济源市王屋山水库灌区改造方案

2014-08-20薛伟彬河南省中陆工程技术有限公司

河南水利与南水北调 2014年14期

□ 薛伟彬（河南省中陆工程技术有限公司）

1 工程概况

济源市王屋山水库灌区位于济源市西部山区，始建于1975年，涉及王屋、下冶、大峪镇等3个镇89个行政村，项目区耕地面积5793.36 hm2。灌区光照充足，昼夜温差大，目前灌区大面积种植优质烟草，已成为当地农民增收的一项支柱产业。

灌区曾经为当地农业经济发展和山区农民生活水平提高发挥了重要作用。但由于建设时未作详细规划，灌溉面积仅有2066.68 hm2，实际灌溉面积仅666.67 hm2。目前，渠道坍塌渗漏严重，渠系建筑物年久失修、坍塌、老化等现象普遍存在，渠道基本上已经废弃，多年未进行灌溉。并且由于灌区地形复杂，管理和维修难度较大，致使渗漏损失大，输水效率低，灌溉水利用率和灌溉保证率低，导致工程老化失修、破损严重，灌区有效灌溉面积不断萎缩，尤其近年来渠系已是破烂不堪，严重制约着灌区农业经济的发展。

2 灌区骨干工程运行现状

工程区位于山西高原向豫西山地的过渡部位之王屋山脉，西部为太行山系，区内地势北高南低。

灌区内现有总干渠1条，总干渠起点位于王屋山水库灌溉输水洞口处，灌溉输水洞底高程为660.50m，终点位于灌区中、东干渠交叉点处，全长16.60 km，为隧洞+明渠输水，隧洞和明渠交替布置，其中，隧洞段总长8.25 km；明渠段总长8.35 km，已衬砌8.35 km，拱圈防护2.05 km。干渠3条，分别为西干渠、中干渠和东干渠，其中西干渠全长23.06 km，中干渠全长13.85 km，东干渠全长26.01 km；供水管道1条，全长15.60 km。从多年运行的情况来看，沿线渗漏量较大，且明渠段两岸山体宜发生塌坡，渠道多次被塌方堵死，渠道坍塌渗漏严重，渠系建筑物年久失修、坍塌、老化等现象普遍存在，渠道基本上已经废弃。

3 灌区改造技术方案确定

基于灌区目前现状及所处的地形条件，对灌区改造方案提出渠道衬砌防渗（渠道恢复）和铺设压力管道两种方案。

方案一：渠道衬砌防渗方案（渠道恢复）是在现有工程上加以改造，即对现有已衬砌混凝土破碎段进行修缮，对未衬砌段渠道进行衬砌防渗，对损坏的渠系建筑物进行加固改造或拆除重建。

方案二：铺设压力管道方案利用原有渠道铺设压力管道，完全实行管道进行灌溉。完成骨干工程共铺设压力管道94.81 km，管道沿线共设置压力前池1座，各类阀件井190座，出水口158座，流量计13套，水表158个，镇墩741个；新建蓄水池70座。

经比较，方案二工程投资比方案一偏大，但方案二恢复灌溉面积大，工程效益好，施工工艺简单，运行管理方便，更符合国家节水型社会建设和实行最严格的水资源管理制度要求。从工程投资、控制灌溉面积、水资源节约、工程施工、工程效益及运行管理等方面因素综合考虑，方案二明显优于方案一，比较符合灌区当前的实际情况，铺设压力管道作为本次推荐方案。2013年12月，该方案通过专家评审。

4 灌区管网输水设计

4.1 流量推求

灌溉系统的设计流量应满足需水高峰期多种作物同时灌水的要求，可有灌水率图确定。根据分析计算，灌区设计灌水率为3.64×10-4m3/（s·hm2）。则灌溉系统的设计流量为：

式中：Q—灌溉设计流量，m3/s；A—设计灌溉面积，hm2。

管道分段设计流量由下向上逐段确定，即由末端分水口设计流量由下向上逐渐叠加确定。

4.2 管径计算

长距离输水工程管径的确定，关系着输水工程的合理性和工程的总造价。当管路通过一定的流量时，如果选用直径较大，则管中流速小，运行时管路水头损失也较小，可节约能头，但单位管长造价高，其维修管理费也大。若管径选择较小，管中流速增大即增大了管路水头损失，相应的提高了能头的消耗，但降低了管路的工程投资和管理费用。压力输水管道的设计流速不宜>3m/s，不宜<0.6m/s。先根据允许流速νp初步按下式确定管道管径。

根据各级管段的流量及初选管径进行水力计算，然后校核各管段压力，最后确定各级管道实选管径。

4.3 管材选择

近年来随着工程技术、新型材料的发展，加上大量引进国外先进技术设备，为供水工程管道管材的选择提供了更多的余地。目前用于供水的管材有球墨铸铁管（DIP）、预应力混凝土管（PCP）、预应力钢套筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢夹砂管（RPMP）及钢管（SP）等。对于供水管道管材的选择，应综合考虑管材的安全可靠性、施工难易程度、工程造价、运行维修以及寿命等因素。

4.3.1 安全可靠性

钢管：根据实践经验，钢管的安全性(抗震、承内外压)较好，但内外防腐质量影响使用寿命，故在施工时对防腐质量要求十分严格。

预应力钢筋混凝土管和预应力钢筒混凝土管：两种管材基本上不需要防腐(钢筒接口处需作局部防腐处理)，且预应力钢筒混凝土管在防腐、防渗、耐压等方面性能优于预应力钢筋混凝土管，但在施工时需保证接口质量。

球墨铸铁管：球墨铸铁管安全性较好，国内已逐步广泛使用。

玻璃钢夹砂管：玻璃钢管耐腐蚀性较好，无需防腐处理，重量轻、运输施工方便；但由于技术引进时间不长，使用面尚在逐步扩大。

4.3.2 施工条件

各种管材的现场土方量相差不多；现场运输、吊装费用，混凝土管工作量最大，钢管、球墨铸铁管次之，玻璃钢管最低。钢管现场的内、外壁防腐工作量较大，其他管材防腐工作量较少，玻璃钢管对埋设条件要求较高。

4.3.3 管道运行、维护费用

由于玻璃钢管内壁光滑，粗糙系数较其他管材低，同管径比较单位长度动力消耗少，因此玻璃钢管的运行费用最低。钢管的日常维护费较高，包括防腐层的定期修补、加强等费用，其它管材的维护费则较少。

4.3.4 管材选择推荐性意见

由上述各管材综合比较可以看出，预应力钢筒混凝土管及玻璃钢加砂管价格较为便宜，使用寿命长，安装方便，特别适合于长距离输水。硬塑料管造价最低，最适合田间低压管道工程，鉴于本次工程干管为大落差重力式管道，而田间为低压管道系统。因此，本次本着经济可行的原则，总干管、东、西干管均采用预应力钢套筒混凝土管，跨渡槽段采用钢管，中干管、和平分干管及田间支管采用PVC管道。具体布置为总干管、东干管、西干管管材选用D1200～D600mm的预应力钢套筒混凝土管；中干管、和平分干管选用D400～D110mm的PVC-U管。

4.4 管网系统布置

4.4.1 管网总体布置

本工程项目区以王屋山水库控制范围为一个灌溉系统，以东、西、中、和平干为主脉，在不改变现状条田、林、沟、路的布局的条件下，按照原灌溉体系布置，即按照原渠线布置。

4.4.2 压力管道纵断面设计

根据压力管道布置方案，本次设计灌溉输水管道纵向依据沿线地形条件，比降基本与管线地面坡降保持一致。现状渠道护砌段，管道埋深以现状渠底高程进行控制，其他需新开挖管沟段，管道平均埋深依沿线地形条件和以下公式计算确定。

管沟开挖深度H:H≥D+h冻+0.10

式中：B-管沟底部宽度，m；D—管道外径，m；H—管沟开挖深度，m；H冻—最大冻土深度，0.60m。

经过计算，管道顶部覆土厚度均按照1.20m控制，则开挖深度按2.00m控制。

4.4.3 管道基础及横断面设计

本次设计总干管、东、西干管供水管道采用预应力钢筒混凝土管，采用柔性接口，基础采用粗砂垫层，管底砂垫层厚度为20 cm。管道敷设方式采用地埋方式，管道顶部平均覆土厚度1.20m。施工开挖边坡设计为1：1。

在管道方向改变处、横截面面积改变处或管路终端会产生推力，可能导致接口拉开，对这些部位加设镇墩，这样增加了接口圈和土壤之间的接触面积，提高了摩擦力从而防止接口的移动而造成渗漏。本次设计采用土质沟槽镇墩，镇墩混凝土浇筑在开挖断面内满填混凝土，土质沟槽镇墩后背必须为原状土，并保证镇墩和土体紧密接触，镇墩与管道间做沉降缝，缝内垫20mm浸油木板。

4.5 水头损失及水锤压力防护

经计算项目区地势高差能满足水头损失要求，且有富裕水头，因此，本次设计干管及其支管可采用重力式供水方式。其中，西干管进口所需压力水头为4m（以管道中心高程为基准面）。

经计算，阀门关闭历时>15 s方可保证阀门前总水头小于管道允许压力值的1.30～1.50倍，为了安全起见，管网系统干管及其管上的阀门关闭历时按>60 s进行控制,

5 效益

本次节水配套改造工程实施后，可恢复灌溉面积2273.34 hm2，改善灌溉面积666.67 hm2，新增烟叶灌溉面积313.33 hm2，水利用系数达到0.80，灌溉保证率由现状的不足10%提高到50%，新增节水能力489.21万m3，新增粮食和烟叶生产能力1.02万t，年新增总效益2202.95万元。项目实施后为灌区农作物适时灌溉、及时解决旱情提供保证，对改善灌区灌溉条件，增加作物单产，提高农民收入有重要的意义。