鄉(xiāng)寧縣管頭鎮(zhèn)提水灌溉主體工程設計分析

武云飛

（鄉(xiāng)寧縣水利局，山西 鄉(xiāng)寧042100）

1 項目概況

鄉(xiāng)寧縣管頭鎮(zhèn)提水灌溉工程位于鄉(xiāng)寧縣城東的管頭鎮(zhèn)，項目區(qū)為石山森林區(qū)地貌，煤炭資源較為豐富，交通公路有臨吉高速和309國道橫貫而過。

工程向石窯、袁家村、管頭、井上、燕家河、長鎮(zhèn)、東團、胡村、樊家坪、上善、下善等11個村莊的耕地提供灌溉用水，灌區(qū)規(guī)劃總灌溉面積約1 200 hm2，泵站總裝機容量1 625 kW，其中一期工程規(guī)劃灌溉面積為433.33 hm2。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252－2000），按灌溉面積確定工程等別為Ⅴ等，按泵站裝機功率確定工程等別為Ⅲ等，本工程任務為農(nóng)業(yè)灌溉，綜合考慮確定工程等別為Ⅴ等，主要建筑物泵站、輸水管道等建筑物級別為5級。輸水管道洪水標準為10年一遇洪水設計；施工導流洪水標準為5年一遇設計。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001），確定建筑物抗震設防烈度為Ⅶ度。

工程主要建設內(nèi)容是從宋家溝水庫引水，利用地形高差，先自流至泵站前池，再經(jīng)泵站提水到1號、2號、3號蓄水池，最后通過蓄水池采用重力流分別向管頭鎮(zhèn)鄂河兩岸的石窯、袁家村、管頭、井上等11個村莊耕地灌溉供水。

2 工程規(guī)劃布置

2.1 水源取水方式

根據(jù)《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）中第3.1.2條，干旱地區(qū)或水資源緊缺地區(qū)灌溉設計保證率取50%～75%，由于本灌區(qū)灌溉水源為宋家莊水庫，鑒于水庫庫容較小，來水量相對有限且不夠穩(wěn)定，綜合多方面因素，本灌區(qū)灌溉設計保證率取50%。

本工程灌溉供水區(qū)最大灌水率為2.865 m3/s·萬hm2，一期工程灌溉面積433.33 hm2，灌溉水利用系數(shù)按0.8考慮，計算泵站提水流量為0.16 m3/s，一期工程需水量為107.5萬m3。宋家溝水庫總庫容為137萬m3，死庫容30萬m3，滿足一期工程433.33 hm2農(nóng)田的灌溉需水量。

宋家溝水庫涵洞最大泄水量7.8 m3/s，本工程引水流量0.16 m3/s，遠小于涵洞的輸水流量，高程也可滿足引水要求，故借用水庫已建的放水排沙涵洞取水。在涵洞下游壩后渠道進口新建一座節(jié)制閘、進水閘、進水池和流量計井，節(jié)制閘設在渠道上。

2.2 灌區(qū)規(guī)劃布置

灌區(qū)規(guī)劃設計分3個片區(qū)、1座泵站、連接輸水管道、分水閥及田間給水栓等。泵站依據(jù)3個灌溉片區(qū)的高程分別布置3座出水池，廠房內(nèi)共布置5臺機組，其中1號機組給1號出水池供水，2、3號機組給2號出水池供水，4、5號機組給3號出水池供水。1號出水池向4個村莊灌溉供水。2號出水池向5個村莊灌溉供水。3號出水池向上善、下善2個村莊灌溉供水。1號出水池位于長鎮(zhèn)村，控制高程1 260 m，2號出水池位于管頭村，控制高程1 400 m，3號出水池位于下善，控制高程1 360 m，每個出水池控制灌溉面積均為433.33 hm2。

工程分兩期實施，一期工程包括進水閘、泵站廠房、機組機電設備安裝、1號出水池及他們之間的連接管道。二期工程包括2～3號出水池及連接管道等。

2.3 提水泵站布置

提水泵站位于高崖底村公路旁的平地內(nèi)，地面高程1 139.0 m，廠區(qū)內(nèi)布置進水池、泵站廠房、庫房、辦公及生活服務用房。泵站前設進水池。共設置5臺機組，其中1號機組向1號出水池供水，1號出水池水位1 260 m，水泵型號KY550-75×2，電機型號Y355L2-2。

2號、3號機組向2號出水池供水，2號出水池水位1 400 m，水泵型號KDY250-100×4D，電機型號Y355L2-2。

4號、5號向3號出水池供水，3號出水池水位1 360 m，水泵型號KDY250-70×4D，電機型號Y355L1-2。

泵站緊鄰管頭鎮(zhèn)公路，可由管頭鎮(zhèn)公路直接進入廠區(qū)。進廠道路長度20 m，路面為混凝土結(jié)構(gòu)，寬度6.0 m。泵站廠區(qū)占地面積約1 hm2。

3 地基土濕陷性評價

3.1 本工程濕陷性計算參數(shù)的選取

本工程計算的濕陷量，取雙線法的濕陷系數(shù)：基底下10 m以內(nèi)采用200 kPa的雙線法濕陷系數(shù)，根據(jù)設計院提供的各管道區(qū)段整平標高進行計算，本次詳勘中各探井的飽和自重壓力，為按此整平標高計算出的土樣飽和自重壓力。各探井中自重濕陷量，計算按飽和自重壓力下實測的自重濕陷系數(shù)取值，具體取值見地勘報告。

3.2 濕陷類型

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004）第4.4.1條，建筑場地的濕陷類型，按室內(nèi)壓縮試驗計算的自重濕陷量判定。當Δzs＞70 mm時為自重濕陷性場地，室內(nèi)計算自重濕陷量Δzs按下式計算：

式中：δzsi——第i層土，在上覆土飽和自重壓力下，測得的自重濕陷系數(shù)；

hi——第i層土的厚度，mm；

β0——因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，本場地取0.5。

3.3 濕陷等級

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004），總濕陷量Δs按下式計算：

式中：δsi——第i層土的濕陷系數(shù)；

hi——第i層土的厚度，mm；

β——考慮地基土的側(cè)向擠出和浸水機率等因

素的修正系數(shù)，基底下5 m深度內(nèi)取1.5；5～10 m深度內(nèi)，取1.0；基底下10 m以下至非濕陷性黃土頂面，在自重濕陷性場地可取β0=0.5。濕陷量計算值計算深度，自地平面以下1.5 m算起。

計算各探井的自重濕陷量和總濕陷量，綜合考慮場地濕陷類型為非自重濕陷性場地，濕陷等級為I級。

3.4 天然地基土承載力評價

本次勘察各層地基土的承載力特征值fak系根據(jù)原位測試結(jié)果，并結(jié)合本地區(qū)建筑經(jīng)驗綜合考慮確定的，結(jié)果詳見表1。

表1 天然地基土承載力特征值一覽表

3.5 地基均勻性評價

僅對泵站進行地基均勻性評價，根據(jù)本次勘察揭露的場地地層情況，泵站基礎(chǔ)位于第（3）層卵石上，且該層所夾粉土層均位于基底之上，其力學性質(zhì)較好，土質(zhì)均勻，無軟弱下臥層，據(jù)此判定該場地天然地基為均勻地基。

3.6 地基變形參數(shù)

地基變形計算壓縮模量宜按實際壓力段（土的有效自重壓力至土的有效自重壓力與附加壓力之和段）取值，計算出相應的壓縮模量Es，碎石土據(jù)動探擊數(shù)提供變形模量E0，詳見表2。

表2 地基各層土壓縮模量、變形模量

3.7 場地穩(wěn)定性、適宜性評價

根據(jù)本次勘察結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)資料，場地及場地附近無全新活動斷裂，亦不存在滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用，各地貌單元地層在平面和深度方向上分布基本連續(xù)穩(wěn)定，故該場地屬較穩(wěn)定場地，地基土適宜本工程建設。

3.8 結(jié)論及建議

（1）本次勘探深度范圍未發(fā)現(xiàn)地下水，地表水對鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

（2）擬建場地土對鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性評。

（3）本場區(qū)抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15 g，設計地震分組為第二組。

（4）本場地類型為II類，屬建筑抗震一般地段。（5）場地濕陷類型為非自重型，地基土濕陷性等級II級。

（6）根據(jù)本次勘察揭露地層情況可不考慮軟弱土的震陷影響。

（7）擬建場地不存在全新活動斷裂，亦不存在影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用。

（8）根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)勘察設計規(guī)范》（DBJ04-258-2008）附錄G，本地區(qū)標準凍結(jié)深度為0.63 m。

4 工程主要建筑物

4.1 節(jié)制閘和進水閘結(jié)構(gòu)設計

節(jié)制閘設在下游渠道上，尺寸為1.5 m×2.5 m（寬×高），高度和寬度與原渠道尺寸一致。進水閘與節(jié)制閘呈30°夾角，為矩形斷面單孔閘，閘室段采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)，尺寸為5 m×0.6 m（寬×高），閘墩設手動螺桿啟閉機，鑄鐵閘門。

為保證引水壓力管道與渠道的連接（即滿足管道進口壓力），在進水閘后設一漿砌石進水池兼做消力池。

4.2 泵站進水池設計

進水池采用矩形C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為5 m×26 m×4 m（寬×長×深），池底高程1 136.8 m，設計水位1 139.0 m，底板厚度為0.3 m，池壁厚度為0.3 m，進水管高程1 139.225 m，出水管高程1 137.425 m。

4.3 泵站廠房設計

泵站廠房分主廠房和副廠房。

主廠房為矩形廠房。廠房內(nèi)單排布置5臺機組，總長36 m。高度按廠房內(nèi)最大設備能安全吊裝的原則確定為6.5 m。

副廠房：長7.5 m，寬4.5 m，高5.4 m。副廠房因荷載較小，地面以下采用M7.5漿砌石條形基礎(chǔ)，地面以上采用磚混結(jié)構(gòu)，頂為C20鋼筋混凝土，屋面結(jié)構(gòu)同主廠房。地面采用20 cm厚C15混凝土。

廠區(qū)地基不存在濕陷性，基礎(chǔ)處理采用砂卵石墊層厚300 mm，壓實度不小于0.95。

4.4 出水池設計

1號、2號、3號出水池，既是泵站出水池，又是向各灌區(qū)供水的進水池，容積按出水池和進水池綜合考慮。根據(jù)實際需要確定出水池尺寸為6.5 m×6.5 m，池深4.5 m。

出水池為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為6.5 m×6.5 m×4.5 m（寬×長×深），容積150 m3。底板厚度為0.3 m，池壁厚度為0.3 m。考慮運行安全，池壁設DN 400溢流管，管中心高程設在水池水位以上0.2 m，當池水位超過最高水位時，多余水量從溢流管排至附近天然沖溝，溢流管隨池外地形鋪設。

地質(zhì)勘探資料顯示，出水池地基土為粉土，具Ⅱ級濕陷性，但1號水池土層厚度為3.5 m，2號水池土層厚度為3.8 m，3號水池土層厚度為6.3 m，以下為基巖，水池地面以下埋深3 m，故將1號、2號水池基巖面以上土層全部開挖，回填砂卵石墊層至設計底高程，壓實度不小于0.95；3號水池基坑開挖夯實后，回填1.0 m厚，壓實度不小于0.95。

4.5 引水管道設計

引水管道包括重力流主管道、泵站壓力出水管、輸水干管、支管、管道附件及管道建筑物，為降低投資，節(jié)約成本，本灌溉管網(wǎng)管材根據(jù)管徑、壓力等級和管材價格，分別選用PE 100級聚乙烯管和鋼管，管槽開挖邊坡為1∶0.5。對于并排安裝的雙排管道，管道之間的凈距為0.8 m。管溝開挖夯實后直接鋪埋壓力管道。