錫伯提水庫冬季引水管道工程設(shè)計(jì)綜述

唐明建，張曉葉

(沈陽億鑫設(shè)計(jì)咨詢有限公司，沈陽 110006)

1 工程概況

錫伯提水庫是錫伯提河上的一座小(Ⅰ)型平原注入式水庫，位于新疆兵團(tuán)第九師一六六團(tuán)境內(nèi)。水庫總庫容500萬m3，死庫容40萬m3，有效庫容460萬m3。錫伯提水庫建成于1992年，但由于庫盤滲漏，壩基不均勻沉降造成壩體裂縫，使水庫無法正常蓄水，成為病險(xiǎn)水庫。2015年該水庫徹底除險(xiǎn)加固后恢復(fù)其設(shè)計(jì)庫容500萬m3，水庫控制著下游灌區(qū)2186.67hm2灌溉面積。

錫伯提水庫通過大錫伯提渠首引水，明渠輸水進(jìn)入水庫，但是在每年的冬季(12-3月份)，因?yàn)閲?yán)寒，引水渠產(chǎn)生凍脹，河水結(jié)冰流通不暢等原因，冬閑水無法引入水庫，水資源無法得到充分利用，水庫引水渠的引水量達(dá)不到設(shè)計(jì)庫容，無法滿足下游灌區(qū)的灌溉用水量。該工程通過新建一條冬季引水管道，將無法利用的冬閑水引入錫伯提水庫，增加水庫的供水量，以緩解下游灌區(qū)耕地灌溉用水量不足的問題，工程的建設(shè)將會(huì)使灌區(qū)有限的水資源得到充分利用，對(duì)項(xiàng)目區(qū)增產(chǎn)增收意義重大。

2 管線總體布置

錫伯提水庫冬季引水管道設(shè)計(jì)流量0.8m3/s，管道總長5966m，采用DN700玻璃鋼管，共配套建筑物16座，其中閘閥井10座,消能井1座，丁壩5座。管道從大錫伯提渠首下游改建的消力池取水，管道末端設(shè)消能井，水流經(jīng)過消能后，溢流進(jìn)水庫進(jìn)水渠，注入錫伯提水庫。管道沿線每隔1km左右設(shè)一座排氣井，在管道逆坡處最低點(diǎn)設(shè)排水井，最高處設(shè)排氣井。管道0+240-0+620段管線位于錫伯提河左岸河床邊緣，為防止洪水將管道沖出，該段沿線共設(shè)置丁壩5座(丁壩間距95m)，丁壩頂寬1m，壩長8m，邊坡1∶1.5，壩高1.5-2.0m，丁壩及管道護(hù)坡上下游10m范圍均采用雷諾護(hù)墊護(hù)砌。為保證管道在冬季運(yùn)行時(shí)能夠足量引水，在每年入冬前需將渠首處做清淤處理[1]。

3 管道水力計(jì)算

通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，確定本工程管材選用玻璃鋼管。管道管徑按通過的流量確定，為使管道具有較穩(wěn)定的工作壓力，較少管道的磨損，管道設(shè)計(jì)水力坡降小于地面坡降，管道流速≤2.5m/s。

輸水管道水頭損失按下式計(jì)算：

沿程水頭損失：

hf=fQmL/db

(1)

局部水頭損失：

hw=ξ×v2/2g或hw=10%·hf

(2)

式中：L為管長，m ；Q為流量，m3/h；d為管道內(nèi)徑，mm；m為流量指數(shù)，1.77；b為管徑指數(shù)，4.77；ζ為局部阻力系數(shù)；v為管道流速,m/s；g為重力加速度，9.8m2/s；f為管材摩阻系數(shù)，玻璃鋼管取91500/。

通過計(jì)算，管道首端至末端高差為90.74m，當(dāng)管徑為700mm時(shí)，管道最大工作壓力為70.76m，水流流速為2.08m/s，滿足經(jīng)濟(jì)流速要求，由此確定管道采用DN700玻璃鋼管，承壓等級(jí)0.4-1.0MPa[2]。

4 縱橫斷面設(shè)計(jì)

4.1 橫斷面設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃葹?.2m，為保證管道冬季運(yùn)行，設(shè)計(jì)管溝深按最大凍土深度+20cm考慮，因此設(shè)計(jì)管頂以上埋深≥1.4m。管溝斷面采用梯形，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況及地質(zhì)勘察報(bào)告，管道0-064-5+032段為砂礫石基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)溝底寬1.3m，開挖邊坡系數(shù)1∶0.5，需在管道底部鋪設(shè)20cm細(xì)砂墊層，并一次性整平。

管道5+032-5+900段臨近錫伯提水庫庫區(qū)，經(jīng)實(shí)地勘察，該段管線基礎(chǔ)為濕陷性黃土，濕陷系數(shù)0.045，屬中等非自重濕陷性土。該段管溝設(shè)計(jì)溝底寬1.5m，開挖邊坡系數(shù)1∶0.75，為消除管溝基礎(chǔ)濕陷性的影響，基礎(chǔ)采用換填墊層法。管溝開挖后對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行翻松灑水并輔以人工夯實(shí)，翻夯影響深度≥30cm，壓實(shí)度≥0.93，另鋪設(shè)30cm厚3∶7灰土墊層，灰土換填后承載力應(yīng)達(dá)到170kPa。處于該管段范圍內(nèi)的所有閘井、消能井等建筑物基礎(chǔ)均采用該措施處理。

4.2 縱斷面設(shè)計(jì)

管道縱剖面設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定管道在立面上的位置。管道應(yīng)短而直，應(yīng)盡量使管道在立面上順直，但要避免大量開挖，在管道沿線地面起伏較大時(shí)，地埋管道也可隨地面起伏，同時(shí)要避免山峰狀隆起。在起伏的管道上，隆起的部位要設(shè)置進(jìn)排氣閥，低谷的部位要設(shè)泄水閥。本次管道最大設(shè)計(jì)縱坡0.1520，最小設(shè)計(jì)縱坡0.0002，共設(shè)排氣井6座，排水井4座。

5 管道附屬設(shè)備

設(shè)計(jì)管道僅為輸水管道，中間不分水，故管道附屬設(shè)備僅包括進(jìn)排氣閥和排水閥。

5.1 進(jìn)排氣閥

進(jìn)排氣閥設(shè)置在管道系統(tǒng)的駝峰處，輸水長度大于1km時(shí)應(yīng)增設(shè)1個(gè)，其作用一是在管道輸水過程中排出管內(nèi)空氣，防止管內(nèi)積氣發(fā)生氣蝕和影響管道過流能力；二是在管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)吸入空氣，避免產(chǎn)生負(fù)壓以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。進(jìn)排氣閥的口徑與所處位置和與其連接的管道口徑有關(guān)，參考《城市供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS193: 2005)，推薦兼有注氣、排氣兩種功能的排氣閥，公稱直徑宜取主管道直徑的1/8-1/5，本工程進(jìn)氣、排氣閥的大小按不小于管路管徑的1/4確定。本工程選定排氣閥規(guī)格為DN200，共設(shè)6處。

5.2 排水閥

管道非運(yùn)行季節(jié)(夏季采用渠道引水時(shí))，應(yīng)排除各級(jí)管道內(nèi)的積水，排水閥設(shè)于管道較低處，及管道逆坡的最低處，本工程共設(shè)排水閥4處。

6 管線防凍措施

為保證管道進(jìn)水口能在冬季正常運(yùn)行，需將大錫伯提渠首的消力池段進(jìn)行改建。根據(jù)氣象資料，當(dāng)?shù)刈畲蟊鶅龊穸葹?.9m，即冰面0.9m以下的水流不結(jié)冰，由此可確定管道進(jìn)水口高程。加高現(xiàn)狀消力池，在消力池末端增設(shè)一道潛孔式閘門作為節(jié)制閘，在消力池右岸擋土墻上增設(shè)一道潛孔式閘門，閘門后接輸水管道?？紤]管道冬季運(yùn)行時(shí)需保溫，封閉渠首開敞段，并覆土50cm，管道附屬閥門井、消能井等均采用此措施保溫。管道進(jìn)水口剖面詳見圖1。

圖1 管道進(jìn)水口剖面圖(單位：cm)

7 消能井

管道地形坡差較大，管道末端工作壓力達(dá)到70.76m，靜水壓力達(dá)到90.74m，若直接將管道水注入水庫進(jìn)水渠，會(huì)對(duì)渠道產(chǎn)生極大的破壞，且水流流態(tài)極不穩(wěn)定，因此在輸水管道末端設(shè)置深筒式消能井，降低水頭，使水流平穩(wěn)的溢流進(jìn)入渠道，最終注入水庫。消能井分為進(jìn)水池、出水池和溢流渠三部分，進(jìn)水管采用多孔鋼管，通過多孔出流將巨大水能減小，進(jìn)水池四周和底板內(nèi)壁設(shè)置鋼板，防止水流對(duì)池壁和池底造成損傷。

設(shè)計(jì)深筒式消能井特點(diǎn)是利用射流對(duì)池壁的沖擊來消能。消能井結(jié)構(gòu)尺寸按以下步驟確定：

根據(jù)進(jìn)水管直徑D=0.5m、設(shè)計(jì)流量Q=0.8m3/s，尾渠允許波高h(yuǎn)=0.025m，計(jì)算消能井參數(shù)〔Q2/(gD2)〕1/2=1.45，h/D=0.05。選擇深寬比d/b，d/b=1.0-2.0較妥，一般取d/b=1.5。根據(jù)以上參數(shù)由圖2查得b/D=3.2,從而可得井寬b=1.6m，井深d=2.4m。參考當(dāng)?shù)匾呀ǔ傻囊?guī)模與本工程相當(dāng)?shù)南芫?，本次取井寬b=2.0m，井深d=3.95m。消能井剖面詳見圖3。

圖2 d/b-〔Q2/(gD2)〕1/2關(guān)系曲線圖 圖3 深筒式消能井剖面圖(單位：cm)

8 結(jié) 語

工程已于2016年完成施工并驗(yàn)收合格，運(yùn)行至今狀態(tài)良好。管道未出現(xiàn)過因冰凍而斷水的情況，說明管道進(jìn)水口在最大冰凍層以下取水是可行的，在閘井、消能井等建筑物頂部覆土保溫能夠取得較好效果。濕陷性黃土區(qū)管線基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)明顯沉降，管線完好，說明對(duì)承載能力要求不高的建筑物基礎(chǔ)采取翻夯+換填灰土的措施能夠較好的減小土壤濕陷性，滿足工程需求。管道末端消能狀況良好，未出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，說明深筒式消能井在小流量、高水頭的管線工程中消能效果較好。