西部山區(qū)水電移民安置輸水工程有關(guān)設(shè)計問題的探討

王炎如，莊 坤，朱如龍，常 軍

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

近年來，筆者致力于水電移民安置農(nóng)業(yè)灌溉輸水工程的相關(guān)設(shè)計工作，先后參與了龍開口水電站移民安置供水工程和白鶴灘水電站移民安置生產(chǎn)供水工程等工作，多個工程均位于西部云南、四川山區(qū)，地形地質(zhì)條件復雜，同時受環(huán)境及復雜地形影響，自然氣候十分獨特，立體氣候明顯，小氣候復雜多樣，全年分雨季和旱季，輸水工程沿線各沖溝旱季水量小，但洪水期水量大，部分沖溝易發(fā)生泥石流，對渠系建筑物有一定的破壞作用。同時由于西部地區(qū)水電移民安置工程的特殊性，90%以上的工程引水流量處于0.5 m3/s以下，引水線路長度10 km以上，水源點和用水地區(qū)水頭差50 m以上，所以普遍具有引水流量小、引水距離長和水頭差大的特點。在以上的工作中，針對西部地區(qū)水電站移民安置輸水工程總結(jié)了一定的經(jīng)驗。下面對設(shè)計過程中常見問題進行分析探討。

1 工程特點

輸水工程主要包括渠道引水和管道引水工程兩種方式。管道引水工程又分為重力流管道和泵流管道兩類。重力流管道主要依靠管道的傾斜坡度重力自流，從水源地運輸?shù)接盟畢^(qū)。泵流管道主要依靠水泵抽水將水輸?shù)接盟畢^(qū)，因運行維護成本較高，實際應(yīng)用的較少。渠道引水和重力流管道引水應(yīng)用較為廣泛，均利用了水的勢能，具有成本較低、運行維護較方便的特點。采用渠道和管道進行設(shè)計的過程中主要特點如下。

1.1 渠道特點

由于西部地區(qū)渠道沿線的地形地質(zhì)條件不同，渠道的斷面型式也有所不同，主要有矩形渠道、梯形渠道，主要襯砌型式為素混凝土襯砌[1]和漿砌石[2]襯砌。

渠道引水雖然有沿線分水方便、檢修方便等優(yōu)點，但水質(zhì)易受污染，且渠道引水無法承壓，對地形的適應(yīng)性較差。采用渠道引水的工程設(shè)計中，常常碰到取水點泥沙含量大，渠道沿線沖溝多，洪水期來水量大，且沿線伴有落石等不利情況，同時沿線村民引水時會對渠道側(cè)墻進行破壞，造成沿程水利用系數(shù)低的問題，如何選擇合理的渠系建筑物種類和具體形式，設(shè)計中都需要謹慎處理。

1.2 管道的特點

在輸水工程中，管材的選擇一般要根據(jù)工程的規(guī)模，管道的工作壓力，輸水距離的長短，工程的進度與重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地質(zhì)情況，當?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況，應(yīng)用管材的習慣[3]。西部山區(qū)水電移民安置輸水工程中主要采用鋼管和球墨鑄鐵管兩種形式。

管道引水一般采用埋管，減少了對交通和耕作的影響，基本沒有水量損失，引水線路末端水質(zhì)與水源點基本一致，管道可以承壓，受地形影響較小，且雜物不易進入管道，清淤工作量小的優(yōu)點，更重要的是，管道可以通過渠道引流無法實現(xiàn)的地形[4]。采用管道引水的工程設(shè)計中，由于其輸水系統(tǒng)長度較長，且總水頭比較高，在壓力設(shè)計中，是否分級，如何分級是需要解決問題[5]。在西部地區(qū)輸水工程中，常見單管高壓輸水管道工程，此時受到長距離、地質(zhì)地形條件等的影響，必須采取有效措施保證管道的穩(wěn)定性，且對水源點泥沙含量敏感。

在工程設(shè)計中，有采用渠道引水的方式，也有采用管道引水的形式，渠道引水和管道各自的優(yōu)缺點，具體采用那種型式引水，是工程設(shè)計首先需要解決的問題。

2 輸水工程設(shè)計

首先需要根據(jù)取水口高程、供水對象高程和沿線地形、地質(zhì)情況選擇相應(yīng)的輸水線路和方式。

2.1 渠道設(shè)計

西部地區(qū)長引水工程渠道的比降一般為2/1 000～4/1 000，根據(jù)水利計算確定實用經(jīng)濟斷面，根據(jù)經(jīng)驗，在滿足安全超高的情況下，一般過水斷面長寬比為1∶1的矩形斷面為實用經(jīng)濟斷面。如果沿線通過落石較多或者供水對象包括居民生活用水，還需要渠道頂部設(shè)置蓋板。需要繞過房屋、耕地或者地質(zhì)不穩(wěn)地區(qū)時，可以通過設(shè)置陡坡或者跌坎進行放坡，渠道過溝時可設(shè)置渡槽、倒虹吸等建筑物，與公路交叉時可設(shè)置涵洞，沿線通過供水對象時需設(shè)置節(jié)制閘、分水閘，渠道末端需設(shè)置泄水閘。

2.2 管道設(shè)計

根據(jù)水頭差和流量確定管道直徑，選用合適的壁厚承壓，并且注意水力摻氣[6]危害，不能產(chǎn)生負壓。在需要泄壓時可以采用泄壓池進行減壓，沿程需設(shè)置排氣閥[7]、排泥閥等，分水處需設(shè)置分水閥。一般采用埋管型式，管道一般埋深0.7 m以上，寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)應(yīng)埋入凍土層下0.5 m。

3 常見問題處理

3.1 渠道、管道引水方式的選擇

以白鶴灘水電站移民安置供水工程中的寧南縣披砂景星供水工程為例，就如何選擇渠道、管道引水的方式進行介紹。

披砂景星生產(chǎn)供水工程從竹壽水庫擴容及調(diào)水工程末端的小涼山調(diào)蓄山塘引水，小涼山山塘壩頂高程1 409.00 m，設(shè)計蓄水位為1 408.0 m，首部地面高程為1 401.50 m，從小涼山調(diào)蓄山塘1 401.5 m取水，通過鋼管引水至取水閥室，供給大同鄉(xiāng)安置區(qū)生產(chǎn)用水后，再通過長距離引水至披砂景星安置區(qū)上方的1 302 m調(diào)節(jié)水池，之后分水分別供披砂景星安置區(qū)供生產(chǎn)和生活用水，設(shè)計引水流量0.761 m3/s，沿線分水后干渠流量分別為0.659、0.482、0.285、0.210、0.024 m3/s。

方案一，采用渠道引水，干渠引水線路長度為20.56 km，斷面尺寸為1.0 m×1.0 m(高×寬)。

方案二，采用管道引水，在白水河處采用倒虹吸跨越，其余線路與明渠方案相同，干管引水線路長度為15.73 km，采用DN700、DN650、DN550焊接鋼管。

3.1.1經(jīng)濟性比較

按照2016年第2季度的信息價，對不同的管徑鋼管、不同斷面素混凝土渠道的單位長度的工程量進行測算后，對工程投資進行對比，如表1所示。

表1 管道、渠道綜合單價對照

對比渠道斷面0.5 m×0.5 m和管道DN400以下的每m工程投資，渠道較高，而渠道斷面0.6 m×0.6 m和管道DN500以上的每米工程投資對比中，管道較高。從工程投資角度考慮，流量越小，坡度越陡，斷面越小，管道越經(jīng)濟；流量越大，坡度越緩，斷面越大，渠道越便宜。

披砂景星生產(chǎn)生活供水工程中，方案一渠道引水方案的工程可比投資1 487.88元/m，可比總投資為3 059.08萬元；方案二管道引水方案的工程可比投資2 116.73元/m，可比總投資為3 329.62萬元。從經(jīng)濟性比較方案一投資較少，所以渠道引水方案較優(yōu)。

3.1.2技術(shù)性比較

白水河是黑水河左岸一級支流，溝道長約10 km，源頭位于安家營盤處，高程約2 271 m，在高程約700 m處匯入黑水河，溝底縱比降約157.1‰。溝谷深切、狹窄，斷面呈“V”字型，兩岸地形較陡，坡度25～40°。溝內(nèi)常年流水，雨季時流量較大。管道引水方案施工難度較大，且雨季溝內(nèi)流量較大，易將鋼管沖毀。渠道引水方案從白水河上游通過，白水河河面寬度較小，可通過排洪橋過河，所以方案一渠道引水方案較優(yōu)。

3.1.3方案比較結(jié)論

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，渠道引水方案投資較少，同時便于施工，推薦采用方案一渠道引水方案。具體設(shè)計時，應(yīng)從經(jīng)濟技術(shù)兩方面綜合比較，確定具體的渠道、管道引水形式。

3.2 汛期渠首來水量大、泥沙含量高問題的對策

在泥沙含量比較高的河道或者沖溝取水，取水堰一般采用底攔柵型式，堰后設(shè)置沉沙池的方式防沙。根據(jù)西部地區(qū)河流、沖溝窄深的地形和汛期來水量大的特點，設(shè)計、校核洪水頻率下，沖溝中水深常?？蛇_到2 m以上。為防止汛期來水大時洪水倒灌入沉沙池，沖沙廊道可采用箱涵式，沉沙池需要設(shè)置高側(cè)墻。白鶴灘水電站移民安置供水工程寧南縣矮子溝生產(chǎn)供水工程1 900 m取水堰如圖1所示，矮子溝泥沙含量為2.21 kg/m3。經(jīng)過計算，校核洪水頻率下，沉沙池處斷面水深可達2.6 m，沉砂池處河底高程1 898 m，校核洪水位1 900.6 m，為避免洪水倒灌入沉沙池，在使用箱涵式?jīng)_沙廊道的同時，沉沙池頂高程1 901.1 m，側(cè)墻高度達3.1 m。

圖1 寧南縣矮子溝生產(chǎn)供水工程1 900 m取水堰布置示意

3.3 管道壓力分級問題的對策

在壓力管道輸水系統(tǒng)中，當總水頭較高時，若輸水管道直徑較大，或受管材性能限制時，為了更好的控制每一段壓力區(qū)段的最高工作壓力和管線長度，最大限度的提高工程的經(jīng)濟性，需要考慮將線路進行分級處理，即將線路分成幾個壓力區(qū)段。

在將壓力進行分級處理時，需要根據(jù)實際情況劃分為幾級，即幾個壓力區(qū)段。并且還需要在每一個壓力區(qū)段的末端設(shè)置調(diào)壓調(diào)流裝置。根據(jù)經(jīng)驗，一般西部地區(qū)為保證輸水管道的穩(wěn)定，管材多采用鋼管或者球磨鑄鐵管，承壓能力強，一般1 MPa以下的管道可以不分級，采用增加壁厚的方式增加承壓能力，承受1 MPa以上的壓力時，為增加管道穩(wěn)定性，避免在管道破損時高速水流對人、畜進行傷害，可以采用將線路分成幾個壓力區(qū)段的型式，每個區(qū)段壓力均控制在1 MPa以下。

4 結(jié) 語

綜上所述，隨著西部大開發(fā)國家政策的推進和對三農(nóng)問題的重視，未來西部地區(qū)的輸水工程會繼續(xù)加大建設(shè)力度并且發(fā)揮重大的社會效益。研究西部地區(qū)輸水工程的特殊性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷并優(yōu)化，需要在實踐中總結(jié)，進而用于設(shè)計實踐中的，以提高西部地區(qū)長距離輸水工程的建設(shè)質(zhì)量，保證其安全穩(wěn)定運行。