莒南县大水网工程扁山隧洞优化设计简析

慕乾科，张继山，王 勇

（1.莒南县陡山水库管理处，山东 莒南276600；2.莒南县水利局，山东 莒南276600；3.莒南县水务发展集团有限公司，山东 莒南276600）

为充分利用县域内雨洪水资源，搞好莒南县县域内地表水资源时空统一调配，缓解水资源紧缺状况，莒南县于2014年筹划构架了“三库串联、沭水东调、供水外埠”的“大水网”工程，其中沭水东调工程系取用沭河客水的综合调蓄工程。规划在道口镇朱家庄段、沭河中泓桩号66+900处，兴建沭河橡胶坝工程，拦蓄汛期沭河雨洪水资源，经6.4 km明渠自流输水至鲁沟泵站，再经20 km管道压力输水至扁山隧洞（另一分支进入石泉湖水库调蓄）输水至相邸水库。其中扁山隧洞工程则是实现“三库串联、沭水东调”的关键工程。

1 扁山隧洞设计优化

1.1 已建东部供水工程概况

为解决莒南东部乡镇、临港经济开发区等工业用水匮乏问题，2014年山东水务鲁南水务发展公司与莒南县人民政府联合兴建了莒南东部供水工程，2015年东部供水工程建成投运。建设内容为自相邸水库引水，在相邸水库坝后新建装机1 500 kW提水泵站1座，设计日供水25万m3，经5 km长DN1600管道调水至坊前镇大坊前村北岭调节池。调节池容量3 000 m3，设计水位为94.0 m，下游铺设总长43 km管道输水，自流供水至莒南临港产业园区、临港经济开发区、日照岚山区等。

1.2 扁山隧洞优化设计缘由

扁山隧洞设计输水方案：隧洞进口高程为108.00 m，出口高程为93.81 m，设计比降1/296，上游来水经扁山隧洞无压输水进入相邸水库，再通过上述东部供水工程相邸泵站动力提水供水至下游用水户。由于东部供水工程已建成投运、整个体系输水能力固定，按照设计方案，沭河雨洪水资源需经鲁沟泵站一级提水、相邸泵站二级提水方可供水至下游用水户，整个过程需二次动力提水；陡山水库、石泉湖水库富裕水量部分也必须经由相邸泵站动力提水至下游用水户，该过程需要一次动力提水。由于扁山隧洞来水均需经相邸泵站动力提水，不但大大增加了供水成本，而且不利于节约能源，需对原设计方案进行优化。

1.3 设计工况下输水能力分析

根据扁山隧洞及下游已建东部供水工程设计指标，对下游供水能力进行了复核。扁山隧洞进口高程为108.00 m，设计比降1/296，出口高程为93.81 m，隧洞出口至东部供水工程坊前北岭调节池距离7.3 km，调节池设计供水位92.50 m。经水力计算，隧洞设计出口断面水面高程与调节池设计水位高差不满足设计供水能力下自流供水至用水户要求。

2 优化方案

扁山隧洞优化设计的指导思想：坚持工程投资微小变动原则，维持扁山隧洞设计断面尺寸不变，通过微调扁山隧洞轴线走向，适当抬高隧洞出口高程，将扁山隧洞出口通过管道直接与相邸泵站出水管端连接，使扁山隧洞来水自压输水至下游调节池、下游用水户，实现扁山隧洞后全部自压输水。

2.1 扁山隧洞设计指标

扁山隧洞位于石泉湖水库下游3 km处，长4.2 km，断面身为城门洞形，底部为3.9 m×2 m矩形断面、上部为同宽半圆断面。隧洞进口高程为108.00 m，设计比降1/296，出口高程为93.81 m，设计日供水能力25万m3，整个隧洞设计工况为无压输水。扁山隧洞出口建钢筋混凝土出水池。

2.2 具体优化方案

经研究沭河雨洪资源调配工程设计文件、下游已建东部供水工程竣工指标，通过水力计算，进行了方案比选，提出了隧洞下游自流供水方案。旨在将扁山隧洞出口高程抬高，在出水口处设置钢筋混凝土出水池，通过2.4 km管道连接相邸泵站出水管道，自流供水至下游用水户。优化设计后，沭河2 515万m3来水仅需一级动力提水，陡山、石泉湖水库富裕水量无需动力提水，将大大降低供水成本。具体优化方案为：

在设计供水能力、已建工程指标已确定的情况下，维持扁山隧洞设计进口位置、进口底高程108.00 m不变，根据现场地貌地质情况，将隧洞出口北移200 m，对隧洞轴线稍作调整，由原设计隧洞4 260 m、纵向比降1/296、出口底高程93.61 m调整为隧洞长4 080 m、纵向比降1/452、出口底高程98.98 m，隧洞出口底高程抬高了5.37 m。在隧洞出口建钢筋混凝土出水池，出水池设计水位100.20 m。

2.3 输水能力复核

根据扁山隧洞优化方案技术指标，对扁山隧洞输水能力进行了复核。经复核，采用优化方案后，在维持设计供水能力不变的情况下，隧洞的正常水深由原设计方案的0.53 m增大为0.60 m，原隧洞设计横断面尺寸仍能满足要求。

经水力计算，通过上述优化设计，即可满足沭河雨洪水资源仅需经鲁沟泵站一级提水、陡山水库及石泉湖水库富裕水量无需动力提水便可供水至下游用水户，无需相邸泵站二次动力提水过程，从而达到节约成本、节约能源的目的。

3 投资及效能对比分析

3.1 投资对比分析

优化方案后，扁山隧洞长度由4 260 m调整至4 080 m，隧洞出口至相邸泵站出水管长度由原2 300 m增长至2 480 m。根据施工图预算单价，隧洞开凿衬砌每米综合单价1.2万元，包括管沟开挖回填在内DN2200×22螺旋钢管购安每米综合单价7 700元。方案优化后，隧洞工程减少投资216万元，管道工程增加138.6万元，综合节省投资77.4万元。

3.2 效能对比分析

方案优化后，扁山隧洞下游无需动力提水，可自流供水至下游用水户。主要效益变化为节约的提水动力费。方案优化后产生的经济效益根据相邸泵站的装机容量等计算求得。根据上述水资源富裕量分析，沭河年可调剂使用水资源总量2 515万m3。

相邸泵站设计扬程H=64.26 m，设计日调水能力25万m3，设计流量Q=10 417 m3/h，N=1 500 kW，效率η泵=0.89。

泵站提水动力费按下式计算：

式中：E为电费，万元；Q为设计流量，为10 417 m3/h；N为泵站装机功率，为1 500 kW；K为电价，按0.68元/kW·h；W为年均提水量，9 050万m3；η为综合效率，取0.8。

经计算，在沭河年均引水量2 515万m3计工况下，年均节约成本（动力费）为308万元，年均节约电力能源453万kW·h。

4 结语

莒南县大水网工程是一个系统工程，内含项目多、技术要求高、系统关联性强，应从整体效益出发，精心优化至每一工程每一环节。勘测设计单位在二次勘测现场、水力计算的基础上，按照上述优化方案进行了变更。通过优化扁山隧洞设计，使扁山隧洞下游供水均为自压供水模式，在保持设计供水能力不变的情况下，达到节约成本、节能增效的目的，经济效益、节能效果显著。