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          二坝西干引水渠输水管线设计方案探讨

          来源: 山西省水利建筑工程局有限公司 , 山西 太原 作者:肖 冰 发布日期:2020-05-26

                 [摘要] 水库输水管线的优化设计是确保输水工程供水效率和水资源优化利用的基础。根据二坝西干引水渠实际情况,对二坝西干引渠输水管线方案进行分析,结果表明,该段引水管道流量大、扬程低,管材应选用管径1.2 m 的球墨铸铁管,在满足供水管线正常使用和检修的基础上确定输水管线的管顶覆土厚度非常小为 1.5 m,为保证管道运行的安全性,管道水力计算在管道压力等级低于 1.0 MPa 进行。在输水管线上布设排气阀井、排水阀井、检修阀室、分水阀室、流量计井、镇墩等附属建筑物。该方案可为类似案例提供借鉴。

           
          1 工程概况
                汾河灌区是山西省境内非常大规模的自流灌区,地处山西中部太原盆地,东西宽 21.5 km,南北长 145.8 km,控制灌溉面积 14.6 万 hm2。汾河灌区分为一坝灌区、二坝灌区和三坝灌区,二坝西干引渠改造工程位于二坝灌区。二坝西干引渠始于二坝拦河闸前库区,终于二坝西干分水闸,全长约 1.2 km。二坝西干引渠来水包括两部分,一部分为一坝西干来水,另一部分为二坝库区来水,一坝西干来水水质较好,而二坝库区水质较差。二坝西干引渠除向二坝灌区输水外,还担负着向清徐清泉东湖、西湖的供水任务,在6 月初的夏浇和 10 月下旬的秋冬浇时,一坝西干来水与二坝库区来水同时通过二坝引渠,使得清、污水混合,但是清徐清泉东湖、西湖用水水质要求较高,需对二坝西干引渠进行改造,将一坝西干来水和二坝库区来水分开。二坝西干引渠向清泉东湖及通过西一支渠向清泉西湖供水,清泉东湖引水口、一坝西干尾闸和西一支进水闸均位于西干引渠右侧,故在二坝西干引渠中设置中隔堤,将西干引水渠右侧划为清水区,作为清泉东湖、西湖的引水水源。中隔堤起点为现清泉东湖进水闸上游约 20 m,起点设置一道闸门,终点为二坝西干分水闸,中隔堤白石河处设置泄洪闸,泄洪闸采用液压合页闸,全长 30 m。
           
          2 输水管线设计
          2.1 工程布置
                引水管线出水源泵站后,向西南穿过白石河左侧堤防至堤内侧,后向西北沿白石河左侧河滩地逆流铺设,该段河道已经美化治理,为满足景观蓄水要求,沿河 800 m 左右设有拦河闸坝,管线途经 2 处闸坝和 2 处跌坎。管道沿河道横穿闸坝时需拆除坝两侧浆砌石挡墙,待管道开挖埋设后进行恢复。
           
                该段引水管道流量大、扬程低,管材选用球墨铸铁管,根据汾河灌区二坝灌区灌溉规模及其余干渠施工经验,确定管径 1.2 m,管线全长 2 km。管道在北营水库西南角出白石河,在北营一级泵站厂区内设控制阀室,水流经阀室后进入北营水库,库内防冲护坡结合北营一级泵站进水池布置。
          输水管线线路示意图
          2.2 管线设计
          2.2.1 管道埋深
                管道埋设深度的确定是在控制工程投资的基础上保证输水管线安全运行的重要环节,根据《室内给水设计规范》(GB 50013-2006)规定,管道埋设深度应根据管道外部荷载、管材强度、管道交叉布设、冰冻情况等综合确定 [1]。本工程供水管线所处地区为北方寒冷地区,非常大冻土深度为 0.83 m。为保证输水管线的安全,满足防冻及管道正常工作的要求,将输水管线埋置于非常大冻土深度以下,同时结合各类阀门安装高度要求和检修要求等,在满足供水管线正常使用和检修的基础上确定输水管线的管顶覆土厚度非常小为 1.5 m。纵向坡度和地形坡度相同,管沟开挖底宽按管外侧≥ 0.6 m 确定,开挖坡度≥ 1∶0.5。
           
          2.2.2 管道敷设与基础处理
                管道基槽开挖断面在管底高程处开挖宽度不小于 1.2 m,开挖边坡根据铺设管道沿线的具体情况,并结合有关地质资料和钢管施工经验确定,穿河段开挖边坡为 1∶1.25,其他管槽开挖边坡为 1∶0.75,水下 1∶1.0,开挖深度超过 5 m 时需加设一级马道。
           
                管槽开挖成型后,进行基础处理、整平,其上铺设 0.2 m厚砂砾石垫层,垫层尽量采用天然砂砾石回填,填料非常大粒径不大于 50 mm,粒径大于 2 mm 的颗粒含量百分比在 20%~ 50% 之间,小于 0.075 mm 的颗粒含量不得大于 15%,压实相对密度不小于 0.75。管道管区回填时回填材料应均匀散布在管沟内,沿管道两侧同时均匀回填,每层回填虚铺厚度应不大于 300 mm,不扰动管位,管道两侧的回填高度差不应超过一层填筑厚度。管区内的回填材料不应含有树根、树枝、草等有机物质,也不能有垃圾、废渣,回填材料的非常大粒径为150 mm。同时要求钢管输水管道外径以外 300 mm 的范围内的回填材料非常大粒径不大于 50 mm,管顶 500 mm 范围内不得采用大型机械碾压。对于需要复耕的区域回填时回填材料应为原表层土,农田复耕段应留有高度不小于 300 mm 的表层余土,使之高于原地面,以作为自然沉实补偿之用 [2]。
           
          2.3 管道水力计算
               根据《室内给水设计规范》(GB 50013-2006),二坝西干引水渠输水管线供水保证率 90%,为确保供水量,根据规范,将管线设计流量所考虑的供水量日变化系数确定为 1.5,时变化系数确定为 1.6,输水管线设计流量 1.85 m3/s,由于本输水
           
               工程采用单管管道,根据工程地形条件和管线走向进行管道及附属建筑物布置和管道压力等级的确定。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-2018)进行管线沿程水头损失的确定,局部水头损失为沿程水头损失的 10%。
           管线沿程水头损失
               式中:hf 为管线沿程水头损失,m;f 为摩阻系数,本工程取 f=0.00169;L 为管线长度,m;Q 为流量,m3/s,本工程取Q=1.85 m3/s;m 为流量指数,本工程取 m=1.85;d 为管径,mm;b 为管径指数,本工程取 b=5.29。
           
               本工程管线水力计算结果见表 1,为节省投资,保证管道运行的安全性,管道水力计算在管道压力等级≤ 1.0 MPa 下进行,在地形压力差为 100 m 管道位置设置调压池,压力等级根据所确定的设计流量及水力计算结果进行确定。
          输水管线水力计算结果
          2.4 附属建筑物布置
                根据本工程运行和安全管理要求,结合地形及线路布置情况,在输水管线上布设排气阀井、排水阀井、检修阀室、分水阀室、流量计井、镇墩等附属建筑物,工程沿线设置控制阀 1 座、排气阀井 4 个、排水阀井 4 个、流量计井 1 个,镇墩 13 个、穿河跌水坎 4 处。
           
          2.4.1 排气阀井
                为避免水中积累的气体压缩过水断面以及管道在排水时出现负压,需在输水管线上适当的位置设置排气阀井。根据《室外给水设计规范》(GB 50013-2006)要求,排气阀井一般布置在管道的高凸处,本工程供水管线共设置 4 个排气阀井。排气阀井为方形现浇 C25 钢筋混凝土结构,全部位于地下,平面尺寸为 3.0 m×3.0 m,壁厚 0.3 m,底板厚 0.5 m,下铺 0.1 m 厚 C15 素混凝土垫层。井盖板采用预制 C30 钢筋混凝土结构,厚 0.2 m,其上留有边长 0.9m 的进人孔,进人孔盖板采用边长为 1.1 m 的预制 C30 钢筋混凝土结构,厚100 mm,井盖板高出周边地面不少于 0.5 m。井筒内侧设置钢爬梯,排气井基础下部铺设 0.1 m 厚 C15 素混凝土垫层。为了顺利进排气体,在操作井顶板上设一管口焊接钢丝网片的 DN250 排气钢管,管口高于井盖板 0.5 m。
           
          2.4.2 排水阀井
                为便于管道检修或发生事故后在尽快短的时间内排出管道内存水并将管内沉淀杂物、泥沙冲洗干净,结合检修时间要求,将排水阀井布置在管道底凹处和检修阀室之前,由输水管道上接出的 DN300 排水管将水引至集水井内,再由水泵将集水井内水抽出,供水管线全线共布置 4 座排水阀井。排水阀井由阀井和集水井并联组成,为矩形 C25 钢筋混凝土竖井,中间用 0.3 m 厚 C25 钢筋混凝土墙相隔,两井尺寸均为 1.5 m×1.8 m,壁厚 0.3 m,井底板厚 0.5 m,井底设边长 0.5 m,深 0.3 m 的集水坑。顶板设一边长为 0.9 m 的预制 C30 钢筋混凝土进人孔盖板。排水基础下部铺设 0.1 m 厚C15 素混凝土垫层。阀井及集水井井筒高出地面 0.5 m,井内侧均在隔墙上设有钢爬梯。
           
          2.4.3 流量计井
                为了能够准确观测管道内水流流量变化情况,结合供水工程流量控制要求,在出水池、加压泵站上游侧设流量计井,每个流量计井中配备 1 台电磁流量计。井筒为边长 3.0 m 的方形现浇 C25 钢筋混凝土结构,底板、壁厚 0.5 m、0.3 m,井筒高出地面 0.5 m。井壁内侧设置钢爬梯,井盖采用预制C30 钢筋混凝土板,井盖厚 0.2 m,人孔边长 900 mm,井盖上设一带有滤网的 DN250 排气钢管,流量计井基础下铺设 0.1 m厚 C15 素混凝土垫层。
           
          2.4.4 控制阀室
                为了能在管道发生事故时分段进行检修,加快清淤和检修速度,减少弃水损失,结合输水管线运行管理和事故检修排水及地形条件等因素,输水管道沿线平均每隔 4 km 设置 1 座控制阀室,供水管道沿线共布设 1 座控制阀室。控制阀室为上下结构,上部为检修控制间,砖混矩形结构,平面外形尺寸为 5.5 m×5.5 m,砖墙后 0.37 m,净高 4.0 m,内放配电箱等电气控制设备;下部为 C25 钢筋混凝土矩形结构,底板、边壁分别厚 0.7 m、0.5 m,下部结构高于地面 0.2 m,井深随地面高程不同而变化,检修控制平台为 C25 现浇钢筋混凝土结构,厚 0.2 m,设孔口边长 900 mm 的方形人孔,井筒内侧埋设钢爬梯,底板埋设集水坑。为方便设备检修更换,检修控制平台板上设一尺寸为 1.0 m×1.5 m 吊物孔。检修阀室基础下部铺设 0.1 m 厚 C15 素混凝土垫层。
           
          3 结论
          二坝西干引水渠输水管线工程建成后,目前已经进入运行阶段,通过试通水及正式供水检验,连接段输水管线及建筑物运行良好,运行过程中,除向二坝灌区输水外,向清徐清泉东湖、西湖日供水量可达 5.21 万 m3,本引水渠输水管线工程的经济效益与社会效益顺利发挥。

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