長河壩電站供水工程布置及主體建筑設計計算研究

胡紹林

(崇義縣水務集團有限公司，江西 崇義 341300)

0 引 言

合理調度和分配水資源，改善環境質量，做到有計劃地開發利用水資源，并達到水資源的開發、經濟社會發展及自然生態系統保護相互協調是水資源規劃主要目標[1]。為此，在對某一地區的水量需求問題進行研究時，通常需要精準預測出這一地區在特定時間內的需水量，這一課題需要我們進行深入研究[2]。經過科學地預測，掌握在規劃期內的用水量，適量開發水資源，將有限水資源最大限度發揮出作用[3_5]；需水量的精準預測更利于科學合理投資供水工程，如給水工程的擴建、優化、改造等。另外，對于不同區域用水量的分配也提供了便利條件，將供水成本控制在合理范圍內[6]；合理的水量預測可指導水廠整體規劃布局，預防和控制水污染。基于此，本文以崇義縣城現有供水水源為研究對象，對其供水輸水管工程布置及主體建筑設計計算進行了研究。

1 工程概況及總體布局

1.1 工程概況

江西省崇義縣縣城現有供水水源取自長河壩電站下游，崇義縣水務集團有限公司現有自來水廠1座，位于縣城西南方向的橫水鎮上營村。水廠20世紀80年代建廠初期供水0.2萬t/d，90年代提高到1萬t/d。2000年對水廠進行了擴建，設計供水能力提高至2萬t/d (即現狀日供水規模)，自來水廠供水管出口中心高程為305 m。近年來，隨著縣城經濟的快速發展，經過對老水廠的改造，目前輸水管的輸水能力難以滿足今后城區正常的工業市政和居民生活用水。因此，崇義縣供水改擴建工程對保障崇義縣規劃區內的供水安全具有重要意義。

1.2 工程總體布局

崇義縣供水改擴建工程的輸水管工程主要為崇義縣縣城供水的輸水管道工程，主要由輸水管道及輸水隧洞等組成。新建輸水管道基本沿原有管道一側布置，起點位于崇義縣長河壩電站引水隧道鋼管段開口三通處，沿進廠道路右側布置；出廠房大門后沿原輸水管道右側，在狐貍杰至原輸水隧洞進口附近采用在河坑子附近新建輸水隧洞，隧洞出口后接管道至原輸水隧洞鋼管，利用原輸水隧洞鋼管輸水。原輸水隧洞鋼管出口后新建輸水管道沿原管道走向接入崇義縣自來水廠反應池。

輸水管道總長8.90 km，其中新建輸水管道4.114 km(其中球墨鑄鐵管管長3.640 km，鋼管段長0.474 km)，管徑為DN700。新建輸水隧洞2.06 km，村砌后洞徑為1.8 m和2.4 m，利用原隧洞內明鋼管2.726 km。

管道在穿河及管底高程相對較低的位置設置了排水閥(排泥閥)，管底高程相對較高的位置設置了排氣閥。管道在首端、未端和輸水隧洞進、出口均設有閘閥，沿管道排水三通和排氣閥處均設有檢修閘閥。

2 取水方案選擇

崇義縣自來水廠現狀取水管道為1根DN600的水泥管輸水，管道取水地點為長河壩水庫下游的發電站尾水，總長8.93 km，其中輸水隧洞+明鋼管布置長2.726 km,取水口水位高程為329.00 m；自來水廠出水口高程為305 m，日供水能力為2.0萬t/日。崇義縣自來水廠遠期供水規模為5.0萬t/日，現狀取水管道不能滿足日益增加的用水需求；同時原輸水管道經多年運行，多處破損，運行費用高且存在時常爆管停水搶修的安全隱患，難以保證安全供水。因此，對取水方案進行了布置分析。

根據現場及資料調查，輸水管道取水口位置有兩個選擇：分別為長河壩水庫下游的發電站尾水和長河壩電站引水隧道鋼管段開口三通處。

目前長河壩水庫為崇義縣縣城供水的惟一來源，取水口范圍500 m內為一級保護區，保護區范圍內存在的可能污染水源需進行整改。因此，此次取水口設置在發電機組前，防止發電機組對水源產生污染。

然后，對以上兩種方案進行綜合比較：從管道輸水能力上看，兩種方案均能滿足供水要求，方案一供水能力最優。從投資上看，方案一與方案二相比新增輸水管道更小，但是方案一原輸水管道設計壓力為0.6 MPa，現狀輸水管道壓力等級為1.6 MPa，需對原輸水管道進行更換，投資更大。因此，從投資上看方案二最節省。從運行管理上看，方案一采用的兩管并行運行需同時對2根管進行維護，維護成本較高。方案二運行時只使用新增輸水管道，原輸水管道作為備用管道，平時只需定時進行維護即可，可節省管理成本。因此，從運行管理上看方案二最優。

經綜合比較各方案的優劣，推薦采用方案二作為本次設計的方案，即從發電引水鋼管取水，原輸水管作為備用管。

3 主要建筑物布置及設計計算

3.1 輸水管道布置設計及計算

輸水管道首先需要對管徑及管材進行選擇，管徑及管材的選擇主要從地形地質條件、管道引水量、水壓力及水錘、水頭損失、施工、投資及運行管理等方面考慮比較。滿流或壓力流的輸水管管徑，以及管道過流能力需采用管道孔口出流公式計算。輸水管道按材質主要有預應力混凝土管、鋼管、預應力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管和連續纏繞玻璃鋼夾砂管等，作為輸水管道各具優缺點。

3.1.1 管材比較

現在市面上較常見的城市供水網管的材料為非金屬管和金屬管，其中預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼管(纏繞式)和聚乙烯管(PE)歸為非金屬管，球墨鑄鐵管(DCIP)、鋼管(SP)被歸為金屬管類別。幾種輸水管道管材經濟性能對比情況如下所示(見表1)，管徑較小的城市供水管可使用玻璃鋼加砂管，但這種管材也有一定缺點，如耐腐蝕性差、價格相對較高。

表1 4種輸水管道管材技術經濟性能比較

綜合沿程地質、施工條件以及工程對安全性、經濟性的要求等因素，本工程設計采用球墨鑄鐵管和鋼管兩種管材結合使用。全線管材按如下條件選擇：管線在穿越難點地段時，如過河道、水塘、高速公路、鐵路等地段采用鋼管；地質條件相對較好地段、可開挖直埋管段采用球墨鑄鐵管。

3.1.2 輸水管道費用分析

給水管段每米長的綜合建造費用在管網技術經濟計算中一般采用下列公式：

CD=a+bDα

(1)

式中，D為管徑(m)；a、b、α為建造費用公式中待定的常數、常系數和指數。

表2為球墨鑄鐵管的綜合造價(見表2)，根據表中的球墨鑄鐵管的綜合造價值，采用回歸分析的方法確定建造費用公式中待定的常數、常系數和指數，得到公式(1)中的a、b、α分別等于252、3 931及1.63。然后采用公式CD=252+3 931D1.63，對表中各管徑的造價進行擬合。由管道造價公式的擬合結果來看，準確度達到要求。

表2 綜合造價統計擬合值及其誤差

3.1.3 水擊壓力計算

輸水管道取水起點壓力根據水庫水位變化進行變化，變化范圍為水庫死水位至正常蓄水位，此次水錘壓力計算考慮水庫最高水位同時也是正常運行水位。水擊波傳播速度采用如下公式計算：

(2)

式中，C為水擊波傳播速度(m/s)；d為管徑(m)；e為管壁厚度(m)；α為水的彈性系數和管材彈性系數之比。經計算，水擊波傳播速度為1 030 m/s。

3.1.4 水擊水頭計算

水擊水錘為間接水錘，關閉時間為Ts-30 s，為了防止管道出現負壓，閥門啟動時間定為60 s。當閥門突然關閉時，將產生最大正水擊壓力；當閥門突然啟動時，將產生最大負水擊壓力。最大正水擊壓力和最大負水擊壓力按以下公式計算：

(3)

(4)

(5)

式中，Vm為管道水的流速(m/s)；Ts為關閉、啟動閥門時間(s)；g為重力加速度，g=9.81 m/s3；H為管道水頭(m)；L為管道長度(m)。選特征位置分別計算管道內不同位置處的水擊壓力及靜水壓力(見表3)。

表3 特征位置管道壓力(部分)

經計算，管道最大壓力為108.9，根據規范加上20～40管道富裕量，管道設計壓力需大于1.1～1.3 MPa。本工程管道球墨鑄鐵管采用K9等級，可承擔不大于1.6 MPa壓力；壓力鋼管壁厚為8 mm，設計壓力為1.6 MPa，管道壓力指標均能滿足要求。

3.1.5 水頭損失計算

管道水頭損失計算分為兩部分，輸水隧洞段及輸水管道段。輸水隧洞段長2.06 km，隧洞襯砌內徑為2.4 m或1.8 m，C20混凝土砌；輸水管道段長6.84 km，采用DN700管。輸水管道的總水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失相加組成。

hz=hy+hj

(6)

式中，hz為管道總水頭損失(m)；hy為管道沿程水頭損失(m)；hj為管道局部水頭損失(m)。

由計算結果分析可知，管道末段在水庫最低水位情況下水頭為11.3 m，滿足管道靠重力自流的要求。

3.2 輸水隧洞布置設計及計算

輸水隧洞長2 060 m，樁號為洞0+000.000～洞2+060.000(K2+830～K4+890)。進口底板頂高程為314.0 m，出口底板頂高程為313.0 m，縱坡為0.048 5%。隧洞進、出口末端接壓力鋼管。根據地質鉆探情況，隧洞內巖石較好、山體覆蓋層較厚；為了節省投資，隧洞采用圓形有壓隧洞設計。

3.2.1 管道布置原則

盡可能選擇短而直的路線，這樣可以縮短管道的長度，降低造價，減小水頭損失，降低水錘壓力。盡量選擇良好的地質條件，盡可能在現有管道旁征地范圍內布置，盡量減少管道的起伏波折，避免出現反坡，以利管道排空；應滿足便于操作和維修的要求。

3.2.2 管線布置

新建輸水管道基本沿原有管道一側布置，起點位于崇義縣長河壩電站2號發電機組引水支管末端蝶閥后，沿進廠道路右側布置；出廠房大門后沿原輸水管道布置。在河坑子至原輸水隧洞進口附近采用在河坑子附近新建輸水隧洞，隧洞出口后接管道至原輸水隧洞鋼管，利用原輸水隧洞鋼管輸水；原輸水隧洞鋼管出口后新建輸水管道沿原管道走向接入崇義縣自來水廠蓄水池。輸水管道總長8.90 km，其中新建輸水管道4.14 km(其中球墨鑄鐵管管長3.640 km，鋼管段長0.474 km)，管徑為DN700新建輸水隧洞2.06 km；襯砌后洞徑為1.8 m和2.4 m，利用原隧洞內明鋼管2.726 km，新建倒虹吸3座。

3.2.3 隧洞襯砌段計算

代表斷面取進、出口樁號洞0+010、洞2+050斷面進行計算。

樁號洞0+010。基本荷載組合 (設計內水壓力)：山巖壓力+村砌自重+均勻內外水壓力。特殊荷載組合(水錘壓力)：山巖壓力+村砌白重+均勻內水壓力。

樁號洞2+050。基本荷載組合(設計內水壓力)：山巖壓力十襯砌白重十均勻內外水壓力。特殊荷載組合(水錘壓力)：山巖壓力十襯砌自重+均勻內水壓力。

計算采用屠規彰等提出的襯砌結構的非線性常微分方程組，應用初參數數值解法，解算隧洞襯砌在水壓力、山巖壓力及襯砌自重等荷載作用下彈性抗力分布，算出變位和內力，并按水工鋼筋混凝土規范進行配筋計算。對于11種隧洞過水斷面，程序將襯砌(左半部)分10等分段，輸出每個計算點的軸向力、剪力、彎矩、受壓鋼筋面積、受拉鋼筋面積、抗裂安全系數以及裂縫開展寬度。經計算同時根據規范對襯到隧洞的最小厚度要求，隧洞襯徹厚度采用0.4 m，滿足限裂和應力要求。

3.2.4 引水隧洞錨噴混凝土襯砌段圍巖厚度計算

有壓隧洞最小圍巖覆蓋層厚度根據《水工隧洞設計規范》(SL 279—2016)中的公式進行計算，公式如下：

(7)

式中，CRM為巖體最小覆蓋層厚度(m)；F為經驗系數，取1.3～1.5 m；hs為洞內靜水壓力水頭(m)；rw為水的容重(kN/m3)；rR為巖體的容重(kV/m3)；α為河谷岸邊邊坡傾角。

經過計算，在最大水錘壓力情況下的巖體最小覆蓋層(不包括全、強風化)厚度不得小于4.0 m。設計輸水隧測錨噴混凝土段隨洞最小巖體覆蓋層(不包括全、強風化)厚度為49.0 m，滿足規范要求。

3.3 倒虹吸管設計

根據現場地形情況，在跨河處管道新建倒虹吸管，共設置3個，分別位于樁號K1+975～ K2+008、K2+080～ K2+123、K2+790～ K2+830。倒虹吸管兩側布置為緩坡式倒虹吸管，河床處倒虹吸管管頂埋置深度不小于1.0 m；管道頂+0.2 m以下采用C15混凝土回填，其余采用塊石回填(見表4)。

表4 倒虹吸管設計參數

3.4 護岸擋墻設計

根據管線布置，新建輸水管路布置在原輸水管外側，局部地段靠近河邊。根據現場察看，新建管道距離河岸距離太近，如遇洪水沖刷河岸，容易導致岸坡崩塌，影響輸水管道的安全，因此對此處地段進行護岸。護岸范圍為：樁號K0+348.000～K0+432.000、樁號K2+228.000～ K2+300.000、K2+330～2+464，總長290 m。

擋墻采用C15混凝土重力式擋墻，墻高3.0 m，墻頂寬度0.8 m，迎水面鉛直，背水面為1∶0.6，墻后回填開挖料。擋墻設D75PVC排水孔，間距1.5 m，梅花形布置，設0.5 m厚砂礫石反濾體。擋墻基礎座落在圓礫層，墻底設0.1 m厚砂礫石墊層，擋墻底外側回填塊石固腳。

4 結 語

本文通過論述崇義縣供水輸水管工程實例匯總遇到的問題和難點，對工程總體布局和取水方案的選擇進行分析，然后結合施工工程中涉及到的主要建構筑物布置方式和相關設計計算取值進行研究，主要包括輸水管道的布置計算、輸水隧洞的布置計算、倒虹吸管的設計以及護岸擋墻的設計。通過對供水輸水管工程建筑物布置和設計整體方案的分析，可為編制可靠的施工方案及保證工程高效優質的實施提供技術保障。