河北邯郸大磨山引水工程设计

2022-08-06王敏

科技创新与应用 2022年22期

王敏

（邯郸市水利水电勘测设计研究院，河北邯郸 056005）

1 项目的建设背景、流域概况、地质情况以及水资源情况

紫山区域作为邯郸市西北部的一个生态涵养区，是全市西部生态屏障建设的重要组成部分。近年来，丛台区政府为打造美丽邯郸而大力推进紫山区域生态修复建设，为改善城区周边的生态环境发挥了重要作用。大磨山系紫山余脉，北接309 国道，与紫山生态保护区相对，东依西陶庄村，西临兴盛庄村，属于紫山文化旅游休闲产业园的配套区域，以“体验度假、运动休闲”为主要内容，打造出集餐饮、体验、消费为一体的经济活跃区。紫山文化旅游休闲产业园大磨山区域规划总面积1 775 亩，水域面积为186 亩，蓄水量约为14.9 万m3。由于受到地形地势的制约，紫山区域蓄水无法自流进入大磨山，而现状支沟水源无保证，因此为大磨山区域开辟稳定的水源尤为重要，意义重大。规划大磨山水域板块如图1 所示。

图1 规划大磨山水域板块图

本工程所在流域为沁河的一条支流沟道。沁河为子牙河水系滏阳河流域的一条支流，为季节性河流。沁河位于太行山东麓，邯郸市西部的丘陵区，界于牤牛河与洺河流域之间。流域地形复杂，地面起伏较大，地形坡度较陡。紫山文化旅游休闲产业园紫云湖生态补水工程拟建两座塘坝均位于沁河支流东陶村附近，两坝址区间无支流汇入，控制流域面积基本一致。坝址以上控制流域面积5.53 km2，主河道长度5.374 km，河道平均纵坡25.45‰。项目区属温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春季多风，年平均气温12.7°C，最低气温-18.3°C，最高气温41.0°C，多年平均降雨量540 mm 左右，降雨量多集中在7 月、8 月和9月三个月，三个月降雨量约为全年降雨量的65%～75%。每年初霜期多在10 月下旬，终霜期多在4 月中旬，全年无霜期200 d 左右，每年12 月、1 月和2 月平均温度在0°C 以下。项目区所在位置西连太行山地，东接华北平原，总体地势是西北、西部高，东南、东部低。管道沿线为低山丘陵-河流冲、洪积地貌，地势起伏较小，总体地势西高东低。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，该工程所在的三陵乡Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.15 g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s，相当于地震烈度Ⅶ度。

本项目供水目标为大磨山区域生态、景观植被用水，年总需水量为67.3 m3，已包含在紫山现代产业园区的需水量中，根据审查通过的《紫山文化旅游休闲产业园紫云湖生态补水工程可行性研究报告》（2019 年5月），其可供水量可满足规划范围紫云湖和紫山现代产业园区需水要求，故本项目需水可以满足，供水有保障。

2 工程设计方案比选

本次设计新建1 座引水泵站，再铺设供水管道将水引至大磨山产业园区。在选择泵址和管道路线时要尽量避免穿越村庄及房屋等建筑物，减少永久建筑物占地。

2.1 泵址及输水管线的选择

根据前期到现场的考察，泵站的修建位置有两个方案。方案一：泵站建在309 国道以南约30 m 处，东、西陶庄之间的狭长谷地的右岸，再通过管道将水引至大磨山区域，管道全长约1 000 m。方案二：泵站建在309 国道以北，规划紫山生态水源涵养区最末端拦河坝的上游，再通过管道将水引至大磨山区域，管道全长约1 800 m。

输水管线的选择有三个方案。方案一：从泵站一引出，沿309 国道向西北方向引至大磨山区域，全长约1 000 m。方案二：从泵站二引出，沿冲沟向南，穿过东陶庄桥，沿方案一路线引至大磨山区域，全长约1 800 m。由于要下穿东陶庄桥，管线高程变化较大，沿线应布设排泥井和排气井。方案三：从泵站二引出，向西引至309 国道桥下，水自流入大磨山区域，全长约1 200 m。此路线要穿过紫山和陈大线公路，施工难度较大。

综合泵址和输水管线考虑，方案一引水泵站造价低，施工方便，输水管道长度短，沿线开挖量小，施工占地问题易协调，所以选择方案一，即将泵站建在309 国道以南约30 m 处，东、西陶庄之间的狭长谷地的右岸，沿309 国道向西北方向铺设管道将水引至大磨山区域，全长约1 000 m。

2.2 水泵型号的选择

工程中常用的水泵有离心泵、轴流泵、混流泵和潜水排污泵等，不同水泵的性能和适用范围也不同。离心泵的流量和扬程适用范围较广、效率较高，启动前泵内须先充水或真空引水，启动时出水阀门关闭，但安装高程受到水泵汽蚀余量的制约，对水质要求较高[1]；轴流泵的流量大、扬程低，常用于水位变幅不大的大型泵站和水厂内的提升泵站或排水泵站等，泵房占地面积小，电动机安装在泵房上部的电机层内，但在低流量时工作效率低，水泵工作不稳定；混流泵适用于流量大、扬程低的泵站，扬程比轴流泵高，抗气蚀性能和效率比轴流泵高，与同尺寸水泵相比，流量大于离心泵但小于轴流泵，扬程高于轴流泵但低于离心泵，水质要求为清水或轻度污水；潜水排污泵的流量与扬程适用范围较广，水泵与电动机联接为一体，直接放入水中抽水，可简化取水构筑物与取水泵房工程，对设备的制造和绝缘性能要求较高，水质适用范围较广[2]。

本次新建泵站的引水规模根据园区规划，按峰值1 万m3/d 考虑，即0.12 m3/s，设计扬程为32 m。如果选用离心泵，泵房占地面积较大，且水泵安装高程受到汽蚀余量的制约，现状冲沟较深，约13 m，泵房需做成地下式，增加施工难度及土建工程量；潜水排污泵流量及扬程范围均适合，且结构紧凑，占地面积小，安装维修方便，不受水质条件约束。综上对比，并结合泵站在区域中的位置及重要性、建设规模、运行稳定的重要性等方面考虑，确定本工程中水泵型式采用潜水排污泵。

2.3 输水管道管材的选择

目前国内外常用的压力管道主要有钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、聚氯乙烯管（PVC）和聚乙烯管（PE）等。

钢管具有很好的机械强度，可以承受较高的内压和适度的外压，但耐锈蚀性差，如内外防腐及电化学保护不完善，使用寿命较短。球墨铸铁管的耐腐蚀性优于钢管，机械加工性能好，可焊接、切割、钻孔，施工方便，不易漏水。玻璃钢管比热塑性塑料管的耐腐蚀性能和耐温性能更强，不需作内外防腐，运输方便，施工快捷。聚氯乙烯管（PVC）具有较好的抗拉、抗压强度，耐腐蚀性优良，管材硬度高，但在外力下易脆裂。聚乙烯管（PE）的化学稳定性和耐腐蚀性强，管道内壁光滑、阻力系数小，相对于金属管材，PE 管的重量轻、韧性好、施工方便[3]。

本工程地质情况相对较复杂，管材的选择应倾向于对地形及地基适应能力强的管材。另一方面，本工程的建设期比较短，工期比较紧，工程任务重，管材的选择应倾向于运输、施工工艺简单，接口方便可靠的管材。综上对比，本工程施工时推荐采用聚乙烯管（PE）。

3 工程方案设计

3.1 泵站设计

按泵站引水方向依次布置的主要建筑物有进水池、阀门井和输水管道。泵站形式采用前池式，前池位于现状冲沟内侧，采用C25 钢筋混凝土结构，容积的确定应满足5 min 进水量，平面尺寸定为7 m×5 m，池深1.4～2.2 m，池壁和池底板厚度均为0.3 m，放置水泵处上方应设置拦污栅，避免杂物垃圾进入水池堵塞水泵进水管。泵站设计流量为0.12 m3/s，设计扬程为32 m，拟采用2 台200WQ250-35-45 型潜水排污泵，呈一列式布置，单泵功率为45 kW，出水管均采用DN200 钢管。河底采用17.7 m长、0.5 m 厚M10 浆砌石护底，下设0.1 m 厚碎石垫层，冲沟右侧边坡采用1∶2，采用0.5 m 厚M10 浆砌石护坡，下设0.1 m 厚碎石垫层，沿坡度方向每8 m 设一道伸缩缝，缝宽2 cm，缝内填充闭孔泡沫板。为保证管道安全稳定，沿坡设置C25 素混凝土支墩。

进水池为矩形，修建于冲沟内坡脚处，采用C25 钢筋混凝土结构，上游进口处池深1.4 m，高出河底0.1 m，其余池深1.5 m，高出河底0.2 m，池底高程为169.15 m，放置水泵处池深2.2 m，池底高程为168.45 m。进水池长7 m，宽5 m，池壁和池底板厚度均为0.3 m，底板下设0.1 m 的C10 素混凝土垫层。进口处设M10 浆砌石导墙，使水流平顺进入进水池。

管道系统首部设置阀门井，采用C25 钢筋混凝土结构，平面尺寸为2.6 m×3.3 m，边墙和底板厚度均为0.3 m，底板下设0.1 m 的C10 素混凝土垫层。阀门井内设电磁流量计、空气阀、传力伸缩节、缓闭止回阀及控制蝶阀。该系统从渠道内取水，接入供水管道实现供水。泵站总体平面布置图如图2 所示。