西部山区水电移民安置输水工程有关设计问题的探讨

2020-10-17王炎如朱如龙

水力发电 2020年7期

王炎如，庄坤，朱如龙，常军

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

近年来，笔者致力于水电移民安置农业灌溉输水工程的相关设计工作，先后参与了龙开口水电站移民安置供水工程和白鹤滩水电站移民安置生产供水工程等工作，多个工程均位于西部云南、四川山区，地形地质条件复杂，同时受环境及复杂地形影响，自然气候十分独特，立体气候明显，小气候复杂多样，全年分雨季和旱季，输水工程沿线各冲沟旱季水量小，但洪水期水量大，部分冲沟易发生泥石流，对渠系建筑物有一定的破坏作用。同时由于西部地区水电移民安置工程的特殊性，90%以上的工程引水流量处于0.5 m3/s以下，引水线路长度10 km以上，水源点和用水地区水头差50 m以上，所以普遍具有引水流量小、引水距离长和水头差大的特点。在以上的工作中，针对西部地区水电站移民安置输水工程总结了一定的经验。下面对设计过程中常见问题进行分析探讨。

1 工程特点

输水工程主要包括渠道引水和管道引水工程两种方式。管道引水工程又分为重力流管道和泵流管道两类。重力流管道主要依靠管道的倾斜坡度重力自流，从水源地运输到用水区。泵流管道主要依靠水泵抽水将水输到用水区，因运行维护成本较高，实际应用的较少。渠道引水和重力流管道引水应用较为广泛，均利用了水的势能，具有成本较低、运行维护较方便的特点。采用渠道和管道进行设计的过程中主要特点如下。

1.1 渠道特点

由于西部地区渠道沿线的地形地质条件不同，渠道的断面型式也有所不同，主要有矩形渠道、梯形渠道，主要衬砌型式为素混凝土衬砌[1]和浆砌石[2]衬砌。

渠道引水虽然有沿线分水方便、检修方便等优点，但水质易受污染，且渠道引水无法承压，对地形的适应性较差。采用渠道引水的工程设计中，常常碰到取水点泥沙含量大，渠道沿线冲沟多，洪水期来水量大，且沿线伴有落石等不利情况，同时沿线村民引水时会对渠道侧墙进行破坏，造成沿程水利用系数低的问题，如何选择合理的渠系建筑物种类和具体形式，设计中都需要谨慎处理。

1.2 管道的特点

在输水工程中，管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，输水距离的长短，工程的进度与重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地质情况，当地管材的生产状况，应用管材的习惯[3]。西部山区水电移民安置输水工程中主要采用钢管和球墨铸铁管两种形式。

管道引水一般采用埋管，减少了对交通和耕作的影响，基本没有水量损失，引水线路末端水质与水源点基本一致，管道可以承压，受地形影响较小，且杂物不易进入管道，清淤工作量小的优点，更重要的是，管道可以通过渠道引流无法实现的地形[4]。采用管道引水的工程设计中，由于其输水系统长度较长，且总水头比较高，在压力设计中，是否分级，如何分级是需要解决问题[5]。在西部地区输水工程中，常见单管高压输水管道工程，此时受到长距离、地质地形条件等的影响，必须采取有效措施保证管道的稳定性，且对水源点泥沙含量敏感。

在工程设计中，有采用渠道引水的方式，也有采用管道引水的形式，渠道引水和管道各自的优缺点，具体采用那种型式引水，是工程设计首先需要解决的问题。

2 输水工程设计

首先需要根据取水口高程、供水对象高程和沿线地形、地质情况选择相应的输水线路和方式。

2.1 渠道设计

西部地区长引水工程渠道的比降一般为2/1 000～4/1 000，根据水利计算确定实用经济断面，根据经验，在满足安全超高的情况下，一般过水断面长宽比为1∶1的矩形断面为实用经济断面。如果沿线通过落石较多或者供水对象包括居民生活用水，还需要渠道顶部设置盖板。需要绕过房屋、耕地或者地质不稳地区时，可以通过设置陡坡或者跌坎进行放坡，渠道过沟时可设置渡槽、倒虹吸等建筑物，与公路交叉时可设置涵洞，沿线通过供水对象时需设置节制闸、分水闸，渠道末端需设置泄水闸。

2.2 管道设计

根据水头差和流量确定管道直径，选用合适的壁厚承压，并且注意水力掺气[6]危害，不能产生负压。在需要泄压时可以采用泄压池进行减压，沿程需设置排气阀[7]、排泥阀等，分水处需设置分水阀。一般采用埋管型式，管道一般埋深0.7 m以上，寒冷地区和严寒地区应埋入冻土层下0.5 m。

3 常见问题处理

3.1 渠道、管道引水方式的选择

以白鹤滩水电站移民安置供水工程中的宁南县披砂景星供水工程为例，就如何选择渠道、管道引水的方式进行介绍。

披砂景星生产供水工程从竹寿水库扩容及调水工程末端的小凉山调蓄山塘引水，小凉山山塘坝顶高程1 409.00 m，设计蓄水位为1 408.0 m，首部地面高程为1 401.50 m，从小凉山调蓄山塘1 401.5 m取水，通过钢管引水至取水阀室，供给大同乡安置区生产用水后，再通过长距离引水至披砂景星安置区上方的1 302 m调节水池，之后分水分别供披砂景星安置区供生产和生活用水，设计引水流量0.761 m3/s，沿线分水后干渠流量分别为0.659、0.482、0.285、0.210、0.024 m3/s。

方案一，采用渠道引水，干渠引水线路长度为20.56 km，断面尺寸为1.0 m×1.0 m(高×宽)。

方案二，采用管道引水，在白水河处采用倒虹吸跨越，其余线路与明渠方案相同，干管引水线路长度为15.73 km，采用DN700、DN650、DN550焊接钢管。

3.1.1经济性比较

按照2016年第2季度的信息价，对不同的管径钢管、不同断面素混凝土渠道的单位长度的工程量进行测算后，对工程投资进行对比，如表1所示。

表1 管道、渠道综合单价对照

对比渠道断面0.5 m×0.5 m和管道DN400以下的每m工程投资，渠道较高，而渠道断面0.6 m×0.6 m和管道DN500以上的每米工程投资对比中，管道较高。从工程投资角度考虑，流量越小，坡度越陡，断面越小，管道越经济；流量越大，坡度越缓，断面越大，渠道越便宜。

披砂景星生产生活供水工程中，方案一渠道引水方案的工程可比投资1 487.88元/m，可比总投资为3 059.08万元；方案二管道引水方案的工程可比投资2 116.73元/m，可比总投资为3 329.62万元。从经济性比较方案一投资较少，所以渠道引水方案较优。

3.1.2技术性比较

白水河是黑水河左岸一级支流，沟道长约10 km，源头位于安家营盘处，高程约2 271 m，在高程约700 m处汇入黑水河，沟底纵比降约157.1‰。沟谷深切、狭窄，断面呈“V”字型，两岸地形较陡，坡度25～40°。沟内常年流水，雨季时流量较大。管道引水方案施工难度较大，且雨季沟内流量较大，易将钢管冲毁。渠道引水方案从白水河上游通过，白水河河面宽度较小，可通过排洪桥过河，所以方案一渠道引水方案较优。

3.1.3方案比较结论

经过技术经济比较，渠道引水方案投资较少，同时便于施工，推荐采用方案一渠道引水方案。具体设计时，应从经济技术两方面综合比较，确定具体的渠道、管道引水形式。

3.2 汛期渠首来水量大、泥沙含量高问题的对策

在泥沙含量比较高的河道或者冲沟取水，取水堰一般采用底拦栅型式，堰后设置沉沙池的方式防沙。根据西部地区河流、冲沟窄深的地形和汛期来水量大的特点，设计、校核洪水频率下，冲沟中水深常常可达到2 m以上。为防止汛期来水大时洪水倒灌入沉沙池，冲沙廊道可采用箱涵式，沉沙池需要设置高侧墙。白鹤滩水电站移民安置供水工程宁南县矮子沟生产供水工程1 900 m取水堰如图1所示，矮子沟泥沙含量为2.21 kg/m3。经过计算，校核洪水频率下，沉沙池处断面水深可达2.6 m，沉砂池处河底高程1 898 m，校核洪水位1 900.6 m，为避免洪水倒灌入沉沙池，在使用箱涵式冲沙廊道的同时，沉沙池顶高程1 901.1 m，侧墙高度达3.1 m。

图1 宁南县矮子沟生产供水工程1 900 m取水堰布置示意

3.3 管道压力分级问题的对策

在压力管道输水系统中，当总水头较高时，若输水管道直径较大，或受管材性能限制时，为了更好的控制每一段压力区段的最高工作压力和管线长度，最大限度的提高工程的经济性，需要考虑将线路进行分级处理，即将线路分成几个压力区段。

在将压力进行分级处理时，需要根据实际情况划分为几级，即几个压力区段。并且还需要在每一个压力区段的末端设置调压调流装置。根据经验，一般西部地区为保证输水管道的稳定，管材多采用钢管或者球磨铸铁管，承压能力强，一般1 MPa以下的管道可以不分级，采用增加壁厚的方式增加承压能力，承受1 MPa以上的压力时，为增加管道稳定性，避免在管道破损时高速水流对人、畜进行伤害，可以采用将线路分成几个压力区段的型式，每个区段压力均控制在1 MPa以下。