双王城水库坝坡灌溉系统升级改造方案

2021-01-20吕晓理吕鸿翔吕宁江

山东水利 2021年5期

吕晓理，吕鸿翔，吕宁江

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250109；2.山东省水利科学研究院，山东济南250014）

双王城水库是南水北调东线胶东干线工程的重要调蓄水库，主要建筑物包括围坝入库涵洞出水闸、寿光放水洞、泄水洞等建筑物。水库围坝轴线长9 636 m，最大库容6 150万m3。水库围坝表层土料以沙壤土为主，为防止围坝水土流失，坝坡及压重平台采用草坡护坡，在压重平台上套种植间距2.5～3 m，树高2～5 m，胸径3～7 cm的白蜡、松柏等苗木，总面积46.5 hm2。工程投入运行后，按照相关规范规程要求，设计选择了JP50-90型卷盘式喷灌机，每台喷灌流量9.1 m3/h，接入水压0.4 MPa，共设置12台，利用潜水电泵自库区取水，取水点分别设在入库闸、泄水洞及寿光供水洞等3处，每段配4台喷灌机，即每段流量为36.4 m3/h。潜水泵固定于库内建筑物铺盖上，接钢管沿坝坡、工作桥引至坝顶，在坝顶管沟内两侧敷设供水管，共设置供水栓65个。在围坝直线段每间隔180 m设置给水栓，弯道段每间隔100 m、150 m设置给水栓。给水栓通过接头连接卷盘式喷灌机。供水管从取水点至防浪墙位置采用114 mm×5 mm钢管；其他供水管采用PE管（110 mm×5.3 mm），布置在电缆沟内。PE管设置6个排空闸阀和9个闸阀。潜水泵扬程65 m，流量40 m3/h，功率11 kW，共3台。

1 坝后喷灌系统运行现状及存在问题

1.1 坝后喷灌系统运行现状

经过近3年的运行，每次浇水组织4人，24 h不停浇灌，全部围坝浇灌需要7 d左右。基本操作程序如下：用皮卡车将卷盘喷灌机牵引到坝顶道路给水栓处，接上水源。将缠绕在主机的输水管以及连接在输水管上的喷水行车拖至另一端。打开给水栓供给压力水，这样喷水小车通过喷枪或悬臂开始向坝坡进行喷水；卷盘机利用水压力通过水力蜗轮、变速箱以及传动系统的工作产生一定的机械动能转动卷盘，卷盘的转动带动输水管向卷盘机方向回卷，而喷水车在设定的速度下匀速往回行走，边行走边喷水，直退至卷盘车处即停车。将喷灌机转动180°，将喷头车及管道牵引至该水栓的另一侧，重复上述步骤。该水栓两侧全部喷完后，将喷灌机牵引到另一条水栓处，继续以上顺序进行喷灌。

1.2 运行过程中存在问题

每次喷灌强度高，受围坝上的风力影响也大，这一点在文献[1]中对卷盘式喷灌机的优缺点也有阐述。卷盘式喷灌机在坝顶道路上行走，每次灌溉只能喷到9.0 m高程以上，9.0 m高程以下至地面3.5 m高程以上灌溉不到，灌溉不能全覆盖，这一部分都是自溢出流，很不均匀，影响了草皮及苗木的生长，导致部分护坡草皮及苗木生长枯萎或者局部过旺，达不到很好的护坡作用。

充水的管道在使用过程中在坝顶道路上拖动，易出现磨损，尤其是在供水栓连接段管道受到供水压力的影响经常出现管道渗水，使得坝顶道路上经常出现明显集水。

原实施过程中供水管道布置在坝顶电缆沟内，与电缆、光纤等混合交织在一起运行，存在较大的安全隐患。

2 系统改造设计方案选择

2.1 设计方案选择

喷灌系统类型主要包括固定式喷灌系统、移动式喷灌系统和半固定式喷灌系统。其中固定式喷灌系统需要大量管材，单位面积投资虽然高，但运行管理方便，极为省工，运行成本低，地形适应性强，便于自动化控制，灌溉效率高。移动式喷灌系统和半固定式喷灌系统设备利用率相对较高，可降低单位面积投资，操作也相对灵活，但与固定式喷灌系统相比管理强度大，用工多，工作时占地也较多。综上分析，本工程改造采用固定式喷灌系统方案。

2.2 固定式喷灌系统方案

综合工程现场实际需要和当前卷盘式喷灌机使用情况，依据相关文献对该水库围坝的喷灌系统进行升级改造，设计参数选用如下：草坪设计日耗水强度为Ea=4.0 mm/d；土壤湿润比为100%；计划湿润层深度为0.4 m；设计灌水均匀度为Cu=98%；灌溉水利用系数为η=0.83；灌溉保证率为85%；草坪雾化指标为2 000～3 000。

由于坝坡斜长约18.9 m，喷头均布置于坝顶外侧，喷头采用等间距布置，喷头间距为18.0 m，区内耕层土壤为砂壤土类，取允许喷灌强度为15 mm/h，确定所选喷头的喷水量，并根据大多数植物为草类和树木抗水滴击打强度强等特性选用中压强度喷头。按现有喷头规格性能，初步选择可控角全圆喷头。每个泵站控制范围内ZY-2喷头共350～378个，每个轮灌组ZY-2喷头共42个，轮灌组定为9个。

取水点仍设置在原有基础上，只需更换水泵即可。根据系统设计扬程计算，水泵选用250QJ100-72潜水泵，装机功率30 kW。管网布置根据主干管自3个取水点引出，共分为3个片区，沿坝体压重平台向两侧布置干管2条，分干管垂直于干管布置，支管垂直于分干管（戗台和压重平台处，平行于坝轴线）布置。该固定式喷灌区为带状，长9 790 m，宽35.4 m。区内布置分干管80条，每条分干管上布置2根支管，支管间距为18 m，通过干管输水。

管网计算选择各管型如下：支管选择PE80-DN75-0.8 M P a管材，分干管选择PE100-DN110-0.8 M P a材，干管选择PE100-DN200-0.8 M P a管材，主干管选择PE100-DN200-0.8 M P a管材。

2.3 方案实施的配套项目

1）主干管道闸阀井。主干管道闸阀井主要用于安放两个泵站相邻干管间连接闸阀，以及检修闸阀使用。主闸阀井采用组装式阀门井，包含井底、井体和井盖3部分。井体是由4片独立的分体组合件组合而成。井体顶端是具有井盖支座功能的结构，组合后顶端呈圆形，安放树脂轻型井盖，井口外浇筑强度指标为C25混凝土。独立底板于外侧封堵井底。水表井底部直径1.0 m，井盖直径0.6 m，高1.0 m。

井材为热固性模压树脂复合材料，树脂轻型井盖，施工现场用螺栓组装，井身拼缝处和管道通道口用玻璃胶密封防水。

2）分干管电磁阀井。主要用于安放分干管管首的电磁阀和闸阀，阀井采用组装式，包含井底、井体和井盖3部分。井体是由4片独立的分体组合件组合而成。井体顶端是具有井盖支座功能的结构，组合后顶端呈圆形，安放树脂轻型井盖，井口外浇筑混凝土。独立底板于外侧封堵井底。水表井底部直径1.2 m，井盖直径0.7 m，高1.4 m。井材为热固性模压树脂复合材料，树脂轻型井盖，施工现场用螺栓组装，井身拼缝处和管道通道口用玻璃胶密封防水。

3）进排气阀井。为减少管道里空气积蓄过量里会产生气阻，影响流量，坝顶处分干管网高点安装自动进排气阀，采用0.4 m成品阀井。底部长度0.53 m，底部宽度0.4 m，顶部长度0.44 m，顶部宽度0.33 m，高度0.335 m。

4）泄水井。为方便管网排水检修，在分干管最低点安装泄水阀，阀门井井深1.19 m，净长度和宽度为0.8 m、井壁用M10浆砌砖厚0.24 m，池底铺设0.3 m厚砾石透水体，池盖采用8 cm厚C25预制混凝土井盖，井盖预留钢筋提手。

5）给水栓。为便于临时取水，或对喷灌不易控制的边角地段进行人工辅助喷灌，在主干管道上一般需安装一定数量的DN75铝制给水栓，每隔50 m安装1套。

6）镇墩。各支管及喷头需砌筑镇墩，以防管线充水时发生位移。镇墩的尺寸：管道为0.5 m×0.5 m×0.5 m，喷头点为0.3 m×0.3 m×0.3 m。

2.4 信息化工程

为了采集护坡墒情、灌溉水管压力，实现对土壤墒情、管道压力等数据的实时采集和监控、随时掌握护坡植被的灌溉需求，新建护坡灌溉综合信息化控制系统，主要分为护坡墒情、灌溉水管压力采集、灌溉视频监控、灌溉自动控制等部分。操作员通过监控计算机编制轮灌分组、轮灌组灌溉开始时间、轮灌组灌溉水量（时长），灌溉计划编制完成并确认后，通过对水源泵站、轮灌阀门的远程控制，完成对护坡所有片区的自动轮灌，并可实现灌溉区的分区灌溉、定时定量灌溉，实现了科学灌溉，减少水资源及电力能源的浪费，达到节能增效的目的。