有压重力流输水管道在坪上引水工程中的应用

霍晓娟

(山西省水利水电勘测设计研究院)

1 工程概况

坪上应急引水工程位于五台县滹沱河支流清水河上，其引水水源为坪上泉域的泉水。水源地距定襄县城40 km，距忻州市60 km，供水范围包括忻州市的忻府区、定襄县和原平市。

引水工程的等别为Ⅲ等，主要建筑物设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为100年一遇;穿越河段管线设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇。工程分为供水工程和水源工程两大部分，供水工程主要建筑物包括供水管道、加压泵站、调压池、管道附属建筑物以及各供水点的调节池等。

2 供水管道设计

2.1 管线选择

管线选择从供水管道输水方式、地形地质条件、施工条件、工程运行管理、工程投资等多方面进行详细分析，经多方案比较选择线路走向。原则上是沿着地形布置，使线路最短，以减少大的土石方开挖和回填，并尽量避开现有建筑物。在选线时，常会出现沟槽段、穿越河段以及湿陷性黄土地基和不均匀地基，应针对具体情况进行特殊处理，使选线更加经济合理。

坪上应急引水工程管线设计在供水规模相同、管材相同的条件下，采用有压重力流输水方式，以使运行期间的控制较为简便。

2.2 管材选择

供水工程管线全长97.84 km，根据供水管线总体布置方案，并结合目前国内供水管道管材使用情况的调查，综合考虑输水管材发展趋势，重点对玻璃钢管(RPMP)、球墨铸铁管(DIP)和预应力钢筒混凝土管(PCCP)三种管材从经济、技术、运行管理等方面进行了比选(详见表1)。

由表1比较可知，与其他两种管材相比，玻璃钢管具有施工操作简单、运输安装方便、维护管理简便、运行费用低、投资少等技术经济优势。结合地形地质条件和管道运行条件，除甲子湾—瑶池段、穿越滹沱河段及途经定襄县城段采用PCCP管，季庄—原平供水支线3#隧洞段采用钢管外，其余地段全部采用玻璃钢管。

2.3 管径设计

供水管道管径结合管道水头损失计算，并兼顾各供水点调节池水位与季庄调压池水位关系、调压池地形条件、引水隧洞高程、泵站扬程等影响因素确定如下:供水干线管径1.8 m;季庄—原平供水支线管径1.4 m;季庄—忻府供水支线，包括季庄—定襄段和定襄—忻府段，管径均为1.4 m。

2.4 管道埋设

2.4.1 管道埋深

根据《室外给水设计规范》(GB50013-2006)第7.3.1条规定，“管道的埋设深度，应根据冰冻情况、外部荷载、管材强度及与其他管道交叉等因素确定。”由于本工程供水管线所处地区为北方寒冷地区，忻府区、定襄县和原平市的最大冻土深度分别为1.09 m、1.17 m和1.21 m，为保证工业供水管线的安全，满足其正常工作的要求，将供水管线埋置于冰冻线以下，确定管线的管顶覆土厚度为:在穿越一般道路、村庄、台地、苗圃、耕地时为1.5 m，其余管段管顶覆土深度为1.2 m左右。

表1 玻璃钢管与球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管比较表

2.4.2 管道敷设与基础处理

供水线路埋地管道沿线途经地段为滹沱河右岸阶地、滩地和忻定盆地冲洪积平原，地层主要为上更新统坡洪积物、第四系全新统早期洪冲积物、上更新统冲积物，局部地段为非自重湿陷性黄土。根据地质评价，供水线路及沿途建筑物的工程地质条件均较好。

埋地管道均为开槽敷设。管道基槽开挖断面在满足施工安装的前提下，其槽底宽度为管道外径两侧各加0.5 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PCCP管道、玻璃钢管施工经验确定，穿河段开挖边坡为1∶1，其他管槽开挖边坡为1∶0.75。基槽开挖后铺设厚0.15 m砂垫层，以防应力集中损伤管道。对于非自重湿陷性黄土地带，基槽开挖后夯实并夯填0.3 m厚3∶7灰土垫层。沟槽回填时，首先用回填材料将管道两侧拱腋下均匀回填，然后管两侧同时进行对称分层夯实，回填至设计埋深，干密度不低于1.5 g/cm3。

3#隧洞明敷管道采用钢管，壁厚14 mm，管道采用滚动支座支承，支座间距15 m。管道内壁防腐采用涂环氧沥青厚浆型防锈底漆和环氧沥青厚浆型防锈面漆处理，外壁防腐采用涂红丹防锈底漆和醇酸防锈面漆处理，防腐处理前均需采用喷砂方法除污、除锈。保温材料采用石棉保温瓦。

2.5 交叉段设计

供水线路沿线共有各种交叉地段61处，其中跨越河段3处，穿越等级公路段18处，穿越村间公路段20处，穿越铁路段8处，穿越干渠段4处，过沟段8处，不直接穿越村庄和工厂。

2.5.1 穿越河道设计

供水干线在桩号16+301.5-16+668.5 m处穿越滹沱河，季庄—原平供水支线在桩号30+813-31+416 m和10+530-10+990 m处穿越滹沱河。穿越河段地层岩性为低液限粉土，土颗粒细而均匀，结构松散，其下为级配不良砂。根据管道穿河段的地形地质条件，结合采取防护措施后的河道冲刷计算结果，过河段采用大开挖、河底埋管直接穿河方式。穿河段管道全部采用PCCP管道，埋设最低深度按管顶处于河床以下3 m计，开挖边坡为1∶1，槽底开挖宽度为管道外径两侧各加0.5 m。考虑管道下部级配不良砂稳定性较差，对管道基础进行换填处理，换填0.5 m厚砂土，然后采用1.0 m厚碾压干插片石挤密。处理后管道底部铺设0.15 m厚砂垫层，管顶2.0 m以上覆盖1.0 m厚的铅丝笼石。铅丝笼石顺水流防护范围为上游20 m，下游10 m，顶部与原河床齐平。

2.5.2 穿越公路设计

供水管线沿线穿越等级公路段18处，主要为东坪公路、忻州至五台公路、瑶三公路、定襄城边公路等，同时穿越村间公路段20处。管线穿越等级公路地段路基填方高度均比较高，全部采用顶管方式通过;考虑到村间公路的车流量较小，荷载较小，穿越村间公路地段采用断路开挖埋管后恢复原路面的方式通过。

2.5.3 穿越铁路设计

供水管线沿线穿越铁路段8处，其中穿越朔黄铁路6处，太原—河边铁路2处。供水管线与两条铁路各有1处平交，采用顶管方式通过;其余6处结合地形条件采用在桥墩间埋管通过。因涉及铁路部门管辖保护范围，工程实施时需征求铁路部门意见。

2.5.4 穿越干渠设计

供水管线沿线穿越干渠4处，其中永济渠3处，忻定干渠1处，全部采用顶管方式通过。

2.5.5 过沟设计

供水管线沿线穿越冲沟8处，其中南老牛沟冲刷较深，沟底开阔，采用与穿河段相同的方式处理。其余冲沟汇流面积小，冲刷深度不大，采用埋管方式通过，顶部铺设铅丝笼石并砌筑浆砌石排水渠引导冲沟水流。

2.5.6 管道镇墩

在输水管线平面及垂直拐弯处，为确保管节间不脱开，设计中对≥4°的弯头设C15钢筋混凝土镇墩;对于＜4°的转角采用化整为零的方法利用接头偏转来解决，不再设镇墩。

3 结语

坪上应急引水工程2007年11月开工，2010年6月试通水，2012年5月全部竣工。自投入运行以来，实现了全年不间断供水，且未发生任何质量事故，工程设计质量经受了考验，实现了一次通水成功、长期稳定运行的目标。