迪那河五一水库供水工程大型多功能钢筋混凝土调节池设计研究

苌登仑

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着城市的不断发展，城市生产、生活用水需求对水源地供水之间的问题日益凸显。水源地供水量与下游用水量之间的不平衡，供水管线运行维护、事故检修与下游用水的矛盾，都对供水工程的水量调节、检修维护等多种功能的应用提出了一定的要求。调节池是调节产水量、供水量与用水量不平衡的建筑物，其合理的结构布置型式，是实现多种功能、安全运行的关键。

迪那河五一水库工业供水管线工程位于新疆轮台县境内，是五一水库工程的配套工程，主要承担向轮台县拉依苏工业园区供水的任务。拉依苏工业园区为自治区级重要的工业园区，主要以大型煤炭化工生产为主，用水日均变化量大，供水保证率高，为95%。迪那河为高泥沙河流，含沙量达8.61kg/m3，汛期水库悬移质泥沙进入管道，可能影响调节池安全运行。本供水工程压力管道水头落差大，总静水头达253.6m，对管道运行要求高。本工程地质条件较复杂，地下水对建筑物安全产生不利影响。以上问题都对调节池在流量调节、保证管道检修、保证自身安全运行等多方面都提出了较高的要求，设计中采取何种策略进行应对，值得研究。

1 工程概况

迪那河五一水库工业供水管线工程是从五一水库引水，受水点为位于水库以南约23km的自治区级拉依苏工业园区，年引水量4000万m3，引水流量为1.62m3/s。本工程属Ⅲ等中型[1]。本工程主要由取水口、输水隧洞、输水涵洞、前池、压力管道、调节池、消能系统、放空系统等建筑物组成，其中输水隧洞长6.27km，调节池前供水管道长11.898km，调节池后配水管道长4.89km。本工程取水口、输水隧洞、输水涵洞、压力管道、调节池等主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。主要建筑物设防烈度Ⅷ度。工程总投资为3.95亿元。调节池平面图如图1所示。

图1 调节池平面图

2 调节池设计难点分析

(1)调节池规模确定。在城镇和工业供水中，供水保证率至关重要。对于长距离供水工程，若供水管道按照单根管道布置，为提高供水保证率，调节池应具备多日调节的能力，需要调节池具有更大的调节容量，成为超大型调节池或调节水库；若供水管道采用双管布置，调节池的调节能力则相应减小，其规模可大大降低。调节池规模的确定与供水保证率、工程投资及工程运行安全等多种因素密切相关。

(2)调节池位置选择。长距离供水工程若通过取水口对供水流量进行调控则存在迟滞效应，调节建筑物应尽量靠近受水点。但园区附近地形较为平坦，无设置调节池的有利地形。调节池位置的选取不但要满足用水户不同工况下最不利点水压要求，同时还应考虑如何降低扬水设施规模甚至不设置扬水设施。

(3)流量调节要求。水源地供水流量与下游用水流量存在差异，是需要进行流量调节的原因。水库供水是按照恒定流量均匀供水，下游园区用水过程变动较大，需采取措施满足用户各种工况下的用水需求。

(4)供水保证率要求。受水区为自治区级大型工业园区，用水保证率高。应满足在供水管道例行检修和突发事故时，以及调节池自身检修和冲沙排淤时，保证管线仍能够运行，满足用户用水需求。

(5)水质改善。迪那河属多泥沙河流，汛期水库悬移质泥沙随水流进入管线，降低了供水水质，给水质处理增加负担，甚至可能会影响调节池运行，减小调节池容积，造成降低调节能力等不利影响。

(6)地下水降排问题。调节池为半埋入式结构，建基面低于地下水位。调节池存储水量较大，若发生大的渗漏将抬升地下水位，尤其汛期洪水将导致地下水位显著抬升，这些都可能造成调节池底板失稳，危及建筑物安全。

3 调节池选择影响因素研究

3.1 调节池规模选择

本工程供水管线总长16.92km，属长距离供水工程[2]，调节池的型式和规模对工程投资和运行等影响均较大。调节池的规模与压力管道布置形式密切相关，根据压力管道单管布置和双管布置两种形式，调节池拟定了两种不同规模进行比选。

(1)容积3.5万m3。供水管道压力前池设置在出山口，根据管网压力对调节池水位的要求，调节池设置在距前池11.898km的位置，调节池总容积为3.5万m3，调节时长为13.5h。调节池前供水管道采用两根DN800钢管平行布置，设计流量1.62m3/s，调节池后配水管道采用两根DN900钢管平行布置，最高日均流量1.782m3/s。

(2)容积(库容)120万m3。供水管道起点设置在出山口，管道末端的调节池根据筑坝材料易于获得的价格优势，设置成为调节水库。调节水库坝型为复合土工膜砂砾石坝，全库盘铺设土工膜防渗，最大坝高8.3m，正常蓄水位1096.0m，死水位1090.80m，总库容120万m3，调节库容85万m3，调节时长为6d。调节水库前供水管道采用单根DN800钢管，设计流量1.62m3/s，调节池后配水管道采用单根DN900钢管，最高日均流量1.782m3/s。

经综合比选，因管道长度相对较短，调节水库的投资占比较大，投资增量大于少铺设一根供水管道引起的减少量，投资较调节池方案增加2439万元。调节水库的征地范围、施工难度相对较大，运行管理也相对复杂。因此，规模较小的调节池+供水管道双管布置方案在短距离供水工程及相对较短的长距离供水工程中更为适用。

对于设有高压疏水的系统，在布置设计时应尽量让暖风器高位布置，使其疏水能自流到疏水箱，疏水箱的安装高度还应满足疏水泵汽蚀余量的要求[8]，把系统设计和布置设计充分结合起来，才能从源头上得以解决暖风器的疏水问题。

3.2 调节池位置的选择

供水管线敷设在山前冲洪积扇。根据地形特点，前段纵坡较陡，后段纵坡较小，总的落差较大。调节池可采用高位的布置形式(如水塔或高位水池)，也可采用低位的布置形式(如加压泵站)[3]。采用全线自流和末端设置扬水泵站两种方案进行比选。

(1)全线自流方案。要满足管线全程自流，调节池应布置于地形相对较高的位置，其作用相当于高位水池。高位水池的最低运行水位，应满足其供水范围内最不利用户接管点和消火栓设置处的最小服务水头要求(管网最不利点压力值详见表1)。调节池布置方案详见本文3.1节。

(2)加扬水泵站方案。前池设置在出山口，两根平行布置的DN800压力管道沿山前冲洪积扇向南敷设，到达工业园区后，在管线末端设置升压泵站[4]。泵站由前池、主泵房、安装间、副厂房组成。主泵房内设3台560kW水平中开双吸离心泵(一台备用)，离心泵扬程为50m，升压水头值为29.8m。泵房出水管道接入园区管网。

根据综合比选结果，全线自流方案工程布置相对较为简单，施工难度较小，运行管理相对较为方便，工程投资节省3507万元。因此选择全线自流方案。

4 调节池的流量调节

4.1 调节池容积的确定

调节池的有效容积应根据上游供水过程线、下游用户用水量及消防储备水量等因素确定，单独设置的调节池有效容积采用最高日用水量确定[5- 6]。

工业园区年需水量为4000万m3。本工程采用全年均匀供水的方式，输水管线设计流量为1.62m3/s。管线采用双管输水方式，单管流量按照70%设计流量，为1.14 m3/s。园区管网配水管采用双管输水方式，根据不同工况供水流量详见表1。

表1 不同工况供水流量详见

由表1可知，园区配水管流量按事故工况控制，其流量比上游供水管设计流量增大10%，可通过调节池对上、下游流量进行调配。本工程调节池有效容积根据最高日用水量的20%计算[4]，为1.782 ×3600×24×0.2=30793m3。调节池实际有效容积为31131 m3，总容积为3.5万m3。现行图集04S803《圆形钢筋混凝土蓄水池》提供的最大容积为2000m3，不能满足要求，需单独设计。

4.2 调节时间计算

调节池的功能一方面体现在平衡上下游流量的差异，保证用户用水需求，另一方面能在供水管线检修维护和突发事故的情况下，按照事故流量向配水管供水。压力管道事故流量为1.14 m3/s，为保持配水管流量不变，调节池需调节补充流量为0.642 m3/s。则经调节池调节，在管线检修期间能够延长以设计流量向配水管供水的时间为31131/0.642/3600=13.5h，完全能够满足检修需要[7]。

5 特殊工况下调节池应对策略

(1)调节池应对特殊工况策略

设计中的应对策略为：在调节池中间设置一道隔墙，将调节池变为1、2号池两个半池结构，如图1所示，但隔墙高度约为池身高度的一半，在两个半池进口段分别设置一个进水管与上游管道相接，在两个半池出口段也分别设置一个出水管与下游管道相接。调节池为圆形钢筋混凝土结构，池半径37m，边墙高10m，池内正常高水位1090.8m，对应水深8.32m，池内最低水位1083.48m，对应水深7.32m。隔墙墙高4m，将调节池底部隔开，墙顶低于正常高水位4.32m，高于最低水位4m。

(2)特殊工况下调节池的运行

正常运行时调节池池内水位控制在正常高水位和最低水位之间，由两个半池进口的两个阀门控制入池流量，由配水管道上的两个阀门控制出池流量。

供水管道检修或突发事故时，例如1号半池对应供水管道检修，则关闭1号半池进口的阀门，保持一管进池两管出池。1号半池水位降至最低水位时，关闭对应配水管道末端的阀门，2号半池继续以供水管事故流量1.14 m3/s向对应配水管放水。根据前述计算，按照园区管网最高日均流量向下游放水时长为13.5h。

调节池采用两个半池轮换的方式进行检修。例如检修1号半池，先关闭1号半池进口阀门，调整2号半池进水管流量至供水管事故流量1.14 m3/s；池内水位降至隔墙顶高程后，调整2号半池对应配水管流量至1.14 m3/s ；1号半池降低至最低水位时，关闭1号半池对应配水管末端阀门，打开1号半池冲沙放空阀门，排空水后可进行调节池的检修。

6 改善水质措施

调节池直径74m，断面面积达4300m2，水流流速小于1mm/s，悬移质泥沙可得到有效沉积。调节池底板采用四周向中心放坡，并向集水池方向放坡，坡度均为1%。

调节池可在非高峰用水时段进行周期性冲沙排淤，调节池此时的作用相当于连续冲洗式沉砂池[8]。此种情况下，是利用调节池的有效容积进行的，供水工程仍保持正常运行。打开设置在集水池底部的冲沙放空管，排出调节池泥沙汇集至集水池。集水池设置在调节池出口段底板以下，为圆形断面，直径6m，深3.3m，被调节池中部隔墙分隔开，并分别位于调节池两个半池，集水池共设置2根放水管和2根冲沙放空管。两半池冲沙排淤可轮换进行也可同时进行。设计冲沙流量为0.5 m3/s。

为了彻底对池底淤泥进行清理，调节池可在自身检修时，利用设置在边墙底部的半环形清淤放水管结合人工清理的方式进行。每个半池设置一根清淤放水管，其进口设置在调节池进口闸室，将供水管道的高压水适当减压后引入池内，入池后清淤放水管沿边墙底布设，管径DN200，每隔5m设一个喷口。

7 地下水的降排策略

调节池基础为第四系上更新统冲积砂卵砾石层，结构密实，承载力300～350kPa，地下水埋深5～6.5m不等，高于调节池建基面0.5～2m，汛期地下水位升高或调节池若大量渗漏，基地扬压力易造成底板失稳。为保证底板稳定性和调节池安全运行，设计应对策略为：防止调节池渗漏，同时降低地下水水位。

(1)调节池的止水设计。调节池边墙、底板采用分离式结构，边墙采用扶壁挡墙，浇筑段长10m，结构缝采用B-P-280×10型橡胶止水带止水。底板采用现浇混凝土板+土工膜防渗方式。混凝土底板厚200mm，分块边长3～4m。结构缝迎水面填50mm厚聚氨酯砂浆，其下部设PZ膨胀止水条。混凝土底板下布设土工膜(一布一膜，膜厚0.6mm，布重200g/m2)，土工膜上铺设细砂层厚300mm(粒径<5mm)，土工膜下铺设排水料厚300mm(粒径<20mm)。土工膜锚固于扶壁挡墙底板、立柱基础、隔墙底板等混凝土结构侧面。土工膜是一种常用的具有较好防渗效果的防渗材料，常用于大型蓄水池工程[9]，但由于土工膜施工中的缺陷也可能引起渗漏[10]，因此施工中应加强检查和消缺。

(2)调节池的排水设计。在土工膜排水料下设PVC滤水花管，滤水花管埋置在排水槽底部，槽深0.5m，槽内回填排水料(粒径20～40mm)。环向滤水花管共4根，管径DN150～DN200，水平铺设；径向滤水花管共10根，关于圆心对称布置，管径为DN150，坡度为1/500，坡向池心；排水总管为PVC管，管径为DN200，坡度为1/500，从基底中心点滤水花管汇集处接出，将地下水导向下游放空渠道。

8 结语

迪那河五一水库供水工程设置的大型多功能钢筋混凝土调节池，实现了流量调节、保持管网压力、保证管道检修与处理突发事故、改善水质等多种功能，同时调节池在自身检修与冲沙排淤时能保证工程正常运行，地下水的降排处理也保证了调节池自身的稳定性。

调节池这种独特的建筑物型式，实现了多功能集于一身，保证了工程安全，节省了工程投资，方便了运行管理。本文对设计研究成果进行了总结，为相同工程提供了借鉴。