汕尾市区供水节水改造工程设计方案分析研究

2022-10-13陈湘

水利科学与寒区工程 2022年9期

陈湘

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东广州 510000)

1 工程概况

汕尾市位于广东省粤东沿海，珠江三角洲与海峡经济圈中间，北纬22°37′29″—23°28′33″，东经114°54′46″—116°13′16″，与香港一水之隔，南临红海湾和碣石湾，西濒惠州市，东接揭阳，北部与梅州、河源接壤[1-3]。汕尾市区地表饮用水源基本依靠公平水库通过公平干渠引水到赤沙水库，经调研，采用明渠输水的方式，公平水库流入公平干渠的水约1.36亿m3，只有0.55亿m3进入赤沙水库，大概3000多万m3的水通过渗漏、蒸发损失掉，在这种损失条件下，2025年公平水库将不能满足各用水户的用水需水。明渠输水的方式也会影响水质，存在生活垃圾和生活污水污染水质的可能。因此，急需对汕尾市区的供水方式进行工程改造，通过封闭式管道输水至赤沙水库，能有效防止输水过程水质污染和公平干渠工程损坏对供水的威胁，大幅度减少输水损失，大大提高公平水库水资源利用效率，缓解汕尾城区供水压力。

2 工程规模

2.1 工程等级与标准

本工程输水管道设计引水流量Q=4.8 m3/s，年平均取水量1.08亿m3。根据《防洪标准》(GB 50201—2014)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)及《调水工程设计导则》(SL 430—2008)的规定[4]，按照本工程供水对象的重要性，确定本工程的工程等别为Ⅱ等大(2)型。相应主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。主要建筑物包括引水渠道、进水闸、加压泵站、渠道挡水闸、输水管道、输水隧洞、高位水池、过河倒虹吸等。次要永久建筑物包括管道检修道路、厂区附属建筑物等。

本工程供水对象主要为汕尾城区及红海湾开发区的生活和工业用水，根据《防洪标准》(GB 50201—2014)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)、《调水工程设计导则(附条文说明)》(SL 430—2008)和《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)[5]，确定取水口进水闸、加压泵站、输水管道等主要建筑物的洪水标准为50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；次要建筑物的防洪标准为30年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。

2.2 设计引水流量

设计引水流量由三部分叠加，一是入赤沙水库的引水流量，二是可塘陶河镇引水流量，三是检修期备用流量。本工程设计管道规模取远期的4.8 m3/s。最终计算结果见表1。

3 工程建筑总体布置

管线全长约为26.83 km，其中，管道埋设长度约24.17 km，顶管长1.35 km，隧洞长0.31 km，利用现状隧洞长1.00 km，期间穿越高速公路2次、一、二级公路5次、干渠3次、九龙河及东溪河各1次。

表1 赤沙～公平水库引水管道计算结果 m3·s-1

(1)公平泵站枢纽工程。公平泵站枢纽由进水闸、引水渠、泵站前池、主厂房、副厂房、安装间、挡水闸等建筑物组成。

公平泵站布置在公平水库副坝下游，取水口位于干渠首段转角处，从公平干渠引水。取水口设计流量为4.8 m3/s。

(2)埋管。管线埋管段长24.17 km，管内径为2.0 m，其中，普通埋管23.40 km，跨一般渠道/河道埋管0.43 km，穿一般公路埋管0.32 km。高位水池前段埋管管材采用球墨铸铁管(DIP)，高位水池后段埋管管材采用预应力钢筒混凝土管(PCCP)。

(3)隧洞。潭头垅输水隧洞长306 m，洞内径为2.0 m，桩号为E3+784.27～E4+091.03。

(4)跨东溪河倒虹吸。跨东溪河倒虹吸长260 m，管内径为2.0 m，桩号E18+577～E18+840。

(5)顶管。管线顶管段长1350.6 m，其中，穿过高速公路和一、二级公路采用套管型式，顶管套管管径为2.2 m，内置钢管管径为2.0 m。而在横穿干渠及东溪河位置顶管管材采用钢管，管径为2.0 m。

(6)附属建筑物。附属建筑物有：建筑量水间、阀室、检查井、排泥阀、进(排)气阀、调压室、高位水池。

(7)赤沙泵站技术改造。为了保证管路检修前水库能蓄够水量，须对赤沙泵站机组进行技术改造。泵站原装4台机组(3用1备)，单机设计流量2.42 m3/s，现对全部机组进行更换，根据上一级泵站公平泵站的装机3台机组(2用1备)和设计流量4.80 m3/s，赤沙泵站作为其二级泵站运行要与之相配套，故赤沙泵站的设计流量和公平泵站一样为4.80 m3/s，装机2台，单机设计流量2.40 m3/s。

赤沙泵站已建成投入使用，现泵站进水口设有4个闸孔，闸孔预留有1道拦污栅栅槽和1道检修闸门门槽，无任何门(栅)槽埋件和其他金属结构设备，拟对其中2个闸孔进行改造升级。泵站右侧水库自流进水渠的末端目前已破损，本次对进水渠进行修复加固，采用C30混凝土重力式结构与现有渠道挡墙衔接。

4 设计计算

4.1 输水建筑物水力设计计算

4.1.1 管道水头损失计算

本工程管材主要为预应力钢筒混凝土管(PCCP)和球墨铸铁管(DIP)。管道水头损失计算公式(1)～公式(2)如下：

h=hf+hj

(1)

(2)

式中：hf为沿程水头损失，m；hj为局部水头损失，m；ξ为局部水头损失系数；v为管道断面水流平均流速，m/s。

沿程水头损失采用式(3)～式(4)计算：

(3)

(4)

式中：C为流速系数；R为水力半径，m；L为管道长度，m；n为管道的粗糙系数，取0.0125；y取1/6。球墨铸铁管设计粗糙系数n值取0.012。局部水头损失按沿程水头的15%计算。公平泵站～高位水池和高位水池～赤坑隧洞前池输水管线水头损失计算结果如表2、表3所示。

表2 公平泵站～高位水池输水管线水头损失计算 m

表3 高位水池～赤坑隧洞前池输水管线水头损失计算 m

4.1.2 公平泵站扬程计算

根据赤坑隧洞前池水位、公平泵站前池水位、高位水池及管道水损推算近远期在不同流量下泵站最低扬程、设计扬程及最高扬程。计算结果如表4所示。

表4 公平泵站扬程计算 m

4.2 公平泵站枢纽设计计算

4.2.1 泵站厂房稳定及地基应力计算

作用在厂房上的荷载主要有：结构自重、静水压力、扬压力、土压力、泥沙压力、波浪压力、地震作用等。

根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)，对泵站厂房的基地应力进行计算，计算结果如表5所示。

从表5结果可以看出：抗滑、抗浮稳定安全系数计算值Kc、Kf均大于规定允许值，满足规范要求；厂房基底最小应力均>0，最大应力152.3 kPa。泵站基础位于砂砾卵石层，局部位于粗砂层，承载力特征值为200～400 kPa，满足承载力要求。泵站为大体积混凝土结构，局部应力较大，对地基要求较高，考虑到施工开挖对粗砂层的局部扰动，在泵站增加一层600 mm厚的6%水泥碎石夹砂垫层。

表5 公平泵站厂房稳定计算成果

4.2.2 闸室整体稳定及地基应力计算

根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)规定，不同荷载组合计算公平泵站进水闸闸室和公平灌渠挡水闸闸室基底应力及稳定结果如表6所示。

从表6计算结果可以看出：公平泵站进水闸闸室及公平灌渠挡水闸天然地基承载力可满足设计要求，无须进行地基处理，抗滑稳定安全系数大于规范允许值。

表6 基底应力及稳定计算成果

4.2.3 挡墙稳定及地基应力计算

根据泵站枢纽挡墙布置及地基情况，选取泵站前池扶壁式挡墙作为稳定计算对象。选取以下几种计算工况：

(1)基本组合Ⅰ：完建工况，挡墙背水侧无水，临水侧为无水；

(2)基本组合Ⅱ：正常挡水位，挡墙背水侧为地下水位常水位，临水侧为设计运行水位；

(3)基本组合Ⅲ：检修工况，挡墙背水侧为低水位，临水侧为无水；

(4)特殊组合Ⅰ：最高挡水位，挡墙背水侧为地下水位常水位，临水侧为设计运行水位；

(5)特殊组合Ⅱ：地震工况，挡墙背水侧为低水位，临水侧为设计运行水位。

本工程引水渠前池挡墙属2级建筑物，按照《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)规定，抗滑稳定安全系数允许值基本组合取1.30，特殊组合Ⅰ取1.15，特殊组合Ⅱ取1.05，取抗倾覆稳定安全系数允许值基本组合取1.50，特殊组合取1.40。稳定及地基应力计算成果见表7。表中“—”，表示数值较大，计算已满足要求。

从表7计算结果可以看出：引水渠前池挡墙最大应力183.53 kPa，该挡墙坐落于砂砾卵石层上，天然地基承载力可满足设计要求，无须进行地基处理。基底应力分布合理，应力比都不大，均满足规范要求。抗滑、抗倾稳定安全系数大于规范允许值。

表7 挡墙稳定及地基应力计算成果表

4.3 管道稳定及基底应力设计计算

本工程项目中潭头垅高位水池前段管线约4.47 km，采用球墨铸铁管(DIP)，管径为2.0 m，管基采用C15混凝土120°包角；在高位水池后段约21.39 km管材采用预应力钢套筒混凝土管(PCCP)，管径为2.0 m，管基采用C15混凝土或级配碎石垫层120°包角。在弯头、过路、过沟、顶管采用钢管，管基采用外包0.5厚混凝土。并根据荷载组合，对DN2000球墨铸铁管及PCCP管进行基底应力计算，计算结果如表8所示。