福林水库灌溉输水管道设计探讨

罗文

（重庆国昂工程设计咨询有限公司，重庆 400000）

0 引言

近年来，随着经济的不断发展，重庆市各地工农业用水量出现不同程度的提升。以綦江区为例，为了满足境内产业园区的建设、生活供水以及农业灌溉等用水需求，兴建一系列供水工程势在必行。福林水库工程输水沿线地形地势复杂，输水管道内外压都比较大。

1 项目概述

綦江区福林水库工程位于重庆市綦江区东溪镇境内，水库坝址坐落于綦江左岸一级支流——福林河上，距东溪镇约7km、距綦江城区约56km，对外交通条件较好。福林水库工程开发任务是以农业灌溉和场镇供水为主，兼有灌区农村人畜饮水等综合效益。水库正常蓄水位498.00m，死水位455.00m，调节库容936万m3，总库容1129万m3，灌溉面积3.68万亩，为东溪、赶水、篆塘场镇提供原水年均733万m3，灌区农村人畜供水量年均100万m3。福林水库工程由枢纽工程和输水工程（灌区和供水）两部分组成。枢纽工程主要包括大坝、溢洪道、取水塔、引水隧洞、上坝道路和附属管理房等；输水工程主要由总干渠、新庙干渠、篆塘支渠、赶水支渠以及渠系建筑物组成。

2 自然条件

2.1 水文条件

（1）径流。福林水库位于福林河中上游，坝址位于福林场上游约600m的鱼池湾附近，坝址以上流域面积45.19km2，河道长16.61km，河道比降39.62‰，多年平均流量为0.803m3/s，径流深560.4mm。径流的年内变化与降雨一致。

（2）洪水。福林河流域为典型的山区性河流，洪水发生时间与暴雨一致。每年4月下旬开始进入汛期，5—9月为本流域大暴雨多发季节，特大暴雨、洪水常发生在此时期，而8月本流域常发生伏旱，若遇暴雨也有较大洪水发生。10月以后，副高南移，流域内降水较多，但雨强较小，一般不会形成大洪水。福林河流域内河谷深切，岸坡较陡，流域内洪水具有汇集快，洪水过程陡涨陡落，峰型尖瘦，峰顶持续时间短的特点。据调查，水库坝址以上洪水过程多为单峰，历时约24h左右，最大洪量主要集中在6h内，福林水库坝址设计洪峰流量成果见表1。

表1 坝址设计洪峰流量成果

2.2 气象条件

綦江区属亚热带湿润季风气候区，气候温和，四季分明，无霜期长，春季回温较早但常受寒潮影响出现倒春寒，初夏雨量丰沛，盛夏炎热多伏旱，秋多绵雨，冬无严寒，云雾较多。福林河流域无水文、气象测站，邻近有綦江气象站，根据邻近綦江气象站1970—2017年实测资料统计：多年平均气温为18.6℃，年内以1月气温最低，平均为7.2℃，8月气温最高，平均为28.0℃，极端最高气温42.3℃，极端最低气温为-1.7℃。多年平均年降水量为1052mm，多年平均相对湿度为77%，平均无霜期328天，平均日照时数1244h，多年平均风速1.5m/s，多年平均最大风速11.2m/s，极端最大风速26m/s，最多风向NW。

2.3 地形地质条件

库区处于四川盆地东部边缘的渝东平行岭谷区的中峰寺向斜端北东翼，地形地貌受构造和地层岩性控制明显，局部地区亦与外营力作用关系密切。库区地势西高、东低。区内地形主要为切割较强烈形成的方山台地地形，河谷呈大致对称的“V”字型。库周两岸山体宽厚，地表分水岭高程965～1100m，相对高差500～600m。根据地貌成因划分为构造剥蚀中深切割台状中低山地貌和侵蚀堆积河谷地貌，以剥蚀地貌为主，河流两岸偶见崩积堆积台地。建库河段属于福林河下游段，水库沿岸水系呈树枝状发育，除库首右岸发育较大支沟小龙溪常年有水外，水库区左岸还发育一条细支流，右岸还发育两条细支沟，细支沟一般呈季节性流水。

3 水库规模及径流调节计算

3.1 来水过程线

福林水库坝址以上集雨面积45.19km2，多年平均来水量2533万m3。本次径流调节计算采用水文计算提供的1965年4月—2014年3月长系列逐月径流资料，与可研阶段一致。

3.2 用水过程线

根据水资源供需分析，求得各方案设计水平年1965年4月—2014年3月逐月需水库供水过程线，扣除现有水利设施可供水量外，多年平均需水库供水量为1715.4万m3，其中，农业灌溉需水量882.4万m3、城镇生活需水量733万m3、灌区农村人畜需水量100万m3。福林水库建设后，生态需水流量采用水库坝址本流域多年平均流量的10%进行计算，则水库坝址需下泄生态流量0.08m3/s（折合年径流量253万m3）。水库年均损失水量为蒸发损失和渗漏损失之和。通过径流调节计算，水库多年平均蒸发损失量为6万m3。结合有关资料并参考类似工程情况，取水库渗漏损失水量为水库时段蓄水量的1.0%。通过径流调节计算，水库多年平均渗漏损失量为86.1万m3。

3.3 水位库容曲线

采用我院实测的1:2000库区地形图量算的福林水库水位面积、水位库容曲线成果。设计径流调节计算考虑福林水库库区泥沙淤积后20年后的水库水位库容曲线成果。

3.4 径流调节计算

根据本工程的开发任务，考虑到城镇用水保证率比农田灌溉保证率高的特点，拟定水库径流调节计算的原则为：优先满足场镇供水及灌区农村人畜饮水，再根据来水和水库调蓄能力满足灌溉用水。为保证场镇供水，拟定当水库水位介于455.00~466.00m之间运行时，水库只提供场镇供水及灌区农村人畜饮水，不提供灌溉用水。根据调节计算原则，采用时历法，根据来水与用水长系列逐年逐月过程进行计算，蓄水期在满足用水的前提下，水库尽早蓄水，直到正常蓄水位，供水期当水库水位将到死水位时，若用水大于来水则水库无法满足供水要求，发生缺水，计为供水破坏。计算起点以死库容作为初始库容，本时段的末库容即为下一时段的初库容，逐年逐月进行计算，直到系列末。

考虑福林水库为多年调节水库，以水库水位487m（考虑20年淤积后相应蓄水量535万m3）起调，计算得福林水库坝址正常蓄水位498.00m，死水位455.00m，调节库容936万m3。经过1965—2014年49年长系列的径流调节计算，可以得出：水库缺水年为16年，根据《水利工程水利计算规范（SL 104—2015）》第7.1.2条条文说明之规定，在统计破坏年时，一般可以把缺水率小于等于5%的年份不作为破坏年统计，水库实际破坏年为11年，农田灌溉保证率为76.0%；城乡供水破坏月为13月，场镇供水保证率为97.6%。福林水库多年平均供水量为1646.6万m3，多年平均缺水量为68.8万m3。

3.5 水库调洪计算

福林水库正常蓄水位498.00m，相应库容1018万m3，死水位455.00m，调节库容936万m3，校核洪水位500.18m，总库容1129万m3，枢纽属Ⅲ等中型工程，最大坝高为超70m的混凝土面板堆石坝，其建筑物级别提高为2级，但洪水标准不提高，按50年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核。经调洪演算，校核洪水时，溢洪道下泄677m3/s，相应的水位为500.18m；设计洪水时，溢洪道下泄431m3/s，相应的水位为498.18m。

4 设计参数比选

4.1 管材选择

本工程输水沿线地形地势复杂，输水流量较小，根据经济流速确定的管径为0.2m和0.6m。输水线路沿途坡度变化较大，输水管道内外压都比较大。同时，线路转弯数量多，输水保证率也要求高。因此，管道选材应具备的特点如下：

（1）可以承受相应的压力。该项目管道为承压管道，本文所研究输水线路的最大静水头约为100m。一般情况下，非金属管道的最大正常工作压力约为允许工作压力的0.67～0.71倍。如果水锤压力比较大时，允许工作压力取值会相应提高，考虑到非金属管道在压力下的状态，不得使用。

（2）因为供水用途包括人类和牲畜用水，所以对水的质量要求很严格。管道长时间与水接触时，不得产生有毒、有害化学物质。

（3）管材应该具有相应的抵抗外部荷载的能力。本文研究对象使用埋管，由于沿途地形多变，埋深范围相应多变，部分地区涉及河流、公路，管材应有承载填土静荷载、交通动荷载、温差、不均匀沉降等荷载的能力。

（4）应具备一定的防腐性能。尤其对于金属等易腐管材，防腐措施必不可少。

（5）满足工程任务的同时，尽量降低成本；管材不易老化，并且能够使用较长时间；管材之间易于连接，满足各项技术指标。

4.2 球墨铸铁管设计

球墨铸铁管根据《给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程（CECS 142—2002）》中相关公式进行计算。球墨铸铁管管道结构应按下列两种极限状态进行设计：

（1）承载能力极限状态，即管道结构达到最大承载能力，管壁因材料强度被超过而破坏，管道结构作为刚体失去平衡而上浮或滑移，管壁截面丧失稳定；

（2）正常使用极限状态，即管道的竖向变形超过正常使用的变形。

4.3 钢管防腐形式选择

因为有着良好的耐腐蚀性和附着力，环氧树脂已被用于钢管防腐。环氧树脂是极性分子，有较好的附着力。但它是热固性物质，因此不耐颠簸。聚乙烯是热塑性材料，具有良好的柔韧性，但附着力较差，所以将两者组合使用能够成为现阶段最好的选择。本工程的钢管采用涂塑复合钢管，防腐型式为内热熔结环氧涂层、外聚乙烯。

5 结语

水库工程输水管道沿线地形地势复杂，输水管道内外压都比较大。同时，输水线路途经多处陡坡，线路转弯数量多，因此选择球墨铸铁管作为主要管材，在穿越公路或遇到陡坡（＞16°）时采用钢管。在保证安全的同时，有利于加快施工进度、节约投资，在同类工程中具有积极意义。