莒南縣大水網(wǎng)工程扁山隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析

慕乾科，張繼山，王 勇

（1.莒南縣陡山水庫(kù)管理處，山東 莒南276600；2.莒南縣水利局，山東 莒南276600；3.莒南縣水務(wù)發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 莒南276600）

為充分利用縣域內(nèi)雨洪水資源，搞好莒南縣縣域內(nèi)地表水資源時(shí)空統(tǒng)一調(diào)配，緩解水資源緊缺狀況，莒南縣于2014年籌劃構(gòu)架了“三庫(kù)串聯(lián)、沭水東調(diào)、供水外埠”的“大水網(wǎng)”工程，其中沭水東調(diào)工程系取用沭河客水的綜合調(diào)蓄工程。規(guī)劃在道口鎮(zhèn)朱家莊段、沭河中泓樁號(hào)66+900處，興建沭河橡膠壩工程，攔蓄汛期沭河雨洪水資源，經(jīng)6.4 km明渠自流輸水至魯溝泵站，再經(jīng)20 km管道壓力輸水至扁山隧洞（另一分支進(jìn)入石泉湖水庫(kù)調(diào)蓄）輸水至相邸水庫(kù)。其中扁山隧洞工程則是實(shí)現(xiàn)“三庫(kù)串聯(lián)、沭水東調(diào)”的關(guān)鍵工程。

1 扁山隧洞設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 已建東部供水工程概況

為解決莒南東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)、臨港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)等工業(yè)用水匱乏問(wèn)題，2014年山東水務(wù)魯南水務(wù)發(fā)展公司與莒南縣人民政府聯(lián)合興建了莒南東部供水工程，2015年?yáng)|部供水工程建成投運(yùn)。建設(shè)內(nèi)容為自相邸水庫(kù)引水，在相邸水庫(kù)壩后新建裝機(jī)1 500 kW提水泵站1座，設(shè)計(jì)日供水25萬(wàn)m3，經(jīng)5 km長(zhǎng)DN1600管道調(diào)水至坊前鎮(zhèn)大坊前村北嶺調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池容量3 000 m3，設(shè)計(jì)水位為94.0 m，下游鋪設(shè)總長(zhǎng)43 km管道輸水，自流供水至莒南臨港產(chǎn)業(yè)園區(qū)、臨港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、日照嵐山區(qū)等。

1.2 扁山隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)緣由

扁山隧洞設(shè)計(jì)輸水方案：隧洞進(jìn)口高程為108.00 m，出口高程為93.81 m，設(shè)計(jì)比降1/296，上游來(lái)水經(jīng)扁山隧洞無(wú)壓輸水進(jìn)入相邸水庫(kù)，再通過(guò)上述東部供水工程相邸泵站動(dòng)力提水供水至下游用水戶。由于東部供水工程已建成投運(yùn)、整個(gè)體系輸水能力固定，按照設(shè)計(jì)方案，沭河雨洪水資源需經(jīng)魯溝泵站一級(jí)提水、相邸泵站二級(jí)提水方可供水至下游用水戶，整個(gè)過(guò)程需二次動(dòng)力提水；陡山水庫(kù)、石泉湖水庫(kù)富裕水量部分也必須經(jīng)由相邸泵站動(dòng)力提水至下游用水戶，該過(guò)程需要一次動(dòng)力提水。由于扁山隧洞來(lái)水均需經(jīng)相邸泵站動(dòng)力提水，不但大大增加了供水成本，而且不利于節(jié)約能源，需對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 設(shè)計(jì)工況下輸水能力分析

根據(jù)扁山隧洞及下游已建東部供水工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)下游供水能力進(jìn)行了復(fù)核。扁山隧洞進(jìn)口高程為108.00 m，設(shè)計(jì)比降1/296，出口高程為93.81 m，隧洞出口至東部供水工程坊前北嶺調(diào)節(jié)池距離7.3 km，調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)供水位92.50 m。經(jīng)水力計(jì)算，隧洞設(shè)計(jì)出口斷面水面高程與調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)水位高差不滿足設(shè)計(jì)供水能力下自流供水至用水戶要求。

2 優(yōu)化方案

扁山隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想：堅(jiān)持工程投資微小變動(dòng)原則，維持扁山隧洞設(shè)計(jì)斷面尺寸不變，通過(guò)微調(diào)扁山隧洞軸線走向，適當(dāng)抬高隧洞出口高程，將扁山隧洞出口通過(guò)管道直接與相邸泵站出水管端連接，使扁山隧洞來(lái)水自壓輸水至下游調(diào)節(jié)池、下游用水戶，實(shí)現(xiàn)扁山隧洞后全部自壓輸水。

2.1 扁山隧洞設(shè)計(jì)指標(biāo)

扁山隧洞位于石泉湖水庫(kù)下游3 km處，長(zhǎng)4.2 km，斷面身為城門洞形，底部為3.9 m×2 m矩形斷面、上部為同寬半圓斷面。隧洞進(jìn)口高程為108.00 m，設(shè)計(jì)比降1/296，出口高程為93.81 m，設(shè)計(jì)日供水能力25萬(wàn)m3，整個(gè)隧洞設(shè)計(jì)工況為無(wú)壓輸水。扁山隧洞出口建鋼筋混凝土出水池。

2.2 具體優(yōu)化方案

經(jīng)研究沭河雨洪資源調(diào)配工程設(shè)計(jì)文件、下游已建東部供水工程竣工指標(biāo)，通過(guò)水力計(jì)算，進(jìn)行了方案比選，提出了隧洞下游自流供水方案。旨在將扁山隧洞出口高程抬高，在出水口處設(shè)置鋼筋混凝土出水池，通過(guò)2.4 km管道連接相邸泵站出水管道，自流供水至下游用水戶。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，沭河2 515萬(wàn)m3來(lái)水僅需一級(jí)動(dòng)力提水，陡山、石泉湖水庫(kù)富裕水量無(wú)需動(dòng)力提水，將大大降低供水成本。具體優(yōu)化方案為：

在設(shè)計(jì)供水能力、已建工程指標(biāo)已確定的情況下，維持扁山隧洞設(shè)計(jì)進(jìn)口位置、進(jìn)口底高程108.00 m不變，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地貌地質(zhì)情況，將隧洞出口北移200 m，對(duì)隧洞軸線稍作調(diào)整，由原設(shè)計(jì)隧洞4 260 m、縱向比降1/296、出口底高程93.61 m調(diào)整為隧洞長(zhǎng)4 080 m、縱向比降1/452、出口底高程98.98 m，隧洞出口底高程抬高了5.37 m。在隧洞出口建鋼筋混凝土出水池，出水池設(shè)計(jì)水位100.20 m。

2.3 輸水能力復(fù)核

根據(jù)扁山隧洞優(yōu)化方案技術(shù)指標(biāo)，對(duì)扁山隧洞輸水能力進(jìn)行了復(fù)核。經(jīng)復(fù)核，采用優(yōu)化方案后，在維持設(shè)計(jì)供水能力不變的情況下，隧洞的正常水深由原設(shè)計(jì)方案的0.53 m增大為0.60 m，原隧洞設(shè)計(jì)橫斷面尺寸仍能滿足要求。

經(jīng)水力計(jì)算，通過(guò)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，即可滿足沭河雨洪水資源僅需經(jīng)魯溝泵站一級(jí)提水、陡山水庫(kù)及石泉湖水庫(kù)富裕水量無(wú)需動(dòng)力提水便可供水至下游用水戶，無(wú)需相邸泵站二次動(dòng)力提水過(guò)程，從而達(dá)到節(jié)約成本、節(jié)約能源的目的。

3 投資及效能對(duì)比分析

3.1 投資對(duì)比分析

優(yōu)化方案后，扁山隧洞長(zhǎng)度由4 260 m調(diào)整至4 080 m，隧洞出口至相邸泵站出水管長(zhǎng)度由原2 300 m增長(zhǎng)至2 480 m。根據(jù)施工圖預(yù)算單價(jià)，隧洞開(kāi)鑿襯砌每米綜合單價(jià)1.2萬(wàn)元，包括管溝開(kāi)挖回填在內(nèi)DN2200×22螺旋鋼管購(gòu)安每米綜合單價(jià)7 700元。方案優(yōu)化后，隧洞工程減少投資216萬(wàn)元，管道工程增加138.6萬(wàn)元，綜合節(jié)省投資77.4萬(wàn)元。

3.2 效能對(duì)比分析

方案優(yōu)化后，扁山隧洞下游無(wú)需動(dòng)力提水，可自流供水至下游用水戶。主要效益變化為節(jié)約的提水動(dòng)力費(fèi)。方案優(yōu)化后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)相邸泵站的裝機(jī)容量等計(jì)算求得。根據(jù)上述水資源富裕量分析，沭河年可調(diào)劑使用水資源總量2 515萬(wàn)m3。

相邸泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=64.26 m，設(shè)計(jì)日調(diào)水能力25萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)流量Q=10 417 m3/h，N=1 500 kW，效率η泵=0.89。

泵站提水動(dòng)力費(fèi)按下式計(jì)算：

式中：E為電費(fèi)，萬(wàn)元；Q為設(shè)計(jì)流量，為10 417 m3/h；N為泵站裝機(jī)功率，為1 500 kW；K為電價(jià)，按0.68元/kW·h；W為年均提水量，9 050萬(wàn)m3；η為綜合效率，取0.8。

經(jīng)計(jì)算，在沭河年均引水量2 515萬(wàn)m3計(jì)工況下，年均節(jié)約成本（動(dòng)力費(fèi)）為308萬(wàn)元，年均節(jié)約電力能源453萬(wàn)kW·h。

4 結(jié)語(yǔ)

莒南縣大水網(wǎng)工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，內(nèi)含項(xiàng)目多、技術(shù)要求高、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，應(yīng)從整體效益出發(fā)，精心優(yōu)化至每一工程每一環(huán)節(jié)?？睖y(cè)設(shè)計(jì)單位在二次勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)、水力計(jì)算的基礎(chǔ)上，按照上述優(yōu)化方案進(jìn)行了變更。通過(guò)優(yōu)化扁山隧洞設(shè)計(jì)，使扁山隧洞下游供水均為自壓供水模式，在保持設(shè)計(jì)供水能力不變的情況下，達(dá)到節(jié)約成本、節(jié)能增效的目的，經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效果顯著。