沁水县张峰水库引水工程方案比较

2012-07-20上官丽霞

山西水利科技 2012年2期

上官丽霞

（晋城市水利局水产站山西晋城 048000）

1 沁水县用水现状

沁水县位于山西省东南部，晋城市西北部，中条山东北，黄河支流沁河中游。沁水县域现状供水为区域供水，县城范围内供水由自来水公司提供，目前为城市供水的市政给水水源分为截潜流自供水源和机井提水水源，供水形式为经过消毒净化后直供县城供水管网，消毒净化方式为二氧化氯发生器对水质进行消毒净化。县城用水均取用浅层水,易被污染，据近年来观测，现有水源水位呈每年严重下降趋势，各处浅层水源受污染情况较为普遍，各处地表水源井基本上都减少了一半，且由于为直供水，水中有轻微含沙现象；自备水井多,使用效率低,不利于水资源的利用和保护；部分给水管道管径小且陈旧，不能满足现用水量的需求。对县城来说也存在水源和水质问题，多用的是浅层水，水质易被污染。供水安全性差，常因停电而停水。

鉴于以上背景，为适应当地经济社会飞速发展和人口不断增长的需要，解决沁水县城和周边村镇的用水问题已刻不容缓。

2 供需水量分析

根据计算结果：到2020年沁水县城、周边乡镇居民生活用水日用水量约为0.75万m3,年用水量约为280万m3。根据沁水县的发展规划，工业用水测算需水总量350万m3，考虑污水处理后水的回用，不足部分引水补充，测算工业用水需补充水量220万m3。根据上述测算结果，每年需从张峰水库调水500万m3，按每天抽水16 h计，从张峰水库取水流量为0.237 m3/s，考虑水量损失，设计流量取0.25 m3/s。

3 引水线路比较

由于供水工程的特殊性，一般不得间断供水，管线不宜少于2条，当有安全贮水池或其它调蓄功能措施时,也可建一条输水管线，由于该工程位于山区，沿线山高沟深，沟谷狭窄。因此输水线路方案主要考虑单管输水线路的比较方案。

根据当地地形情况，选择两种路线方案：一种是在库区取水，采用二级泵站取水的西线方案；另一种是在张峰水库引水渠道孔必取水口取水至县城蓄水池东线方案。两方案的布置见图1。

3.1 西线方案

3.1.1 线路设计

西线方案线路从张峰水库库区到沁水县城蓄水池，沿线主要经过的村庄有北弯村、料姜庄、张山凹林场、大尖山林场、石桥村、东庄村和柿园庄，输水干管全长18.64 km，起点高程750 m，终点高程1050 m，地形扬程300 m，实际最大高差333.8 m。桩号0-580～2+496输水干管直径0.6 m，地面高程从749.40 m提至903.80 m，起点设一级提水泵站，末端设调节池；桩号2+496～6+450输水干管直径0.6 m，地面高程从904.20 m提至1 083.80 m，起点设二级提水泵站，末端设调节池；桩号6+450～18+059输水干管直径0.6 m，地面高程从1084.20 m提至1 050 m，末端设3万m3蓄水池。

图1 线路比较图

3.1.2 水头损失计算

由于输水管线扬程较大，采用刚性较强的管道有利于管道抗压、抗磨损。

式中：i—管道单位长度的水头损失（水力坡降）；

R—水力半径，R=D/4，m;

ν—管道流速，m;

n—管道的粗糙系数；取0.011；

D—管道直径，m。

不同管径每千米沿程损失计算见表1。

表1 每千米水头损失计算表

从表1中可看出，管道水力坡降相差8.68倍，因此损失扬程相差也大。由于工程输水管线地形扬程较大、干管地形总高差513.3 m，输水管线长，因此管道沿程损失应选择损失小的管径较合理，可降低扬程，减少运行成本费，因此主管线确定管径为DN600 mm，流速为0.885 m/s。西线管道总水头损失为23.73 m。

3.2 东线方案

从张峰水库引水渠道孔必取水口取水至沁水县城蓄水池,沿线主要经过的村庄有孔必、郑庄、湾则、马邑，输水干管线路全长23.8 km，起点高程650 m，终点高程1 004 m，地形扬程354 m，输水干管直径0.6 m，起点设1级加压泵站，在县城常家湾（20+365）处设2级加压泵站，末端设3万m3蓄水池。东线管道总水头损失31.67m。

3.3 工程方案的确定

（1）西线方案的特点：地形相对复杂，管线所经地段多为土石山林区，占用耕地少，因而征地费用低，但砍伐树木较多。该方案沿线所经村庄小、人口少，施工对当地干扰小。该方案沿线几乎没有什么建筑，在输水线路上为了降低扬程及管线长度，需打隧洞一处，洞长5 202 m（桩号6+500～11+702），增加了施工难度及费用；但该线路布置可以解决沁水县西北地区包括樊村河乡在内的大部分地区的吃水问题；从投资上看，西线方案的总投资为8 962.75万元。

（2）东线方案的特点：此方案的总投资为9 289.84万元。该方案线路沿线地形相对较开阔，泵站设置少，运行管理费用小，但该方案线路较长,线路沿线所经村庄大、人口多，占用耕地多，因而征地费用也相应的较高；管线需多次跨越国道，还需穿过湾则水库，施工对当地干扰大，施工和协调都比较困难；该线路布置仅可以解决沁水县及周边村庄用水，要解决西北地区包括樊村河乡在内的大部分地区的吃水问题还需重新铺设管道；最主要的制约因素是从张峰水库渠道取水供水保证率低。

（3）方案确定：通过两方案的技术及经济比较，从沁水县的长远发展考虑，认为西线方案比较合理，便于施工，不影响工期，因此推荐此方案为工程实施方案。

4 选定线路提水泵站方案比较

取水泵站位置选在张峰水库库区，从目前已建的水库取水工程并结合张峰水库的实际情况来看，提水泵站方案比较了两种：一种为岸边固定式泵站取水；另一种为浮船泵站取水。

岸边固定式泵站修建在岸边水中，各种设施均固定设置，水泵安装在最低设计水位以下，水泵负吸程运行，水泵可自灌引水启动，从而大大提高了取水的可靠性，运行管理方便。缺点是建筑面积大，在库区施工难度也大；因泵房较深，水泵间通风条件较差；检修不便，工程造价高。

浮船泵站具有以下优点：

（1）既无复杂的水下工程，也无大量的土石方工程。船体既可在现场预制，也可由造船厂制造。施工简便，工期较短。

（2）建筑材料和劳动力少，基建费用较低。

（3）适应性能灵活性大。能随水位涨落而升降；能适应河道主流多变、河床变迁，或其他原因引起的取水点的变更；取水量发生变化时设备容易改装；能适应上马快、供水要求迫切的工业、生活和农业用水需要。

（4）便于引表层含沙量较低的水，且一次性投资也较低。浮船泵站取水也存在以下缺点：

（1）管理较麻烦。如随着水位的涨落需要拆换接头，移动船位，收放缆绳和输电线路。特别是洪水期间，操作频繁，劳动条件较差。采用摇臂式连络管以后，操作管理得到改善，但在洪水期间需随水位涨落经常移动锚链，仍感不便。

船体及其附属设备的维修养护频繁。钢船水上部分每隔2年也需刷油防腐；钢筋混凝土船虽维修较简，但其附属设备、上层建筑仍要定期检修维护，都给运行管理带来不便。

（2）浮船泵站取水，即将水泵安装在移动泵车或浮船上，受岸边地形条件的限制，其泵站装置、进出水管路等设施的设置难度很大，冬季引水时受冰冻影响很大，运行可靠性较差。

由于本工程的用水户主要为居民生活用水，供水保证率高，对取水的可靠性要求也高，结合库区岸边地形，设计采用岸边固定式泵站作为本供水工程的取水方案。

5 管材的选择

根据当地条件，输水量及现有生产管材的材质及工程区特点，主要选用了钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）及预应力钢筒混凝土管（PCCP）三种管材作为比选管材。

钢管：作为灰铁管的升级换代产品，具有延伸性能良好，不易破碎的优点，但也有不可避免的缺点。钢管的焊接接头具有良好的防止脱落性，同时也增加了施工难度，焊接工作费时费力（定心、焊接、X射线检查、涂漆），并且需要高度熟练的技术工人；焊接受自然气象条件影响，雨天不能焊接，尤其是碰上骤雨时应立即中断焊接，等骤雨停了之后方可进行焊接，但必须进行加热和除湿等工作，否则焊接的质量很难保证，当外界相对湿度增高，达到露点时，管身就会生露，必须进行干燥；施工费用昂贵：按1989年市政工程国家预算定额计算，钢管的施工费用是球铁管施工费的3倍。考虑管材价格因素，球铁管单位长度工程预算仅相当于钢管的3/5；无适应性：接口处刚性太强，无挠度，不能适应地形沉降；钢管无配套管件，需现场焊接制造，不能进行弯曲配管；抗腐蚀性能太差，需要昂贵的防腐费用，根据国家有关资料表明，即使采用“三油两布”防腐后，一般寿命不超过30年。

球墨铸铁管：作为灰铁管、焊钢管的升级换代产品，拥有许多灰铁管和焊钢管无法比拟的优点：

球墨铸铁管具有铁的本质，钢的性能：延伸率大于10，硬度小于等于230 HB，抗拉强度大于420 MPa，具有与钢管媲美的抗拉强度、抗弯强度、弹性系数；防腐性好：球墨铸铁管采用内衬水泥或各种树脂，外喷锌涂沥青进行内外防腐，从根本上解决了灰铁管和钢管无法解决的内外防腐问题，使用单位无需采用任何防腐措施，并从根本上杜绝了水质的二次污染；柔性接口形式，适应性强：球墨铸铁管的连接方式采用承插式或法兰式机械接口加橡胶密封圈，有良好的密封性、延伸性，具有较大的偏转角3°～5°，能吸收因地基沉降而产生的应力，避免管道破裂。安装省时省力：该管材施工十分方便，不受天气影响，不需要复杂设备，土方工程量小，无需工人具有高深的专业技术，安装省时省力，节省了大量的安装费用。

预应力钢筒混凝土管：现场敷设方便，接口的抗渗性能好，管材价格比金属管便宜，因此已得到较多的采用。但管体自重较大，运输费用高，对于较复杂的地形适应性差。

根据本工程地形的特点，地面高差较大，且管线主要在土石山区，管道全部为压力管道，所以选用承压能力大，抗拉、抗弯强度大，防腐性好的球墨铸铁管管材。