山區(qū)灌區(qū)輸水線路的輸水方式比選

王康三，劉雁翼，彭 武

(中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330029)

0 引言

水資源用途廣泛且不可替代,是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要資源,然而我國(guó)水資源相對(duì)匱乏且分布不均。灌區(qū)作為水資源消耗量最大的地方,對(duì)地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值,在發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、保障糧食安全中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。由于山區(qū)灌區(qū)地形地貌差異較大,無(wú)壓輸水沿地勢(shì)布置線路較為曲折,而有壓方案線路平面布置不受地形影響,更為順直,但相較于無(wú)壓方案,縱剖面起伏更多,無(wú)壓及有壓輸水均各有利弊。因此需要對(duì)輸水線路的輸水方式進(jìn)行無(wú)壓與有壓比選。在灌區(qū)工程設(shè)計(jì)中合理的輸水系統(tǒng)方案有利于節(jié)省工程投資、加快工程推進(jìn)等從而發(fā)揮灌區(qū)最大效益。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)位于永勝縣片角鎮(zhèn),片角鎮(zhèn)位于永勝縣南端,東南兩面與大理州賓川縣接壤,西與鶴慶縣相鄰,北與本縣濤源鎮(zhèn)、魯?shù)乩?zhèn)隔江相望,素有永勝“南大門”之稱。片角鎮(zhèn)幅員面積382 km2,是典型的農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)。片角鎮(zhèn)屬高原河谷燥熱山地季風(fēng)氣候,年平均氣溫18.7 ℃,年平均降雨量441 mm。主要工程任務(wù)是向永勝受水區(qū)(片角鎮(zhèn))提供灌溉用水。到2040年水平年年引水總量為0.216 6億m3,均用于農(nóng)業(yè)灌溉,灌溉面積約3 066.67 ha。工程從海稍水庫(kù)東大溝分干線烏龍位處取水,輸水線路由東大溝分干線、卜甲支線、卜甲分支線、熱河支線組成,其中東大溝分干線已納入海稍水庫(kù)擴(kuò)建工程建設(shè)范圍(見圖1)。

根據(jù)受水灌區(qū)分布情況,基本確定了工程布置。卜甲支線自達(dá)旦河右岸東大溝分干線19號(hào)分水口取水,受水灌區(qū)為達(dá)旦河左岸卜甲村委會(huì)灌區(qū),輸水線路需跨越達(dá)旦河河谷,自其右岸輸水至左岸,采用管道有壓輸水較為合適,到達(dá)達(dá)旦河左岸后,采用無(wú)壓渠道輸水或采用有壓管道輸水均可滿足灌區(qū)用水需求;卜甲分支線自卜甲支線輸水至達(dá)旦河左岸后向南布置沿途分水給附近卜甲村委會(huì)灌區(qū),輸水線路采用無(wú)壓渠道輸水或采用有壓管道輸水均可滿足灌區(qū)用水需求;熱河支線自東大溝分干線22號(hào)取水口取水,受水灌區(qū)為達(dá)旦河左岸熱河村委會(huì)灌區(qū),輸水線路需跨越達(dá)旦河河谷,自其右岸輸水至左岸,采用管道有壓輸水較為合適,到達(dá)達(dá)旦河左岸后,采用無(wú)壓渠道輸水或采用有壓管道輸水均可滿足灌區(qū)用水需求[1]。

2 輸水方式比選

2.1 輸水方式比選思路

有壓輸水具有縮小過水?dāng)嗝?、?yōu)化運(yùn)行管理?xiàng)l件等優(yōu)點(diǎn),在水頭富裕、不影響自流輸水的條件下,需要對(duì)有壓輸水及無(wú)壓輸水方式進(jìn)行比較。穿越城區(qū)低平地帶,考慮管道輸水可有效保證水質(zhì)、運(yùn)行管理方便及對(duì)周邊影響小等因素,目前穿低平壩子地段的輸水線路采用管道輸水方式;沿線地形起伏較大的山地部分,需基于同一水面線成果,進(jìn)行有壓和無(wú)壓輸水方式比選,確定地形起伏較大山地部分輸水線路的輸水方式。

2.2 輸水方式比選原則

1)管線比選方案都應(yīng)滿足水資源配置確定的供水任務(wù)、供水范圍,具備條件且技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較相差不大的優(yōu)先采用自流供水。2)管線方案的布置應(yīng)基于前期線路比選無(wú)壓輸水方案界定的供水特征點(diǎn)及供水分配原則進(jìn)行。3)除工程投資比較外,還需從地質(zhì)條件、施工環(huán)境條件、運(yùn)行管理及工程安全等方面進(jìn)行綜合比較[2]。

2.3 有壓輸水及無(wú)壓輸水方式比選

2.3.1 比選方案的擬定

卜甲支線主要為卜甲村委會(huì)灌區(qū)輸水,卜甲村委會(huì)灌區(qū)位于達(dá)旦河左岸,輸水線路自東大溝分干線取水后,需要穿越達(dá)旦河至左岸。穿越達(dá)旦河最大高差約230 m,不適合采用渡槽跨河,選用管道有壓輸水。穿越達(dá)旦河至左岸灌區(qū)后,有壓及無(wú)壓輸水方式均可布置。同理,熱河支線為熱河委會(huì)達(dá)旦河左岸灌區(qū)輸水,需要穿越達(dá)旦河至左岸。穿越達(dá)旦河最大高差約190 m,選用管道有壓輸水。穿越達(dá)旦河至左岸后,有壓及無(wú)壓輸水方式均可布置。

由于卜甲分支線沿線地形凌亂,無(wú)壓輸水沿地勢(shì)布置線路較為曲折,而有壓方案線路平面布置不受地形影響,更為順直,但相較于無(wú)壓方案,縱剖面起伏更多;因而無(wú)壓及有壓輸水均各有利弊,利用此段進(jìn)行無(wú)壓及有壓比選具有代表性。因此選擇卜甲分支線進(jìn)行無(wú)壓與有壓輸水方式的比選。兩方案線路布置見圖2。

卜甲分支線有壓輸水方案(方案1)工程布置:支線自卜甲支線卜甲輸水管末端通過閥門取水,設(shè)計(jì)流量0.15 m3/s,有壓輸水管道,線路大致沿等高線向西南布置,線路落點(diǎn)卜甲村西南側(cè)三岔箐。支線線路全長(zhǎng)2.71 km,采用DN 500螺旋焊接鋼管,全線主要采用埋管布置,局部縱剖較陡部位采用明管布置。沿途共設(shè)置3個(gè)分水口,末端設(shè)出水池并兼做分水口滿足灌溉需求。

卜甲分支線無(wú)壓輸水方案(方案2)工程布置:自卜甲支線卜甲輸水管末端取水,設(shè)計(jì)流量0.15 m3/s,以無(wú)壓渠道輸水為主,線路大致沿等高線向西南布置,線路落點(diǎn)卜甲村西南側(cè)三岔箐。支線線路全長(zhǎng)3.91 km,其中,線路含渠道3座,渠道內(nèi)斷面尺寸為0.6 m×0.7 m,渠道總長(zhǎng)3 767 m,占96.3%;含渡槽1座,渡槽總長(zhǎng)36 m,占0.9%;含倒虹吸1座,采用DN500螺旋焊接鋼管,倒虹吸總長(zhǎng)107 m,占2.7%。

2.3.2 方案比選分析

根據(jù)上述比選方案的擬定情況,分別從工程布置、地質(zhì)條件、施工條件以及征地移民等各方面進(jìn)行比選論證,見表1。經(jīng)綜合分析,方案2投資比方案1約多14.7%,且方案2線路長(zhǎng),永久占地多,施工工期長(zhǎng)。通過進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)踏勘并且與建設(shè)單位和當(dāng)?shù)卣浞譁贤?由于無(wú)壓輸水方案永久占用較多基本農(nóng)田,從減少對(duì)基本農(nóng)田的永久占用方面考慮,且為減少因永久征地帶來(lái)的社會(huì)穩(wěn)定問題,有壓管道沿途設(shè)置一定數(shù)量的分水閥室及相應(yīng)分水建筑物來(lái)滿足輸水線路沿線的灌溉分水需求,這樣既解決了灌溉分水問題,亦對(duì)基本農(nóng)田進(jìn)行了避讓,同時(shí)減少永久占地面積從而節(jié)省了工程投資[3]。故卜甲分支線本階段推薦投資更省的方案1,即有壓輸水方案。與卜甲分支線類似,卜甲支線末端線路及熱河支線末端線路亦采用有壓輸水方案。

表1 有壓輸水及無(wú)壓輸水方案比選表

3 管材、管徑比選

考慮地形地質(zhì)條件、管道內(nèi)水壓力、管徑、施工安裝條件、安全耐久性、抗?jié)B性、防腐性、對(duì)水的污染程度等各方面因素,本工程管道的管材可采用鋼管、球墨鑄鐵管及PCCP管[4],三種管材的價(jià)格見表2。

表2 管材價(jià)格比較表

從表2中可以看出,根據(jù)本工程選用的管徑范圍內(nèi)的輸水管道,PCCP管單米價(jià)格最高,并且其承壓能力一般最大不超過2.0 MPa,并且該種管材對(duì)于小管徑其單米造價(jià)尤其較高,故本工程不選用PCCP管。

鋼管與球墨鑄鐵管比較來(lái)看,鋼管單米價(jià)格略高,但由于本工程線路沿線地形條件復(fù)雜多變,管道轉(zhuǎn)彎較多,球墨鑄鐵管道彎頭為定型產(chǎn)品,對(duì)于轉(zhuǎn)角的適用范圍較小,若為匹配工程實(shí)際情況單獨(dú)定制各種彎頭,相應(yīng)的制造費(fèi)用會(huì)加大;若彎頭采用定型產(chǎn)品,則安裝時(shí)管節(jié)間需要借轉(zhuǎn)以達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角,安裝難度增加。而鋼管道彎頭為現(xiàn)場(chǎng)焊接,安裝更為便利,且本工程最大設(shè)計(jì)靜水頭達(dá)2.8 MPa,水頭較大,從工程安全運(yùn)行角度考慮,鋼管強(qiáng)度高、力學(xué)性能好、焊接性能優(yōu)越且具有不透水性及良好的韌性,可適應(yīng)地形復(fù)雜的地段。因此,綜合考慮,本工程管道推薦采用螺旋焊接鋼管。

輸水管道根據(jù)規(guī)劃成果,設(shè)計(jì)流量0.15 m3/s～0.38 m3/s,各條輸水線路取水點(diǎn)及受水區(qū)落點(diǎn)的高程已經(jīng)確定,在滿足過流能力的情況下選擇最小管徑來(lái)達(dá)到工程投資最優(yōu)的目的,結(jié)合水力計(jì)算確定了每條輸水管道管徑[5]。選擇的管徑成果見表3。

表3 管徑、管材及流速選擇表

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地形凌亂、起伏較大的山區(qū),無(wú)壓輸水方案主要采用渠道,局部跨溝箐段采用渡槽或倒虹吸,沿地勢(shì)布置線路較為曲折且開挖支護(hù)量較有壓輸水方案大;有壓輸水方案采用有壓管道隨地勢(shì)起伏較多,故需要的鎮(zhèn)墩工程量及放空、補(bǔ)排氣閥較多。

考慮灌溉輸水線路采用無(wú)壓輸水方式更有利于沿線取水,但永久占用較多基本農(nóng)田較多;有壓管道沿途設(shè)置一定數(shù)量的分水閥室及相應(yīng)分水建筑物可以滿足輸水線路沿線的灌溉分水需求。山區(qū)型灌區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況,從投資、施工、征地以及環(huán)水保等各方面綜合考慮,選擇最優(yōu)輸水方案。