南水北調(diào)中線一期穿黃工程南岸Ⅰ標(biāo)施工排水系統(tǒng)設(shè)計

□孟慶亮（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1 概述

1.1 工程概況

南水北調(diào)中線一期穿黃工程南岸Ⅰ標(biāo)（以下簡稱穿黃Ⅰ標(biāo)）位于鄭州市以西約30km處，明渠起點為河南省滎陽市王村鄉(xiāng)王村化肥廠南，終點為黃河南岸退水洞，全長約5 km。穿黃Ⅰ標(biāo)為典型的深挖方渠道，開挖深度20～50 m，沿線地下水位均高于渠底板，需采取人工降水措施。

穿黃Ⅰ標(biāo)工程地貌特征為邙山黃土丘陵臺地，由于黃河的側(cè)向侵蝕作用，邙山北坡陡南坡緩，北側(cè)臨黃河一面自然坡度一般在40°左右，而南側(cè)自然坡度一般在2°～3°。邙山嶺南為寬廣平緩的沖積平原區(qū)，地面高程130～140 m，平均自然坡降2%～4%，呈由西北向東南逐漸降低趨勢。

1.2 排水通道調(diào)查

現(xiàn)場查勘、走訪后分析認(rèn)為，受征地、賠償、地方政府配合等方方面面條件限制，水流排向東、西、南3個方向的可能性不大，可供選擇的方位就是北側(cè)的黃河。而工程區(qū)域內(nèi)地形呈由西北向東南逐漸降低趨勢，向北自流排水不可能，以動力的方式泵抽輸水成為唯一的選擇。

沿工程征地線朝西北方向鋪設(shè)管道將水直接輸入黃河的途徑因提水揚程高（40m高差）、邙山北坡管道鋪設(shè)困難、水流出口消能費事費力而被放棄。通過調(diào)查及對灌區(qū)干渠測量資料分析發(fā)現(xiàn)：李村灌區(qū)的干渠、渠首泵站可作為排水通道。

2 排水方案比選

2.1 沿線集水方案比選

2.1.1 明溝集水

石化路以東段地勢平緩，總高差約7 m，可分別在渠道兩岸K0+500～1+950及K2+000～3+000段修筑排水明溝，地下水自流至明溝端頭的集水井，泵送入主泵站內(nèi)（主渠道與李村南干渠交出處）；

本方案的特點在于：運行維護(hù)簡單，能兼排雨水；需在石化路以東段設(shè)置中轉(zhuǎn)泵站，增加運行成本；對下基坑道路布置有一定影響。

2.1.2 壓力管道集水

在渠首處設(shè)泵站，沿石化路以東段渠道兩岸敷設(shè)壓力鋼管道，間隔20～30 m設(shè)進(jìn)水口，泵送主泵站內(nèi)。

本方案的特點在于：管道長達(dá)3 km，水頭損失大，運行費用高。系統(tǒng)運行復(fù)雜，可靠度略低。降水井水泵向管道內(nèi)排水時需帶壓注水，揚程增加。需另外修建排雨設(shè)施。

2.1.3 無壓管道集水

沿石化路以東段渠道兩岸安裝0～8 m高的支架，并架設(shè)PVC管道，間隔20～30 m設(shè)進(jìn)水口，自流入主泵站內(nèi)。

本方案的特點在于：自流速度低，需使用較大直徑管道，前期投資大。運行穩(wěn)定可靠，費用低廉。施工干擾大，需另外修建排雨設(shè)施。

經(jīng)綜合比較，認(rèn)為明溝集水方案全壽命費用較低，運行簡單可靠，采納為設(shè)計方案。

2.2 主排水通道比選

2.2.1 方案1

在南干渠與石化路交點的西側(cè)起，沿西北走向緊鄰征地線一側(cè)暗敷輸水鋼管至北干渠，將南干渠內(nèi)的積水抽排至北干渠。北干渠內(nèi)壅水高度超過0.20 m后，即倒流至分水口，后流入西干渠，通過敷設(shè)的輸水鋼管將水導(dǎo)入南干渠檢查井，最終經(jīng)南干渠隧洞、李村電灌站泄入黃河。

2.2.2 方案2

自南干渠與石化路交點的西側(cè)起，沿南干渠敷設(shè)鋼管至南干渠隧洞出口，泵壓水至南干渠隧洞內(nèi)，經(jīng)李村提灌站自流排入黃河。

兩個方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較如表1所示：

表1 主排水通道方案比較表

由表1可見，方案1的總體費用高于方案2；方案1施工難度較小，人為干擾因素小，可靠性比較高?？紤]到本工程對排水可靠性的特殊要求，推薦方案1。

3 排水設(shè)施設(shè)計

3.1 設(shè)計排水量

3.1.1 施工降水

假定干擾井單井標(biāo)準(zhǔn)出水量為2m3/h，按沿渠兩岸布置降水井，井間距20m計算。渠道全長約5km，降水井總出水量約1000 m3/h，考慮到渠道施工有一定的先后次序，以及干擾井出水量隨抽水歷時延長而逐漸減小等因素，降水井出水量可按800m3/h估算。

3.1.2 生產(chǎn)、生活廢水

生活營地設(shè)計高峰期人數(shù)約800人，以綜合人均用水量120 L計算用水量，考慮不均衡系數(shù)后，每小時污水排放量約10 m3。生產(chǎn)廢水主要為混凝土養(yǎng)護(hù)用水和拌合站清洗廢水兩類，考慮不均衡系數(shù)后，每小時污水排放量約20 m3。兩項合計，高峰時段小時排水量約30 m3。

3.1.3 雨水

按小流域面積公式計算，以單次降雨量100 mm計，徑流系數(shù)按非鋪砌土地面取值為0.30，則徑流總量約6萬m3。降雨產(chǎn)生徑流具有歷時短，流量大的特點，為此修建大流量排放通道并不經(jīng)濟(jì)，可利用渠道分段施工特點，在渠道內(nèi)短時間蓄水。以暴雨發(fā)生后的4～5 d內(nèi)排除為準(zhǔn)計算，暴雨后每小時排水量約500～625 m3。

以上三項合計，每小時排水量為1330～1455 m3/h，設(shè)計排水量應(yīng)確定為1500 m3/h。

3.2 輸水干管

輸水干管南起主泵站，北至李村北干渠，管道全長約1.73 km，設(shè)計輸水量約為1500 m3/h，沿征地線暗敷，最小覆土厚度約0.40 m。

3.2.1 經(jīng)濟(jì)管徑

經(jīng)濟(jì)管徑根據(jù)管道基建投資和運行費用兩個方面確定，首先按經(jīng)驗公式計算管徑。

式中：D：輸水鋼管直徑；Q：水泵設(shè)計流量，m3/h。

同時，選取管徑為500 mm和600 mm進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表2。

表2 經(jīng)濟(jì)管徑比較表

由于輸水系統(tǒng)運行時間長達(dá)3.50 a，運行費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出管路投資。經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)分析比較，最終選定管徑為600 mm。

3.2.2 管壁厚度

按明敷鋼管在事故停機(jī)管內(nèi)出現(xiàn)真空情況下，使用經(jīng)驗公式計算最小厚度。

由于輸水鋼管符合低揚程、長管道、大管徑的條件，而且本工程屬臨時設(shè)施，參照當(dāng)?shù)乩畲咫姽嗾镜倪\行經(jīng)驗，最終確定管壁厚度為3.50 mm。經(jīng)焊縫驗算，符合要求。

3.3 水泵

3.3.1 揚程計算

H=Hst+Hg+Hc

各泵站設(shè)計揚程計算結(jié)果如表3。

表3 水泵設(shè)計揚程計算成果表

3.3.2 水泵選型

1#、2#泵站具有低揚程，大流量的特點，選擇混流泵比較適宜，為避免單臺機(jī)出現(xiàn)故障后對系統(tǒng)運行造成嚴(yán)重影響，每個泵站配置2臺同型號水泵。主泵站揚程較高，流量分階段逐步增加，選配4臺離心泵，其中1臺備用，并配置真空泵，以便于快速啟動。水泵選型結(jié)果見表4。

表4 水泵選型成果一覽表

4 結(jié)論

穿黃Ⅰ標(biāo)施工排水系統(tǒng)自2006年初投入運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足工程施工需要，可為同類工程所借鑒。汛期降雨產(chǎn)生的徑流水質(zhì)較渾，容易淤積渠道及泵房進(jìn)水池，還沒有一個較好的解決辦法，需要對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。挖方型渠道、公路施工時，應(yīng)妥善設(shè)置工區(qū)排水系統(tǒng)，在保證運行可靠的前提下，應(yīng)比永久工程設(shè)計有所簡化。