凹水河水庫供水工程突出問題淺析

袁麗娜，王永立，張笮娜

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002）

1 工程概況

凹水河水庫的任務(wù)是向黔西縣城供水，包括向西部工業(yè)組團- 岔白工業(yè)基地供水和向中東部組團- 包括黔西縣城中心城區(qū)及東部工業(yè)園區(qū)供水兩個部分組成，同時兼顧解決工程區(qū)周邊的部分灌溉用水。工程由水庫樞紐工程、供水工程和灌溉工程三部分組成。水庫正常蓄水位1287.00 m，相應(yīng)庫容4479 萬m3，校核洪水位1288.98 m（P=0.1%），總庫容4669 萬m3，縣城供水量為4198 萬m3/a，灌溉毛用水量為77 萬m3/a。

供水工程由供水泵站、供水管道、加壓泵站和末端水池組成，平面布置見圖1。供水對象西部組團雖然為工業(yè)園區(qū)供水，但也有一定的園區(qū)內(nèi)生活用水，工業(yè)供水輸水線路包括高位水池、輸水管線、輸水隧洞、末端水池組成；中東部組團供水管（為已建工程）包括輸水線路包括水廠、輸水管、調(diào)節(jié)水池等組成。供水管線的供水流量為1.999 m3/s，供水流量在加壓泵站位置分出中東部組團流量0.529 m3/s，之后供水管道將1.449 m3/s 流量送至西部組團。

圖1 供水工程平面布置圖

2 輸水線路比選

凹水河輸水線路由大壩有壓引水至供水泵站，經(jīng)提水至高位水池，結(jié)合高位水池和末端水池之間區(qū)域地形地質(zhì)條件，經(jīng)現(xiàn)場走線調(diào)查分析了3 條走線，見圖2。

圖2 管線布置方案平面圖

①南線，由高位水池作為起點，供水管線先向南驗收至苗溝附近，然后向東南穿過羅家寨埡口后到達林泉收費站附近的壩子，再向東南延伸至末端水池，管線沿經(jīng)過王家寨→余家寨→種花溝→苗溝→羅家寨→大田→海子→觀音山到達位于青浦塘庫尾山頭的末端水池，線路為東南走向，全長13.53 km。

②中線，由高位水池作為起點，管線一直沿東南方向延伸至末端水池，其中上游段與黔大高速走線相近，至林泉收費站附近的壩子后與方案①一致，管線總長12.25 km。

③北線，根據(jù)地形觀察，管線沿檬井村至715 縣道的槽谷地形沿現(xiàn)有通村組道路向東布置，到達715 縣道后沿公路向南延伸至林泉收費站附近的壩子，之后與方案①走線一致，線路總長14.61 km。

經(jīng)比較，南線主要沿山坡坡面和附近通村路布置，整個供水管線上涉及一處穿埡口隧洞（羅家寨隧洞）、一處穿越715 縣道、兩處由黔大高速公路高架橋下穿過，管線距離成貴高鐵最近距離2.1 km。整個線路沿線基本無重大建筑物布置，施工相對便利，無較大起伏，不存在地質(zhì)因素制約。

中線方案最短但是走線靠近高速公路，高速公路的走線高程在1430 m～1425 m 附近，中線管道穿過地形普遍高于高位水池的1415 m 水位高程，使得沿線隧洞、深挖明顯增多，而且中線穿過區(qū)域村組道路稀少，臨時道路工程投資高，占地面積大。加之中線工程距離已建縣城供水管起點比南線方案長約1.5 km，因此兩者相比，中線方案不如南線方案優(yōu)。

北線方案上游段基本上都沿現(xiàn)有公路布置，施工條件較好，但走線長度比南線方案長1.08 km，此外管線沿公路布置，與公路沿線民房干擾較大，有2.02 km 的線路高程高于高位水池水位，需進行深挖，工程量和工程占地均較大。同時北線方案無法顧及已建縣城供水管起點，需另外布置2.5 km 的縣城供水管線。綜合以上不利因素，北線方案明顯不如南線方案優(yōu)。因此，南線方案為最優(yōu)方案。

3 輸水管道設(shè)計

3.1 單雙管比選

本工程輸水管線是西邊工業(yè)組團的唯一水源，無安全貯水池、也無其它安全供水措施，所以輸水管線適合選擇雙管。同時對規(guī)模較大的工程，長距離輸水宜按雙管布置；雙管布置時，應(yīng)設(shè)連通管和檢修閥，干管任何一段發(fā)生事故時仍通過70%的設(shè)計流量，因本工程的輸水管線總長13.53 km，輸水流量1.999 m3/s～1.449 m3/s，輸水管長度及規(guī)模均不算小，因此選擇雙管也比較合理。

3.2 管材比選

結(jié)合工程實際情況，在保證足夠強度、水力損失小、便于運輸和安裝等情況下對以下三種管材進行比選。

鋼管使用年限為40 a，強度高、密封性好、補修性好、接頭少、連接簡單。但是鋼管容易腐蝕，需定期防銹，運行管理較復(fù)雜，用焊接法連接的接頭較弱，當(dāng)撓曲或溫度變化時，接頭處容易開焊，造價較高，使用壽命相對較短，日久管道銹蝕后會對介質(zhì)造成二次污染。

球墨鑄鐵管使用年限為70 a，管材強度較高，工作壓力高，防腐性能好、接頭簡單、可靠，運輸、搬運、安裝過程中破損率低，安裝簡單、工期短，對回填土無特殊要求，運行管理簡單，使用壽命較相對較長。但是球墨鑄鐵管重量較大，運輸量大。

玻璃鋼管使用年限為50 a，是非金屬材料、抗腐蝕性好，重量輕，安裝速度快，水頭損失小。但是玻璃鋼管為化學(xué)產(chǎn)品，老化后，強度消逝，有部分化學(xué)物質(zhì)殘留，影響水質(zhì)，強度小，不適合用于外載荷較大的管線，對基礎(chǔ)、回填土的要求高，對安裝工人技術(shù)等級有較高的要求。

三種管材特性比較見表1。

表1 管材比較

根據(jù)綜合比選，凹水河水庫工程供水輸水管線管材選用球墨鑄鐵管。盡管球墨鑄鐵管的綜合造價比夾砂玻璃鋼管高，但從近幾十年國內(nèi)各種管材實例來看，球墨鑄鐵管可靠性高，對周邊環(huán)境的適應(yīng)性好，有效使用壽命較長，壽命周期內(nèi)綜合造價低；加上球墨鑄鐵管強度高、安裝和運行較簡單，對回填土也沒有特殊要求，非常適合本工程的實際情況，所以本階段本工程推薦使用球墨鑄鐵管作為供水輸水管線的主管材。

3.3 管徑選擇

對輸水管道管徑設(shè)計時應(yīng)考慮事故運行情況，事故水量取設(shè)計水量的70%，并根據(jù)管道連通管的位置，考慮四個種運行工況，見圖3。

圖3 供水管線故障工況流量示意圖（單位：m3/s）

工況1 第一段管道故障，過水流量為1.999×70%=1.399m3/s，此時考慮下游西部組團和中東部組團水量均壓縮為70%。

工況2 第一段管道故障，過水流量為1.999×70%=1.399 m3/s，此時考慮中東部組團水量不變，剩余給西部組團。

工況3 第二段管道故障，下游過水流量為1.449×70%=1.014 m3/s，此時第一段過水流量為1.014+0.529=1.543 m3/s。

工況4 第三段管道故障，下游過水流量為1.449×70%=1.014 m3/s，此時第一段過水流量為1.014+0.529=1.543 m3/s。

由上四種工況計算羅家寨段管頂壓坡和總水頭損失，見表2。

表2 管頂水頭計算成果表 單位：m

由表2 計算可知，在雙管沿線布置兩個連通閥后，采用羅家寨上游管徑1.0 m，羅家寨下游管徑0.9 m 可以充分利用高位水池和末端水池之間的水頭，也可以滿足管線管頂水頭要求，同時也節(jié)約了工程投資。

3.4 管道設(shè)計

根據(jù)選用的球墨鑄鐵管管徑及特性，計算管壁厚度。

①內(nèi)部壓力設(shè)計

根據(jù)IOS 10803：1999《球黑鑄鐵管設(shè)計方法》，設(shè)計公式：

式中：t1為支撐（承受）內(nèi)部壓力所致的圓周應(yīng)力所需的最小管壁厚度，mm；p為內(nèi)部壓力，MPa；D為IOS 2531 規(guī)定的管道外徑，mm；Rm為材料的最小極限抗拉強度，MPa（按照IOS 2531的規(guī)定，為420 MPa）；F為設(shè)計安全系數(shù)。

②外部荷載的設(shè)計

根據(jù)IOS 10803：1999《球黑鑄鐵管設(shè)計方法》，設(shè)計公式：

式中：Δ1為管道的徑向偏移，用外徑D的百分?jǐn)?shù)表示：KX為取決于底層反作用角的偏移系數(shù)；q為因外部所有的荷載造成的管頂上的垂直壓力，MPa；S為管道的徑向剛度，MPa；E'為土壤反作用模量，MPa。

經(jīng)以上公式計算，通過查表選擇球墨鑄鐵管標(biāo)準(zhǔn)厚度等級為K8 等級，厚度為12.8 mm。

4 高位水池水位確定

根據(jù)供水線路比選，供水線路長13.53 km，起點高位水池位于大壩下游左岸約1.5 km 的山頭位置，地表高程1412 m。根據(jù)管線縱剖面（圖4），在“4+089.47”樁號位置需采用羅家寨隧洞穿越埡口地形，隧洞底板高程結(jié)合地形條件取1401 m 較為合適，若高程下沉，將使得隧洞長度明顯增加。由羅家寨隧洞底板高程控制，洞內(nèi)鋪管管頂高程在1402.65 m。

圖4 供水管線縱剖面圖（縱橫比1∶10）

受羅家寨埡口頂托，設(shè)計考慮采用高位水池水位1410 m和1415 m 進行計算比較，在各工況下洞內(nèi)鋪管管頂水頭見表3。

表3 管頂水頭計算成果表 單位：m

由上計算成果可見，高位水池水位1410 m 時，采用可研1.1 m 直徑雙管不能滿足管頂水頭要求，如將高位水池水位提高到1415 m，不僅管頂水頭壓坡滿足規(guī)范要求，還可以明顯優(yōu)化輸水管徑。同時結(jié)合高位水池山頭地形條件，若將水位設(shè)定為1415 m，可以避免在山坡一側(cè)開挖水池，可利用山頂高程。因此，供水泵站高位水池設(shè)計水位為1415 m。

5 結(jié)論

對凹水河水庫輸水線路工程布置中的突出問題進行簡要分析，結(jié)果可為本工程在日后正常工作環(huán)境下的安全運行提供有力技術(shù)保證，也能為同類工程提供借鑒作用。