.5 m。

2.4.2 排水閥井

為便于管道檢修或發生事故后在盡快短的時間內排出管道內存水并將管內沉淀雜物、泥沙沖洗干凈，結合檢修時間要求，將排水閥井布置在管道底凹處和檢修閥室之前，由輸水管道上接出的DN300 排水管將水引至集水井內，再由水泵將集水井內水抽出，供水管線全線共布置4 座排水閥井。排水閥井由閥井和集水井并聯組成，為矩形C25 鋼筋混凝土豎井，中間用0.3 m厚C25 鋼筋混凝土墻相隔，兩井尺寸均為1.5 m×1.8 m，壁厚0.3 m，井底板厚0.5 m，井底設邊長0.5 m，深0.3 m的集水坑。頂板設一邊長為0.9 m的預制C30 鋼筋混凝土進人孔蓋板。排水基礎下部鋪設0.1 m厚C15 素混凝土墊層。閥井及集水井井筒高出地面0.5 m，井內側均在隔墻上設有鋼爬梯。

2.4.3 流量計井

為了能夠準確觀測管道內水流流量變化情況，結合供水工程流量控制要求，在出水池、加壓泵站上游側設流量計井，每個流量計井中配備1 臺電磁流量計。井筒為邊長3.0 m的方形現澆C25 鋼筋混凝土結構，底板、壁厚0.5 m、0.3 m，井筒高出地面0.5 m。井壁內側設置鋼爬梯，井蓋采用預制C30 鋼筋混凝土板，井蓋厚0.2 m，人孔邊長900 mm，井蓋上設一帶有濾網的DN250排氣鋼管，流量計井基礎下鋪設0.1 m厚C15 素混凝土墊層。

2.4.4 控制閥室

為了能在管道發生事故時分段進行檢修，加快清淤和檢修速度，減少棄水損失，結合輸水管線運行管理和事故檢修排水及地形條件等因素，輸水管道沿線平均每隔4 km設置1座控制閥室，供水管道沿線共布設1 座控制閥室。控制閥室為上下結構，上部為檢修控制間，磚混矩形結構，平面外形尺寸為5.5 m×5.5 m，磚墻后0.37 m，凈高4.0 m，內放配電箱等電氣控制設備；下部為C25 鋼筋混凝土矩形結構，底板、邊壁分別厚0.7 m、0.5 m，下部結構高于地面0.2 m，井深隨地面高程不同而變化，檢修控制平臺為C25 現澆鋼筋混凝土結構，厚0.2 m，設孔口邊長900 mm的方形人孔，井筒內側埋設鋼爬梯，底板埋設集水坑。為方便設備檢修更換，檢修控制平臺板上設一尺寸為1.0 m×1.5 m吊物孔。檢修閥室基礎下部鋪設0.1 m厚C15 素混凝土墊層。

3 結論

二壩西干引水渠輸水管線工程建成后，目前已經進入運行階段，通過試通水及正式供水檢驗，連接段輸水管線及建筑物運行良好，運行過程中，除向二壩灌區輸水外，向清徐清泉東湖、西湖日供水量可達5.21 萬m3，本引水渠輸水管線工程的經濟效益與社會效益順利發揮。