凹水河水库供水工程突出问题浅析

2021-04-16袁丽娜王永立张笮娜

陕西水利 2021年3期

袁丽娜，王永立，张笮娜

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002）

1 工程概况

凹水河水库的任务是向黔西县城供水，包括向西部工业组团- 岔白工业基地供水和向中东部组团- 包括黔西县城中心城区及东部工业园区供水两个部分组成，同时兼顾解决工程区周边的部分灌溉用水。工程由水库枢纽工程、供水工程和灌溉工程三部分组成。水库正常蓄水位1287.00 m，相应库容4479 万m3，校核洪水位1288.98 m（P=0.1%），总库容4669 万m3，县城供水量为4198 万m3/a，灌溉毛用水量为77 万m3/a。

供水工程由供水泵站、供水管道、加压泵站和末端水池组成，平面布置见图1。供水对象西部组团虽然为工业园区供水，但也有一定的园区内生活用水，工业供水输水线路包括高位水池、输水管线、输水隧洞、末端水池组成；中东部组团供水管（为已建工程）包括输水线路包括水厂、输水管、调节水池等组成。供水管线的供水流量为1.999 m3/s，供水流量在加压泵站位置分出中东部组团流量0.529 m3/s，之后供水管道将1.449 m3/s 流量送至西部组团。

图1 供水工程平面布置图

2 输水线路比选

凹水河输水线路由大坝有压引水至供水泵站，经提水至高位水池，结合高位水池和末端水池之间区域地形地质条件，经现场走线调查分析了3 条走线，见图2。

图2 管线布置方案平面图

①南线，由高位水池作为起点，供水管线先向南验收至苗沟附近，然后向东南穿过罗家寨垭口后到达林泉收费站附近的坝子，再向东南延伸至末端水池，管线沿经过王家寨→余家寨→种花沟→苗沟→罗家寨→大田→海子→观音山到达位于青浦塘库尾山头的末端水池，线路为东南走向，全长13.53 km。

②中线，由高位水池作为起点，管线一直沿东南方向延伸至末端水池，其中上游段与黔大高速走线相近，至林泉收费站附近的坝子后与方案①一致，管线总长12.25 km。

③北线，根据地形观察，管线沿檬井村至715 县道的槽谷地形沿现有通村组道路向东布置，到达715 县道后沿公路向南延伸至林泉收费站附近的坝子，之后与方案①走线一致，线路总长14.61 km。

经比较，南线主要沿山坡坡面和附近通村路布置，整个供水管线上涉及一处穿垭口隧洞（罗家寨隧洞）、一处穿越715 县道、两处由黔大高速公路高架桥下穿过，管线距离成贵高铁最近距离2.1 km。整个线路沿线基本无重大建筑物布置，施工相对便利，无较大起伏，不存在地质因素制约。

中线方案最短但是走线靠近高速公路，高速公路的走线高程在1430 m～1425 m 附近，中线管道穿过地形普遍高于高位水池的1415 m 水位高程，使得沿线隧洞、深挖明显增多，而且中线穿过区域村组道路稀少，临时道路工程投资高，占地面积大。加之中线工程距离已建县城供水管起点比南线方案长约1.5 km，因此两者相比，中线方案不如南线方案优。

北线方案上游段基本上都沿现有公路布置，施工条件较好，但走线长度比南线方案长1.08 km，此外管线沿公路布置，与公路沿线民房干扰较大，有2.02 km 的线路高程高于高位水池水位，需进行深挖，工程量和工程占地均较大。同时北线方案无法顾及已建县城供水管起点，需另外布置2.5 km 的县城供水管线。综合以上不利因素，北线方案明显不如南线方案优。因此，南线方案为最优方案。

3 输水管道设计

3.1 单双管比选

本工程输水管线是西边工业组团的唯一水源，无安全贮水池、也无其它安全供水措施，所以输水管线适合选择双管。同时对规模较大的工程，长距离输水宜按双管布置；双管布置时，应设连通管和检修阀，干管任何一段发生事故时仍通过70%的设计流量，因本工程的输水管线总长13.53 km，输水流量1.999 m3/s～1.449 m3/s，输水管长度及规模均不算小，因此选择双管也比较合理。

3.2 管材比选

结合工程实际情况，在保证足够强度、水力损失小、便于运输和安装等情况下对以下三种管材进行比选。

钢管使用年限为40 a，强度高、密封性好、补修性好、接头少、连接简单。但是钢管容易腐蚀，需定期防锈，运行管理较复杂，用焊接法连接的接头较弱，当挠曲或温度变化时，接头处容易开焊，造价较高，使用寿命相对较短，日久管道锈蚀后会对介质造成二次污染。

球墨铸铁管使用年限为70 a，管材强度较高，工作压力高，防腐性能好、接头简单、可靠，运输、搬运、安装过程中破损率低，安装简单、工期短，对回填土无特殊要求，运行管理简单，使用寿命较相对较长。但是球墨铸铁管重量较大，运输量大。

玻璃钢管使用年限为50 a，是非金属材料、抗腐蚀性好，重量轻，安装速度快，水头损失小。但是玻璃钢管为化学产品，老化后，强度消逝，有部分化学物质残留，影响水质，强度小，不适合用于外载荷较大的管线，对基础、回填土的要求高，对安装工人技术等级有较高的要求。

三种管材特性比较见表1。

表1 管材比较

根据综合比选，凹水河水库工程供水输水管线管材选用球墨铸铁管。尽管球墨铸铁管的综合造价比夹砂玻璃钢管高，但从近几十年国内各种管材实例来看，球墨铸铁管可靠性高，对周边环境的适应性好，有效使用寿命较长，寿命周期内综合造价低；加上球墨铸铁管强度高、安装和运行较简单，对回填土也没有特殊要求，非常适合本工程的实际情况，所以本阶段本工程推荐使用球墨铸铁管作为供水输水管线的主管材。

3.3 管径选择

对输水管道管径设计时应考虑事故运行情况，事故水量取设计水量的70%，并根据管道连通管的位置，考虑四个种运行工况，见图3。

图3 供水管线故障工况流量示意图（单位：m3/s）

工况1 第一段管道故障，过水流量为1.999×70%=1.399m3/s，此时考虑下游西部组团和中东部组团水量均压缩为70%。

工况2 第一段管道故障，过水流量为1.999×70%=1.399 m3/s，此时考虑中东部组团水量不变，剩余给西部组团。

工况3 第二段管道故障，下游过水流量为1.449×70%=1.014 m3/s，此时第一段过水流量为1.014+0.529=1.543 m3/s。

工况4 第三段管道故障，下游过水流量为1.449×70%=1.014 m3/s，此时第一段过水流量为1.014+0.529=1.543 m3/s。

由上四种工况计算罗家寨段管顶压坡和总水头损失，见表2。

表2 管顶水头计算成果表单位：m

由表2 计算可知，在双管沿线布置两个连通阀后，采用罗家寨上游管径1.0 m，罗家寨下游管径0.9 m 可以充分利用高位水池和末端水池之间的水头，也可以满足管线管顶水头要求，同时也节约了工程投资。

3.4 管道设计

根据选用的球墨铸铁管管径及特性，计算管壁厚度。

①内部压力设计

根据IOS 10803：1999《球黑铸铁管设计方法》，设计公式：

式中：t1为支撑（承受）内部压力所致的圆周应力所需的最小管壁厚度，mm；p为内部压力，MPa；D为IOS 2531 规定的管道外径，mm；Rm为材料的最小极限抗拉强度，MPa（按照IOS 2531的规定，为420 MPa）；F为设计安全系数。

②外部荷载的设计

根据IOS 10803：1999《球黑铸铁管设计方法》，设计公式：

式中：Δ1为管道的径向偏移，用外径D的百分数表示：KX为取决于底层反作用角的偏移系数；q为因外部所有的荷载造成的管顶上的垂直压力，MPa；S为管道的径向刚度，MPa；E'为土壤反作用模量，MPa。

经以上公式计算，通过查表选择球墨铸铁管标准厚度等级为K8 等级，厚度为12.8 mm。

4 高位水池水位确定

根据供水线路比选，供水线路长13.53 km，起点高位水池位于大坝下游左岸约1.5 km 的山头位置，地表高程1412 m。根据管线纵剖面（图4），在“4+089.47”桩号位置需采用罗家寨隧洞穿越垭口地形，隧洞底板高程结合地形条件取1401 m 较为合适，若高程下沉，将使得隧洞长度明显增加。由罗家寨隧洞底板高程控制，洞内铺管管顶高程在1402.65 m。

图4 供水管线纵剖面图（纵横比1∶10）

受罗家寨垭口顶托，设计考虑采用高位水池水位1410 m和1415 m 进行计算比较，在各工况下洞内铺管管顶水头见表3。

表3 管顶水头计算成果表单位：m

由上计算成果可见，高位水池水位1410 m 时，采用可研1.1 m 直径双管不能满足管顶水头要求，如将高位水池水位提高到1415 m，不仅管顶水头压坡满足规范要求，还可以明显优化输水管径。同时结合高位水池山头地形条件，若将水位设定为1415 m，可以避免在山坡一侧开挖水池，可利用山顶高程。因此，供水泵站高位水池设计水位为1415 m。