張峰水庫輸水工程壓力管道設計簡述

張翠鳳

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 概況

張峰水庫位于晉城市沁水縣張峰村，是黃河流域沁河干流上第一座大型水利樞紐工程，控制流域面積4 990 km2，庫容3.94億m3，以城市生活和工業(yè)供水、農村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用。2005年被列為國家重點建設項目。張峰水庫工程由樞紐工程和輸水工程兩部分組成，樞紐工程由攔河大壩、導流泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞及渠首電站、川坡電站等。

張峰水庫輸水工程等別為Ⅲ等，總干、二干管道及其建筑物的級別為3級，采用20年一遇洪水設計、50年一遇洪水校核。一干渠道及其建筑物級別為4級，各建筑物相應洪水標準10年一遇洪水設計、30年一遇洪水校核。其中，總干管線38.33 km及二干全線為管道輸水，輸水方式為重力流輸水與兩級泵站梯級加壓組合。

總干管線在東山倒虹前接20號隧洞出口，重力流輸水至七坡泵站，地形揚程129.67 m，加壓后繼續(xù)沿公路向東至東嶺泵站，地形揚程130 m，加壓后繼續(xù)沿公路向東北方向，穿過老馬嶺隧洞，隧洞出口處接壓力管線，最后進入末端蓄水池，線路全長38.33 km。

二干起點為總干末端調蓄水池，輸水線路全長18.28 km（總干末端蓄水池至二干末端蓄水池），向南供巴公地區(qū)工業(yè)用水，設計流量1.11 m3/s。

2 壓力管道設計

張峰水庫輸水工程管線沿程地形、地質情況復雜，有巖基段、土基段、穿河段、溝槽段。管道應根據(jù)不同的地段分類設計，并從管線設計、管材選擇、管徑及填埋維護等方面進行分析。

2.1 管線設計

管線設計至關重要，設計合理，可以為施工帶來方便，給工程節(jié)省投資，提高經(jīng)濟效益；設計不合理會導致管件和工程成本大大增加。因此，管線設計要兼顧地形和工程量兩方面因素。

設計應符合總體設計方案，考慮地形、地質、水利、施工及運行等條件，保證各種工況時管頂?shù)臏y壓管水頭不小于2.0 m；管線布置應盡可能平直，減少轉彎，且縱向和水平轉彎要結合考慮；管頂覆土一般按不小于1.5 m設計，滿足沿線總體規(guī)劃及管道抗浮抗沖等要求；管線與其他管線、道路排水的交叉段管線布置要符合規(guī)范，并滿足工程施工凈距的要求；對于穿公路、農田、池塘等段按其使用功能、協(xié)調意見及輸水系統(tǒng)運行管理的要求綜合確定。

張峰水庫輸水工程管線設計沿線有泵站、隧洞，管線布置區(qū)工程地質復雜，有的地段存在低液限黏性和濕陷性土及基坑涌水，有的位于河漫灘甚至穿過河床或布置在巖石地段，且?guī)r性接觸部位地基存在不均勻變形等。針對復雜的地質情況，設計時要根據(jù)實際情況進行合理布置，并對工程地質問題采取相應的處理措施。

2.2 管材選擇

輸水工程的供水對象主要為工業(yè)用水和農村人畜飲水，對輸水管道可靠性、耐久性等方面的要求較高。結合目前國內管材生產成熟程度和工程的實際情況，張峰水庫輸水工程管材選擇以鋼管、預應力鋼筒混凝土管和玻璃鋼管三種管材分析比較，根據(jù)其優(yōu)缺點確定使用范圍。

通過比較，結合工程實際，加壓輸水管線受管道內壓波動和水錘的影響，對管道本身的耐久性、抗外壓性能等要求較高。重力流輸水管道內壓波動較小，根據(jù)各管材性能，張峰水庫輸水工程總干砂礫石溝槽地段和加壓管道選用預應力鋼筒混凝土管（PCCP管），黃土溝槽地段選用玻璃鋼夾砂管。在泵站進出水池及調壓池進出口等地形復雜地段和穿越各種障礙的地方采用鋼管，以便提高工程效益。

2.3 管徑設計

管徑設計根據(jù)技術經(jīng)濟比較確定，可以根據(jù)線路布置和內壓變化情況分段定出幾種管徑，但變徑次數(shù)不宜過多。管徑的設計由管道的輸水能力、管長及管道的總水頭確定，從而使管道投資和運轉費用的總和量最小，更為經(jīng)濟合理。

張峰水庫輸水總干線埋管長38.33 km，其中七坡泵站前、老馬嶺隧洞出口后為重力流輸水，老馬嶺隧洞為無壓輸水，其余為加壓輸水。

管徑設計要滿足設計流量2.44 m3/s的過流要求，運行流速不超過3 m/s；結合管材選擇，保證輸水管線管頂以上的測壓管水頭不小于2 m，在末端的富余水頭最小。

按照以上原則，結合實際地形和線路布置情況及已定管材，選擇1.2 m和1.4 m管徑進行技術經(jīng)濟分析比較。根據(jù)技術方面經(jīng)驗確定流速，再進行管道水頭損失計算，結合管材造價及運轉費用確定經(jīng)濟流速和經(jīng)濟管徑。

管道水頭損失計算方法如下：

張峰水庫輸水工程線路較長，糙率的選取對工程造價和建成后的運行管理有很大影響。根據(jù)管道生產廠家提供的試驗資料并與國內同類工程類比，確定PCCP的糙率選用0.012 5，玻璃鋼管的糙率選用0.009。按《室外給水設計規(guī)范》中有壓管道沿程水頭損失計算公式：

式中：hf──沿程水頭損失，m；

L──計算長度，m，取1 000；

R──水力半徑，m，R=D/4；

D——直徑，m；

n──糙率，PCCP管取0.0125；玻璃鋼管取0.009；

v——平均流速，m/s。

局部水頭損失hj=5%hf，總水頭損失h＝hf＋hj。

計算結果見表1：

表1 每公里沿程損失計算結果表

根據(jù)計算結果可知，各流量下的末端富余水頭均滿足要求，同流量同管材的PCCP管徑1 600 mm比管徑1 400 mm的水頭損失?。还懿牟煌瑫r，直徑1 400 mm的PCCP比直徑1 200 mm的玻璃鋼管損失??；直徑1 200 mm的玻璃鋼管比直徑1 200 mm的PCCP水頭損失小得多。由此確定管徑大于1 200 mm的選用PCCP，管徑小于1 200 mm的選用玻璃鋼管。

結合工程實際情況，總干線0+000—3+266.31選定直徑1 600 mmPCCP管，3+266.31—15+999.81選定直徑1 400 mmPCCP管，15+999.81—23+877.52選定直徑1 200 mmPCCP管，23+877.52—37+384.24選定直徑1 200 mm的玻璃鋼管。

管徑設計與管材選擇在管線設計上一致，不同的是經(jīng)過計算分析可以根據(jù)合理的流速確定最經(jīng)濟的管徑。

2.4 管道埋設及防護

管道埋設分為普通埋設和特殊埋設。普通埋設按一般回填工藝回填，回填材料及回填密實度要達到相關規(guī)范要求。對于特殊埋設，如彎管處要設置一定體量的支墩來平衡管道的軸向拉力和摩擦力；對于河道段要滿足埋深要求，同時在管道頂部做一些防護以防沖刷。

需要注意的是，特殊埋設中玻璃鋼管的穿河段情況，玻璃鋼管材質輕，會被浮起或被洪水沖刷，回填質量高，需要考慮洪水沖刷深度和埋管的抗浮能力。

張峰水庫20號隧洞出口后，在河漫灘埋設的大部分總干管線就屬此類情況，根據(jù)線路地形，有11個穿河地段。根據(jù)建筑物洪水設計標準，管道所處河溝位置、河床地質情況及水文分析成果等，計算管道所穿過溝河的沖刷深度，確定埋置深度。采用《鐵路工程水文勘測設計規(guī)范》中一般沖刷公式進行計算：

式中：hp——沖刷后最大水深，m；

hmc——沖刷前最大水深，m；

hc——斷面平均水深，m；

Bc——河槽部分建筑物過水凈寬，m；

Qc——設計流量，m3/s；

E——與汛期含沙量有關的系數(shù)；

A——單寬流量壓縮系數(shù)，m，

B——河槽寬度，m；

——造床流量對應的平均水深，m；

dc——河床質平均粒徑，m。

通過計算可知，穿河段輸水管道埋設要求管頂以上覆蓋層厚度必須滿足河道沖刷深度要求，對主河床段及易沖刷段管頂以上覆蓋層厚度不小于3.0 m。在距管頂1.0 m處鋪設一層厚度1.0 m的塑料土工格柵石籠，石籠之上鋪設回填料，穿河段塑料土工格柵石籠寬10 m，其中上游4 m，下游6 m，以防管道沖刷。

根據(jù)埋設護理進行抗浮穩(wěn)定計算。穿河段采用塑料土工格柵石籠防護，管上覆土厚度不小于1.5 m，抗浮滿足穩(wěn)定要求。

3 結語

綜合張峰水庫輸水工程設計，壓力管道在輸水工程應用中的優(yōu)點得到了充分體現(xiàn)。其中，PCCP壓力管道安裝便捷和地基適應能力強，有效縮短了工期，節(jié)省了投資，提高了水的利用率；玻璃鋼管由于其材質輕、成本低，施工運輸方便，節(jié)省了成本。張峰水庫輸水工程壓力管道的合理設計，提高了整個工程的施工效率，保證了效益的正常發(fā)揮。