山區灌區輸水線路的輸水方式比選

王康三，劉雁翼，彭 武

(中鐵水利水電規劃設計集團有限公司,江西 南昌 330029)

0 引言

水資源用途廣泛且不可替代,是人類社會賴以生存和發展的重要資源,然而我國水資源相對匱乏且分布不均。灌區作為水資源消耗量最大的地方,對地區農業可持續發展具有重要的應用價值,在發展高效農業、保障糧食安全中發揮著越來越重要的作用。由于山區灌區地形地貌差異較大,無壓輸水沿地勢布置線路較為曲折,而有壓方案線路平面布置不受地形影響,更為順直,但相較于無壓方案,縱剖面起伏更多,無壓及有壓輸水均各有利弊。因此需要對輸水線路的輸水方式進行無壓與有壓比選。在灌區工程設計中合理的輸水系統方案有利于節省工程投資、加快工程推進等從而發揮灌區最大效益。

1 工程概況

項目區位于永勝縣片角鎮,片角鎮位于永勝縣南端,東南兩面與大理州賓川縣接壤,西與鶴慶縣相鄰,北與本縣濤源鎮、魯地拉鎮隔江相望,素有永勝“南大門”之稱。片角鎮幅員面積382 km2,是典型的農業大鎮。片角鎮屬高原河谷燥熱山地季風氣候,年平均氣溫18.7 ℃,年平均降雨量441 mm。主要工程任務是向永勝受水區(片角鎮)提供灌溉用水。到2040年水平年年引水總量為0.216 6億m3,均用于農業灌溉,灌溉面積約3 066.67 ha。工程從海稍水庫東大溝分干線烏龍位處取水,輸水線路由東大溝分干線、卜甲支線、卜甲分支線、熱河支線組成,其中東大溝分干線已納入海稍水庫擴建工程建設范圍(見圖1)。

根據受水灌區分布情況,基本確定了工程布置。卜甲支線自達旦河右岸東大溝分干線19號分水口取水,受水灌區為達旦河左岸卜甲村委會灌區,輸水線路需跨越達旦河河谷,自其右岸輸水至左岸,采用管道有壓輸水較為合適,到達達旦河左岸后,采用無壓渠道輸水或采用有壓管道輸水均可滿足灌區用水需求;卜甲分支線自卜甲支線輸水至達旦河左岸后向南布置沿途分水給附近卜甲村委會灌區,輸水線路采用無壓渠道輸水或采用有壓管道輸水均可滿足灌區用水需求;熱河支線自東大溝分干線22號取水口取水,受水灌區為達旦河左岸熱河村委會灌區,輸水線路需跨越達旦河河谷,自其右岸輸水至左岸,采用管道有壓輸水較為合適,到達達旦河左岸后,采用無壓渠道輸水或采用有壓管道輸水均可滿足灌區用水需求[1]。

2 輸水方式比選

2.1 輸水方式比選思路

有壓輸水具有縮小過水斷面、優化運行管理條件等優點,在水頭富裕、不影響自流輸水的條件下,需要對有壓輸水及無壓輸水方式進行比較。穿越城區低平地帶,考慮管道輸水可有效保證水質、運行管理方便及對周邊影響小等因素,目前穿低平壩子地段的輸水線路采用管道輸水方式;沿線地形起伏較大的山地部分,需基于同一水面線成果,進行有壓和無壓輸水方式比選,確定地形起伏較大山地部分輸水線路的輸水方式。

2.2 輸水方式比選原則

1)管線比選方案都應滿足水資源配置確定的供水任務、供水范圍,具備條件且技術經濟比較相差不大的優先采用自流供水。2)管線方案的布置應基于前期線路比選無壓輸水方案界定的供水特征點及供水分配原則進行。3)除工程投資比較外,還需從地質條件、施工環境條件、運行管理及工程安全等方面進行綜合比較[2]。

2.3 有壓輸水及無壓輸水方式比選

2.3.1 比選方案的擬定

卜甲支線主要為卜甲村委會灌區輸水,卜甲村委會灌區位于達旦河左岸,輸水線路自東大溝分干線取水后,需要穿越達旦河至左岸。穿越達旦河最大高差約230 m,不適合采用渡槽跨河,選用管道有壓輸水。穿越達旦河至左岸灌區后,有壓及無壓輸水方式均可布置。同理,熱河支線為熱河委會達旦河左岸灌區輸水,需要穿越達旦河至左岸。穿越達旦河最大高差約190 m,選用管道有壓輸水。穿越達旦河至左岸后,有壓及無壓輸水方式均可布置。

由于卜甲分支線沿線地形凌亂,無壓輸水沿地勢布置線路較為曲折,而有壓方案線路平面布置不受地形影響,更為順直,但相較于無壓方案,縱剖面起伏更多;因而無壓及有壓輸水均各有利弊,利用此段進行無壓及有壓比選具有代表性。因此選擇卜甲分支線進行無壓與有壓輸水方式的比選。兩方案線路布置見圖2。

卜甲分支線有壓輸水方案(方案1)工程布置:支線自卜甲支線卜甲輸水管末端通過閥門取水,設計流量0.15 m3/s,有壓輸水管道,線路大致沿等高線向西南布置,線路落點卜甲村西南側三岔箐。支線線路全長2.71 km,采用DN 500螺旋焊接鋼管,全線主要采用埋管布置,局部縱剖較陡部位采用明管布置。沿途共設置3個分水口,末端設出水池并兼做分水口滿足灌溉需求。

卜甲分支線無壓輸水方案(方案2)工程布置:自卜甲支線卜甲輸水管末端取水,設計流量0.15 m3/s,以無壓渠道輸水為主,線路大致沿等高線向西南布置,線路落點卜甲村西南側三岔箐。支線線路全長3.91 km,其中,線路含渠道3座,渠道內斷面尺寸為0.6 m×0.7 m,渠道總長3 767 m,占96.3%;含渡槽1座,渡槽總長36 m,占0.9%;含倒虹吸1座,采用DN500螺旋焊接鋼管,倒虹吸總長107 m,占2.7%。

2.3.2 方案比選分析

根據上述比選方案的擬定情況,分別從工程布置、地質條件、施工條件以及征地移民等各方面進行比選論證,見表1。經綜合分析,方案2投資比方案1約多14.7%,且方案2線路長,永久占地多,施工工期長。通過進一步的現場踏勘并且與建設單位和當地政府充分溝通,由于無壓輸水方案永久占用較多基本農田,從減少對基本農田的永久占用方面考慮,且為減少因永久征地帶來的社會穩定問題,有壓管道沿途設置一定數量的分水閥室及相應分水建筑物來滿足輸水線路沿線的灌溉分水需求,這樣既解決了灌溉分水問題,亦對基本農田進行了避讓,同時減少永久占地面積從而節省了工程投資[3]。故卜甲分支線本階段推薦投資更省的方案1,即有壓輸水方案。與卜甲分支線類似,卜甲支線末端線路及熱河支線末端線路亦采用有壓輸水方案。

表1 有壓輸水及無壓輸水方案比選表

3 管材、管徑比選

考慮地形地質條件、管道內水壓力、管徑、施工安裝條件、安全耐久性、抗滲性、防腐性、對水的污染程度等各方面因素,本工程管道的管材可采用鋼管、球墨鑄鐵管及PCCP管[4],三種管材的價格見表2。

表2 管材價格比較表

從表2中可以看出,根據本工程選用的管徑范圍內的輸水管道,PCCP管單米價格最高,并且其承壓能力一般最大不超過2.0 MPa,并且該種管材對于小管徑其單米造價尤其較高,故本工程不選用PCCP管。

鋼管與球墨鑄鐵管比較來看,鋼管單米價格略高,但由于本工程線路沿線地形條件復雜多變,管道轉彎較多,球墨鑄鐵管道彎頭為定型產品,對于轉角的適用范圍較小,若為匹配工程實際情況單獨定制各種彎頭,相應的制造費用會加大;若彎頭采用定型產品,則安裝時管節間需要借轉以達到相應的設計轉角,安裝難度增加。而鋼管道彎頭為現場焊接,安裝更為便利,且本工程最大設計靜水頭達2.8 MPa,水頭較大,從工程安全運行角度考慮,鋼管強度高、力學性能好、焊接性能優越且具有不透水性及良好的韌性,可適應地形復雜的地段。因此,綜合考慮,本工程管道推薦采用螺旋焊接鋼管。

輸水管道根據規劃成果,設計流量0.15 m3/s～0.38 m3/s,各條輸水線路取水點及受水區落點的高程已經確定,在滿足過流能力的情況下選擇最小管徑來達到工程投資最優的目的,結合水力計算確定了每條輸水管道管徑[5]。選擇的管徑成果見表3。

表3 管徑、管材及流速選擇表

4 結語

針對地形凌亂、起伏較大的山區,無壓輸水方案主要采用渠道,局部跨溝箐段采用渡槽或倒虹吸,沿地勢布置線路較為曲折且開挖支護量較有壓輸水方案大;有壓輸水方案采用有壓管道隨地勢起伏較多,故需要的鎮墩工程量及放空、補排氣閥較多。

考慮灌溉輸水線路采用無壓輸水方式更有利于沿線取水,但永久占用較多基本農田較多;有壓管道沿途設置一定數量的分水閥室及相應分水建筑物可以滿足輸水線路沿線的灌溉分水需求。山區型灌區設計應結合工程實際情況,從投資、施工、征地以及環水保等各方面綜合考慮,選擇最優輸水方案。