張家口市區(qū)及崇禮縣補(bǔ)水工程設(shè)計(jì)

楊建中

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

1 工程概況

張家口市區(qū)、崇禮縣補(bǔ)水工程從白河流域的云州水庫引水，通過多級泵站加壓和壓力管道輸送至白河流域與清水河流域的分水嶺，一支穿過分水嶺通過重力自流管道經(jīng)崇禮縣送入張家口市區(qū)，一支繼續(xù)提水至崇禮縣滑雪場。管道沿線途經(jīng)赤城縣、崇禮縣和張家口市區(qū)，跨越白河、清水河兩個流域。由于建設(shè)規(guī)模大，工程分期實(shí)施，一期工程主要為崇禮縣和赤城縣滑雪場供水，二期工程實(shí)施向張家口市區(qū)和崇禮縣東溝供水，一期建設(shè)時土建工程滿足二期要求。

本文重點(diǎn)介紹一期工程。

2013年11月5日，中國奧委會宣布同意北京和張家口聯(lián)合申辦2022年冬季奧運(yùn)會。其中，北京承辦冰上項(xiàng)目，張家口市崇禮縣承辦雪上項(xiàng)目。如果申辦成功，北京將成為歷史上第一個舉辦過冬季和夏季奧運(yùn)會的城市。

崇禮縣境內(nèi)獨(dú)特的地形地貌，豐富的資源優(yōu)勢，使這里已經(jīng)成為開展滑雪運(yùn)動的理想場所，其雪道也因舉辦過多項(xiàng)國際賽事而相對成熟。崇禮滑雪場憑借其特有的地理、環(huán)境、資源優(yōu)勢，將作為冬奧會的主要滑雪場地。但由于滑雪場和度假村多位于海拔較高的老虎溝附近，沒有固定水源，取水多為臨時水源或從山下往上運(yùn)，保證率低。水源短缺已嚴(yán)重影響了崇禮縣滑雪業(yè)規(guī)模的發(fā)展，本工程的實(shí)施，可有效解決旅游區(qū)的用水問題，為冬奧會的申辦和崇禮縣旅游業(yè)的發(fā)展提供水源保障。

一期工程供水覆蓋范圍包括崇禮縣的萬龍滑雪場、多樂美地滑雪場、長城嶺滑雪場、密苑度假區(qū)等滑雪場地，以及赤城縣正在規(guī)劃中的摩天嶺滑雪場等。滑雪場雪道面積400萬m2，景區(qū)需水量470萬m3/a。

一期工程向崇禮和赤城縣旅游區(qū)滑雪場調(diào)水484萬m3/a，設(shè)計(jì)流量0.4m3/s，供水時段為每年10月～次年3月。取水口最低水位1026.67m，滑雪場處高程2055m，二期分水口高程1356m。

建設(shè)內(nèi)容包括：揚(yáng)水干線泵站4座（只安裝一期設(shè)備），支線泵站6座，DN600mm（局部DN800mm）鋼管道21.9km，3座隧洞總長8.2km，末端設(shè)3萬m調(diào)蓄水池1座。

2 地質(zhì)

工程穿越區(qū)地處內(nèi)蒙古高原向華北平原的過渡帶，位于陰山山脈東段支系大馬群山和燕山山脈北側(cè)余支交匯部位，屬于冀西北山間盆地單元的火山巖及古老變質(zhì)巖隆起形成的中、低山及沖蝕黃土峁、黃土臺地地貌小單元，山脈走向多呈北東向，山體多為渾圓型，個別呈陡峻的倒“V”型。表層覆蓋碎石土、黃土、黃土狀土、輕粉質(zhì)壤土、植被土等地層。管道沿線溝谷山地相間，一般溝谷多呈 “U”型，溝寬3～150m，相對溝深 20～180m。

地層巖性主要為：①太古界桑干群（Ars）；②太古界桑干群（Arh）；③燕山期花崗巖（γ25）；④侏羅系張家口組（J3z）；⑤第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）；⑥第四系全新統(tǒng)坡洪積（Q4dl+pl）；⑦第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）。

工程穿越區(qū)主要跨越兩個Ⅳ級構(gòu)造單元，為一級構(gòu)造單元中朝準(zhǔn)地臺（Ⅰ2）、內(nèi)蒙臺背斜（Ⅱ12）、Ⅲ級構(gòu)造單元分別為冀北陷斷的Ⅳ級構(gòu)造單元驛馬圖—貓峪臺凸，以及山西臺背斜（II級）之冀西陷斷的宣龍復(fù)式向斜（IV62）的崇禮凸起。兩個II級構(gòu)造單元的分界線以尚義—赤城深斷裂為界。

工程穿越區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，常年風(fēng)多雨少，氣候變化無常，多年平均降水量426.8mm，大部分集中在6～9月，多年平均氣溫7.5℃。管線沿路標(biāo)準(zhǔn)凍深1.5～2.3m，山陰坡局部地段最大凍深可達(dá)2.5m。

3 工程設(shè)計(jì)

本工程供水對象重要性屬中等。根據(jù)SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，并根據(jù)工程的重要程度，確定工程等別為三等，相應(yīng)的管線、泵站等建筑物確定為3級，其他的附屬構(gòu)筑物和次要建筑物為4級，地震設(shè)計(jì)烈度為7°。

3.1 取水口設(shè)計(jì)

工程取水自云州水庫，云州水庫位于張家口市赤城縣云州鎮(zhèn)北3km處，距赤城縣城20km，系潮白河主要支流白河上的一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電的大（II）型水利樞紐工程。水庫大壩位于兩山中間，兩岸山勢陡峻。庫區(qū)呈“Y”字形，被中間山丘分隔成左（東）、右（西）兩個庫區(qū)。供水目標(biāo)位于水庫以西，大壩右岸附近山勢陡峻，大壩上游600m以上右?guī)彀兜貏菹鄬ζ骄?。結(jié)合云州水庫地形情況，取水口位置考慮3個方案。

3.1.1 方案1

利用云州水庫主壩下部的發(fā)電輸水洞新設(shè)取水豎井，豎井內(nèi)設(shè)置檢修閘門，供電站和工作閘門使用，豎井處地質(zhì)為弱風(fēng)化花崗巖。在豎井內(nèi)閘門前的側(cè)壁上設(shè)洞口并開挖850m長隧洞引水至一級泵站，隧洞圍巖為弱風(fēng)化花崗巖，級別為Ⅲ級。直接費(fèi)1700萬元。工程布置相對復(fù)雜，需設(shè)置豎井與發(fā)電輸水隧洞連接，后再設(shè)引水隧洞。該方案投資小，受水庫水位及沖淤變化的影響小，施工條件相對便利，工期較短，且不需設(shè)置圍堰。但運(yùn)行管理需與水庫調(diào)度管理交叉，管理不方便，且豎井位于右壩肩，豎井施工爆破對壩肩有一定影響。

3.1.2 方案2

將取水口設(shè)在庫區(qū)內(nèi)一沖溝匯入處，采用隧洞式取水口，泵站布置在岸邊，通過設(shè)置引水箱涵連接取水口和泵站前池，地層以碎石土為主。為施工方便，利用引水渠將泵站前池與庫區(qū)連通，先行施工泵站附近工程，利用泵站部分與庫區(qū)間的岸坡作為圍堰，待泵站主體工程完工后，再根據(jù)水位降落情況陸續(xù)開挖引渠。直接費(fèi)2500萬元。該方案工程布置相對簡單，運(yùn)行管理明確，與水庫管理交叉少。但取水口受水庫及沖溝淤積影響嚴(yán)重，且不具備沖沙條件，施工中受水位影響大，引水渠開挖和襯砌仍需布置圍堰，沖溝處水保措施復(fù)雜。

3.1.3 方案3

將取水口設(shè)在庫區(qū)內(nèi)，采用壓力墻式進(jìn)水口，泵站布置在岸邊，通過開挖岸坡形成進(jìn)口段，進(jìn)口段與泵房間設(shè)進(jìn)水室，進(jìn)水室內(nèi)設(shè)置檢修閘門、攔污柵及格網(wǎng)，地層以碎石土為主。為滿足施工要求，按正常蓄水位高度修筑施工圍堰。直接費(fèi)2100萬元。該方案取水口避開沖溝，受淤積及沖溝洪水影響??；取水口結(jié)構(gòu)簡單，施工難度??；工程區(qū)相對獨(dú)立，施工對水庫影響最??；運(yùn)行管理單一，隸屬關(guān)系明確，管理方便等。最不利因素為圍堰填筑，但結(jié)合開挖可采用筑島圍堰法加快施工進(jìn)度。

經(jīng)綜合比較，取水口確定為方案3，即岸邊式泵站。

3.2 泵站級數(shù)確定

按照CECS193—2005《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)水泵加壓總揚(yáng)程大于90m時，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇加壓級數(shù)。根據(jù)地形條件及總體布置，分水口位置高程1356.0m，與取水口最低水位1026.67m相比，揚(yáng)水干管幾何高差329.33m，需設(shè)置多級泵站。揚(yáng)水支管揚(yáng)至滑雪場，末端高程2055.0m，與分水口高程相比，幾何高差699m，需設(shè)置多級泵站。

單級泵站揚(yáng)程根據(jù)管道現(xiàn)有技術(shù)條件、供水對象、運(yùn)行情況等因素確定。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件情況，單級泵站揚(yáng)程在100m左右是安全且經(jīng)濟(jì)的。從供水對象上分析，干線泵站供水對象重要性及要求的安全系數(shù)相對較高。支管供水對象只有滑雪場，供水對象單一且為間歇引水，有充足的檢修時間，安全系數(shù)可相對低些，且?guī)缀胃卟钶^高。從運(yùn)行管理角度分析，泵站級數(shù)越少，管理越方便，泵站工程投資越少。同時，考慮運(yùn)行檢修的方便及備品備件的綜合使用，多級泵站的揚(yáng)程接近甚至一致是最利于運(yùn)行管理的。綜合分析，結(jié)合工程線路選擇，并考慮泵站站址的局限性，確定干線設(shè)4級泵站，支線設(shè)6級泵站。各級泵站水泵型式及特性見表1。

表1 各級泵站水泵型式及特性

3.3 隧洞布置

管道沿線需穿越幾個小分水嶺，若沿山體鋪設(shè)管道則會增加泵站揚(yáng)程，且水錘作用大，不安全也不經(jīng)濟(jì)。因此，在線路選擇時布置了3條隧洞，其中揚(yáng)水干線布置2條，揚(yáng)水支線布置1條?？紤]工程的運(yùn)行安全和施工空間要求，均為無壓隧洞，縱坡為1/5000。隧洞采用城門洞型，為減少滲漏，過水?dāng)嗝婢捎娩摻罨炷烈r砌，標(biāo)準(zhǔn)斷面襯砌后隧洞寬1.8m。

揚(yáng)水干線兩條隧洞分別長6.02km和1.24km，揚(yáng)水支線隧洞長0.92km。揚(yáng)水干線1號隧洞最長，且山體高厚，隧洞布置成直線則不具備布置施工支洞的條件。根據(jù)多次踏勘，在樺嶺溝位置處有一沖溝，洞頂埋深小，具備布置施工支洞或出露地面的條件。為了加快施工進(jìn)度，1號隧洞在進(jìn)、出口間以折線布置，隧洞長5.9km，連接涵洞長120m。此布置雖使隧洞長度增加200m，但施工最長進(jìn)洞長度由2.9km減小到1.5km，工期和施工費(fèi)用大大減小。

隧洞進(jìn)、出口盡量選擇在了土體自穩(wěn)條件較好、挖方量小、汛期安全的地段，并采用明洞、管棚等保護(hù)措施后進(jìn)洞，同時采取洞臉噴錨和漿砌塊石護(hù)坡等加固措施，做好洞臉及地面排水、洞口防洪等設(shè)施。根據(jù)地形地質(zhì)條件，經(jīng)多次比選，除揚(yáng)水干線1號隧洞進(jìn)口為土洞外，其他洞口均為巖石洞口，洞口采用噴錨支護(hù)。

3.4 調(diào)壓塔的設(shè)置

干線1號隧洞出口設(shè)計(jì)水位1279.51m，后接3053m長DN800mm管道至干線4級泵站，根據(jù)地形條件，水泵中心高程確定為1263.5m。為防止溢流并充分利用水頭，4級泵站內(nèi)不再設(shè)置清水池，直接利用1號隧洞做為泵站的前池。由于吸水管長，類似于一個串聯(lián)泵站，根據(jù)GB50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中第9.1.8條“串聯(lián)運(yùn)行的水泵，其設(shè)計(jì)流量應(yīng)接近，串聯(lián)運(yùn)行臺數(shù)不宜超過2臺，并應(yīng)對第二級泵的泵殼進(jìn)行強(qiáng)度校核?！钡囊?，經(jīng)咨詢水泵廠家，泵殼吸水側(cè)最高承受的水頭為30m，經(jīng)計(jì)算，停泵時吸水管內(nèi)的最高壓力水頭大于允許值，因此，此種布置運(yùn)行不安全。

為了解決此問題，在干線4級泵站內(nèi)設(shè)置了溢流式調(diào)壓塔，將吸水管長度變?yōu)?0m，降低了吸水管內(nèi)的水錘壓力，保證了水泵的安全運(yùn)行。調(diào)壓塔為鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為 6m×8m×13.5m（寬×長×高），容積600m，塔內(nèi)設(shè)置溢流口，溢流水位1281.75m，溢流后的水通過DN800mm管道排至廠區(qū)外。

3.5 水錘分析與防護(hù)

本工程的特點(diǎn)是長距離、高揚(yáng)程，且地形起伏大，單級泵站揚(yáng)程96～142m，因此，水錘分析與防護(hù)是工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中運(yùn)用Bentley Hammer水力計(jì)算軟件進(jìn)行了全過程的水力過渡分析，對管道系統(tǒng)進(jìn)行了突然停泵、啟泵、正常運(yùn)行等工況的水錘計(jì)算。通過計(jì)算可知，停泵工況水錘影響最大，無水錘防護(hù)措施情況下，管道水錘升壓、管道負(fù)壓、水泵最大反轉(zhuǎn)數(shù)大于規(guī)范要求值，不滿足要求；且局部段管道存在發(fā)生斷流和斷流彌合水錘的可能。最終確定了由大容積立式內(nèi)膽式水錘消除罐、多功能水泵控制閥及進(jìn)排氣閥等組成的水錘防護(hù)系統(tǒng)。尤其是大容積立式內(nèi)膽式水錘消除罐在我省水利工程中的使用尚屬首次。

為保護(hù)水泵，泵后均安裝逆止閥。常用的有多功能水泵控制閥和液控蝶閥?？紤]水泵出口管道直徑較小，為DN300～DN500mm，液控蝶閥或液控偏心半球閥都存在著費(fèi)用較高、需設(shè)液壓站及閥門尺寸大等缺點(diǎn)。綜合比較，泵后逆止閥采用多功能水泵控制閥。進(jìn)、排氣閥采用氣缸式全壓高速進(jìn)、排氣閥。

立式內(nèi)膽式水錘消除罐的用途是為了防止水錘壓力及水位波動對供水系統(tǒng)的危害，使輸水系統(tǒng)平穩(wěn)地從一個狀態(tài)過渡到另一個狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生水錘輸水管內(nèi)壓力升高時，罐內(nèi)空氣被壓縮，起氣墊作用；當(dāng)輸水管內(nèi)形成負(fù)壓時，向管道補(bǔ)水。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)中采用內(nèi)膽式水錘消除罐的規(guī)格和數(shù)量見表2。

表2 立式內(nèi)膽式水錘消除罐規(guī)格和數(shù)量

由于大體積的產(chǎn)品國內(nèi)目前不能生產(chǎn)，所以采用了從法國Charltte公司進(jìn)口的內(nèi)膽式水錘消除罐，單體的部件包括鋼制罐體；內(nèi)置的丁基橡膠制成的內(nèi)膽（符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)）；內(nèi)膽防護(hù)格柵，通過法蘭與管道連接。特點(diǎn)為密閉容器，無污染，無需人工管理和維護(hù)。運(yùn)行過程為：①罐內(nèi)預(yù)充氣體，其初始壓力符合水錘計(jì)算結(jié)論 （可使用壓縮空氣或壓縮氮?dú)猓?。在此階段橡膠內(nèi)膽的內(nèi)部容積為零。②當(dāng)連通閥開啟后，水進(jìn)入罐內(nèi)同時壓縮罐內(nèi)空氣的體積，直至罐內(nèi)壓力與管道壓力達(dá)到平衡。③在發(fā)生停泵水錘時，橡膠內(nèi)膽中儲存的水必需立即在橡膠彈力的作用下快速注入管道，以避免管道內(nèi)形成負(fù)壓。④在水錘的第二階段，水在管道內(nèi)倒流時，內(nèi)膽式水錘消除罐會在罐內(nèi)氣壓和橡膠內(nèi)膽彈力的緩沖下，以合理較慢的速度吸入管道內(nèi)的水，吸收管道內(nèi)回流水柱的能量，防止出現(xiàn)回流水柱沖擊管道或止回閥，造成管道內(nèi)發(fā)生瞬間壓力大幅度躍升的事故工況。⑤根據(jù)水錘分析報告和水錘消除方案選定內(nèi)膽式水錘消除罐的預(yù)設(shè)壓力、罐內(nèi)容積和橡膠內(nèi)膽的彈力，以保證在水錘事故工況下防護(hù)方案的充分有效，避免發(fā)生水錘事故破壞泵站，管道及其他設(shè)備。⑥由于泵站突然斷電的事故不可預(yù)知，水錘消除罐會實(shí)現(xiàn)免維護(hù)性能，即無需日常維修維護(hù)，并可以直接通過外置壓力監(jiān)測設(shè)備檢查其是否處于正常工作狀態(tài)。

4 結(jié)語

（1）云州水庫供水對象為灌區(qū)和電站，一般年份有棄水。本工程選用云州水庫作為崇禮縣滑雪場用水和張家口市區(qū)、東溝的補(bǔ)水水源，既解決了受水區(qū)的水源短缺問題，又提高了云州水庫水的利用效率。同時，作為滑雪場地的一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，對2022年冬奧會的申辦具有重要作用。

（2）工程位于張家口赤城縣和崇禮縣境內(nèi)山區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，路由選定難度大，經(jīng)多次沿線實(shí)地查勘，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理及施工難易等多方面的比較，從5個方案中確定了最優(yōu)方案。通過10級泵站和有壓管道、自流隧洞的有效組合，實(shí)現(xiàn)了將水提升1029m高的目的，工程布置經(jīng)濟(jì)合理。同時也實(shí)現(xiàn)了河北省水利工程一個新突破，泵站級數(shù)之多，總揚(yáng)程之大，在我省尚屬首例，在長距離、高揚(yáng)程引調(diào)水工程設(shè)計(jì)中也具有一定的代表性。

（3）通過內(nèi)膽式水錘消除罐、調(diào)壓塔等新技術(shù)的使用，有效解決了高揚(yáng)程、多起伏山區(qū)泵站的水錘防護(hù)問題，為類似工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

［1］GB50265—2010，泵站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL279—2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50069—2002，給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院.張家口市區(qū)、崇禮縣補(bǔ)水工程水資源論證報告［R］.2008.

［5］河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院.張家口市區(qū)、崇禮縣補(bǔ)水工程項(xiàng)目申請報告［R］.2010.

［6］河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院.張家口市區(qū)、崇禮縣補(bǔ)水工程（一期）初步設(shè)計(jì)報告［R］.2012.

［7］劉竹溪，劉光臨.泵站水錘及其防護(hù)［M］.北京：水利電力出版社，1988.