福林水庫灌溉輸水管道設計探討

羅文

（重慶國昂工程設計咨詢有限公司，重慶 400000）

0 引言

近年來，隨著經濟的不斷發展，重慶市各地工農業用水量出現不同程度的提升。以綦江區為例，為了滿足境內產業園區的建設、生活供水以及農業灌溉等用水需求，興建一系列供水工程勢在必行。福林水庫工程輸水沿線地形地勢復雜，輸水管道內外壓都比較大。

1 項目概述

綦江區福林水庫工程位于重慶市綦江區東溪鎮境內，水庫壩址坐落于綦江左岸一級支流——福林河上，距東溪鎮約7km、距綦江城區約56km，對外交通條件較好。福林水庫工程開發任務是以農業灌溉和場鎮供水為主，兼有灌區農村人畜飲水等綜合效益。水庫正常蓄水位498.00m，死水位455.00m，調節庫容936萬m3，總庫容1129萬m3，灌溉面積3.68萬畝，為東溪、趕水、篆塘場鎮提供原水年均733萬m3，灌區農村人畜供水量年均100萬m3。福林水庫工程由樞紐工程和輸水工程（灌區和供水）兩部分組成。樞紐工程主要包括大壩、溢洪道、取水塔、引水隧洞、上壩道路和附屬管理房等；輸水工程主要由總干渠、新廟干渠、篆塘支渠、趕水支渠以及渠系建筑物組成。

2 自然條件

2.1 水文條件

（1）徑流。福林水庫位于福林河中上游，壩址位于福林場上游約600m的魚池灣附近，壩址以上流域面積45.19km2，河道長16.61km，河道比降39.62‰，多年平均流量為0.803m3/s，徑流深560.4mm。徑流的年內變化與降雨一致。

（2）洪水。福林河流域為典型的山區性河流，洪水發生時間與暴雨一致。每年4月下旬開始進入汛期，5—9月為本流域大暴雨多發季節，特大暴雨、洪水常發生在此時期，而8月本流域常發生伏旱，若遇暴雨也有較大洪水發生。10月以后，副高南移，流域內降水較多，但雨強較小，一般不會形成大洪水。福林河流域內河谷深切，岸坡較陡，流域內洪水具有匯集快，洪水過程陡漲陡落，峰型尖瘦，峰頂持續時間短的特點。據調查，水庫壩址以上洪水過程多為單峰，歷時約24h左右，最大洪量主要集中在6h內，福林水庫壩址設計洪峰流量成果見表1。

表1 壩址設計洪峰流量成果

2.2 氣象條件

綦江區屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，四季分明，無霜期長，春季回溫較早但常受寒潮影響出現倒春寒，初夏雨量豐沛，盛夏炎熱多伏旱，秋多綿雨，冬無嚴寒，云霧較多。福林河流域無水文、氣象測站，鄰近有綦江氣象站，根據鄰近綦江氣象站1970—2017年實測資料統計：多年平均氣溫為18.6℃，年內以1月氣溫最低，平均為7.2℃，8月氣溫最高，平均為28.0℃，極端最高氣溫42.3℃，極端最低氣溫為-1.7℃。多年平均年降水量為1052mm，多年平均相對濕度為77%，平均無霜期328天，平均日照時數1244h，多年平均風速1.5m/s，多年平均最大風速11.2m/s，極端最大風速26m/s，最多風向NW。

2.3 地形地質條件

庫區處于四川盆地東部邊緣的渝東平行嶺谷區的中峰寺向斜端北東翼，地形地貌受構造和地層巖性控制明顯，局部地區亦與外營力作用關系密切。庫區地勢西高、東低。區內地形主要為切割較強烈形成的方山臺地地形，河谷呈大致對稱的“V”字型。庫周兩岸山體寬厚，地表分水嶺高程965～1100m，相對高差500～600m。根據地貌成因劃分為構造剝蝕中深切割臺狀中低山地貌和侵蝕堆積河谷地貌，以剝蝕地貌為主，河流兩岸偶見崩積堆積臺地。建庫河段屬于福林河下游段，水庫沿岸水系呈樹枝狀發育，除庫首右岸發育較大支溝小龍溪常年有水外，水庫區左岸還發育一條細支流，右岸還發育兩條細支溝，細支溝一般呈季節性流水。

3 水庫規模及徑流調節計算

3.1 來水過程線

福林水庫壩址以上集雨面積45.19km2，多年平均來水量2533萬m3。本次徑流調節計算采用水文計算提供的1965年4月—2014年3月長系列逐月徑流資料，與可研階段一致。

3.2 用水過程線

根據水資源供需分析，求得各方案設計水平年1965年4月—2014年3月逐月需水庫供水過程線，扣除現有水利設施可供水量外，多年平均需水庫供水量為1715.4萬m3，其中，農業灌溉需水量882.4萬m3、城鎮生活需水量733萬m3、灌區農村人畜需水量100萬m3。福林水庫建設后，生態需水流量采用水庫壩址本流域多年平均流量的10%進行計算，則水庫壩址需下泄生態流量0.08m3/s（折合年徑流量253萬m3）。水庫年均損失水量為蒸發損失和滲漏損失之和。通過徑流調節計算，水庫多年平均蒸發損失量為6萬m3。結合有關資料并參考類似工程情況，取水庫滲漏損失水量為水庫時段蓄水量的1.0%。通過徑流調節計算，水庫多年平均滲漏損失量為86.1萬m3。

3.3 水位庫容曲線

采用我院實測的1:2000庫區地形圖量算的福林水庫水位面積、水位庫容曲線成果。設計徑流調節計算考慮福林水庫庫區泥沙淤積后20年后的水庫水位庫容曲線成果。

3.4 徑流調節計算

根據本工程的開發任務，考慮到城鎮用水保證率比農田灌溉保證率高的特點，擬定水庫徑流調節計算的原則為：優先滿足場鎮供水及灌區農村人畜飲水，再根據來水和水庫調蓄能力滿足灌溉用水。為保證場鎮供水，擬定當水庫水位介于455.00~466.00m之間運行時，水庫只提供場鎮供水及灌區農村人畜飲水，不提供灌溉用水。根據調節計算原則，采用時歷法，根據來水與用水長系列逐年逐月過程進行計算，蓄水期在滿足用水的前提下，水庫盡早蓄水，直到正常蓄水位，供水期當水庫水位將到死水位時，若用水大于來水則水庫無法滿足供水要求，發生缺水，計為供水破壞。計算起點以死庫容作為初始庫容，本時段的末庫容即為下一時段的初庫容，逐年逐月進行計算，直到系列末。

考慮福林水庫為多年調節水庫，以水庫水位487m（考慮20年淤積后相應蓄水量535萬m3）起調，計算得福林水庫壩址正常蓄水位498.00m，死水位455.00m，調節庫容936萬m3。經過1965—2014年49年長系列的徑流調節計算，可以得出：水庫缺水年為16年，根據《水利工程水利計算規范（SL 104—2015）》第7.1.2條條文說明之規定，在統計破壞年時，一般可以把缺水率小于等于5%的年份不作為破壞年統計，水庫實際破壞年為11年，農田灌溉保證率為76.0%；城鄉供水破壞月為13月，場鎮供水保證率為97.6%。福林水庫多年平均供水量為1646.6萬m3，多年平均缺水量為68.8萬m3。

3.5 水庫調洪計算

福林水庫正常蓄水位498.00m，相應庫容1018萬m3，死水位455.00m，調節庫容936萬m3，校核洪水位500.18m，總庫容1129萬m3，樞紐屬Ⅲ等中型工程，最大壩高為超70m的混凝土面板堆石壩，其建筑物級別提高為2級，但洪水標準不提高，按50年一遇洪水設計、1000年一遇洪水校核。經調洪演算，校核洪水時，溢洪道下泄677m3/s，相應的水位為500.18m；設計洪水時，溢洪道下泄431m3/s，相應的水位為498.18m。

4 設計參數比選

4.1 管材選擇

本工程輸水沿線地形地勢復雜，輸水流量較小，根據經濟流速確定的管徑為0.2m和0.6m。輸水線路沿途坡度變化較大，輸水管道內外壓都比較大。同時，線路轉彎數量多，輸水保證率也要求高。因此，管道選材應具備的特點如下：

（1）可以承受相應的壓力。該項目管道為承壓管道，本文所研究輸水線路的最大靜水頭約為100m。一般情況下，非金屬管道的最大正常工作壓力約為允許工作壓力的0.67～0.71倍。如果水錘壓力比較大時，允許工作壓力取值會相應提高，考慮到非金屬管道在壓力下的狀態，不得使用。

（2）因為供水用途包括人類和牲畜用水，所以對水的質量要求很嚴格。管道長時間與水接觸時，不得產生有毒、有害化學物質。

（3）管材應該具有相應的抵抗外部荷載的能力。本文研究對象使用埋管，由于沿途地形多變，埋深范圍相應多變，部分地區涉及河流、公路，管材應有承載填土靜荷載、交通動荷載、溫差、不均勻沉降等荷載的能力。

（4）應具備一定的防腐性能。尤其對于金屬等易腐管材，防腐措施必不可少。

（5）滿足工程任務的同時，盡量降低成本；管材不易老化，并且能夠使用較長時間；管材之間易于連接，滿足各項技術指標。

4.2 球墨鑄鐵管設計

球墨鑄鐵管根據《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程（CECS 142—2002）》中相關公式進行計算。球墨鑄鐵管管道結構應按下列兩種極限狀態進行設計：

（1）承載能力極限狀態，即管道結構達到最大承載能力，管壁因材料強度被超過而破壞，管道結構作為剛體失去平衡而上浮或滑移，管壁截面喪失穩定；

（2）正常使用極限狀態，即管道的豎向變形超過正常使用的變形。

4.3 鋼管防腐形式選擇

因為有著良好的耐腐蝕性和附著力，環氧樹脂已被用于鋼管防腐。環氧樹脂是極性分子，有較好的附著力。但它是熱固性物質，因此不耐顛簸。聚乙烯是熱塑性材料，具有良好的柔韌性，但附著力較差，所以將兩者組合使用能夠成為現階段最好的選擇。本工程的鋼管采用涂塑復合鋼管，防腐型式為內熱熔結環氧涂層、外聚乙烯。

5 結語

水庫工程輸水管道沿線地形地勢復雜，輸水管道內外壓都比較大。同時，輸水線路途經多處陡坡，線路轉彎數量多，因此選擇球墨鑄鐵管作為主要管材，在穿越公路或遇到陡坡（＞16°）時采用鋼管。在保證安全的同時，有利于加快施工進度、節約投資，在同類工程中具有積極意義。