延安市南溝門(mén)水庫(kù)北線供水工程取水位置及方案比選探析

康勇

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710000）

延安市南溝門(mén)水庫(kù)北線供水工程取水位置及方案比選探析

康勇

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710000）

本文對(duì)南溝門(mén)水庫(kù)北線供水工程取水口位置進(jìn)行了壩后取水和庫(kù)內(nèi)取水的詳細(xì)論證，并對(duì)庫(kù)內(nèi)取水建筑物型式進(jìn)行了浮船式泵站取水和岸邊豎井式泵站取水方案的比選，綜合比較選取了南溝門(mén)水庫(kù)庫(kù)內(nèi)浮船取水方案，對(duì)同類工程有一定借鑒作用。

南溝門(mén)水庫(kù)；取水口位置選擇；取水建筑物型式選擇；方案比選

1 概況

延安市南溝門(mén)水庫(kù)北線供水工程是向延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目及華能延安電廠輸送原水的長(zhǎng)距離調(diào)水工程。兩項(xiàng)目的用水主要依托南溝門(mén)水庫(kù)可利用水源，延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目位于陜西省富縣縣城以南12km，華能延安電廠在洛川縣吉子現(xiàn)鄉(xiāng)田村。南溝門(mén)水庫(kù)位于陜西黃陵縣，水庫(kù)壩址位于葫蘆河河口上游3km處的寨頭河村南溝門(mén)附近。

南溝門(mén)水利樞紐工程建設(shè)任務(wù)為工業(yè)和城鄉(xiāng)生活供水，兼顧灌溉和發(fā)電等綜合利用。南溝門(mén)水利樞紐工程主要由大壩、溢洪道、引水隧洞及電站組成。水庫(kù)正常蓄水位848.00m，設(shè)計(jì)洪水位848.68m，死水位824.00m，相應(yīng)淤積庫(kù)容6782萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容9310萬(wàn)m3，總庫(kù)容2.006億m3。水庫(kù)壩址斷面多年平均天然徑流量為1.31億m3，南溝門(mén)水庫(kù)年總供水量1.365億m3，其中向工業(yè)供水11072萬(wàn)m3。南溝門(mén)壩后水電站裝機(jī)2500kw，多年平均發(fā)電量795萬(wàn)度。

2 取水口位置選擇

根據(jù)取水樞紐工程設(shè)計(jì)原則：應(yīng)保證在枯水季節(jié)時(shí)的枯水水位條件下，引足設(shè)計(jì)流量；在設(shè)計(jì)洪水情況下，取水構(gòu)筑物不應(yīng)受到?jīng)_刷和淹沒(méi)；利用彎道環(huán)流原理，將引水口選在彎道凹岸下游，減少有害泥沙進(jìn)入渠道，提高渠道的輸水能力，減少水泵過(guò)流部件的磨損；對(duì)取水口上游河道進(jìn)行整治，確保河床穩(wěn)定，主流靠岸，保證取水口河流暢通。由于本供水工程水源地為南溝門(mén)水庫(kù)，結(jié)合已成南溝門(mén)均質(zhì)土壩的布置，考慮的取水方式為壩后取水和庫(kù)內(nèi)取水兩種形式。壩后取水可以采用壩后引水發(fā)電洞尾水出口取水，這樣布置最簡(jiǎn)單，建造建筑物最少。壩前水庫(kù)庫(kù)內(nèi)取水應(yīng)盡量選擇在靠近壩址水流相對(duì)平穩(wěn)處。以下對(duì)這兩種方案分別進(jìn)行詳細(xì)論證。

2.1 庫(kù)內(nèi)取水口位置的選定

由于供水對(duì)象在南溝門(mén)水庫(kù)上游，因此取水口在庫(kù)內(nèi)越往上游，相對(duì)供水線路越短，投資越少，由于南溝門(mén)水庫(kù)死水位為824m，因此庫(kù)內(nèi)取水口位置應(yīng)選擇設(shè)計(jì)水平年葫蘆河河床淤積高程不高于824m處位置，并盡量選在彎道凹岸下游處，結(jié)合地形地貌及現(xiàn)場(chǎng)踏勘參考一萬(wàn)圖紙分析，庫(kù)內(nèi)適合作為取水口的位置有兩處，一處為距南溝門(mén)水庫(kù)壩址上游3.5km葫蘆河左岸史家河村附近，一處為距壩址上游8.5km葫蘆河左岸下汪村附近，見(jiàn)圖1。

圖1 取水口位置示意圖

結(jié)合這兩處取水口，根據(jù)陜西省發(fā)展和改革委員會(huì)文件（陜發(fā)改農(nóng)經(jīng)［2012］786號(hào)）批復(fù)的《陜西省延安市南溝門(mén)水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》第四章采用一維恒定不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型中淤積庫(kù)容曲線計(jì)算，水庫(kù)不同運(yùn)用年限時(shí)的淤積庫(kù)容曲線圖；水庫(kù)不同運(yùn)用年限時(shí)的庫(kù)區(qū)主槽縱剖面圖，庫(kù)區(qū)灘面縱剖面圖，綜合得出表1，由表1可知距壩址上游8.5km處下汪村附近在水庫(kù)運(yùn)行40年后，干流灘面淤積高程為822m，取水口被淤死，不滿足《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》1.0.7給水工程中構(gòu)筑物的合理設(shè)計(jì)使用年限宜為50年的規(guī)定，同時(shí)也不滿足供水保證率95%的要求，說(shuō)明距壩址8.5km下汪村取水口位置選取不合適。

表1計(jì)算結(jié)果表明，庫(kù)內(nèi)取水口確定為距壩址3.5km葫蘆河左岸史家河村附近位置，是合適的。

2.2 壩后取水

壩后取水即從南溝門(mén)水庫(kù)壩后引水渠取水，取水點(diǎn)高程810m，經(jīng)兩次加壓后輸送至廠區(qū)凈化水廠，壩后引水渠取水點(diǎn)比庫(kù)內(nèi)取水推薦的史家河村取水點(diǎn)輸水洞線長(zhǎng)約1.7km。

壩后取水的線路為南溝門(mén)電站尾水通過(guò)295m長(zhǎng)穿葫蘆河倒虹吸后接加壓站，通過(guò)1.7km長(zhǎng)輸水隧洞與庫(kù)內(nèi)史家河村取水方案在樁號(hào)0+490輸水隧洞銜接，壩后取水線路比庫(kù)內(nèi)取水推薦線路增加倒虹吸建筑物一處及1.7km長(zhǎng)輸水隧洞，減少建筑物為庫(kù)內(nèi)取水浮船（通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較取水浮船式泵站比岸邊豎井式泵站工程直接費(fèi)減少約1500萬(wàn)元，故本次比較采用經(jīng)濟(jì)的取水浮船式泵站）。由于泵站水泵機(jī)組庫(kù)內(nèi)取水與壩后取水都需要，近似認(rèn)為其費(fèi)用相同，故不考慮浮船泵站機(jī)組費(fèi)用，只考慮浮船建筑工程費(fèi)940萬(wàn)元。1.7km長(zhǎng)輸水隧洞投資為2550萬(wàn)元，倒虹吸建筑工程費(fèi)約590萬(wàn)元。故壩后取水比庫(kù)內(nèi)取水推薦線路增加工程直接投資約2200萬(wàn)元。

（1）南溝門(mén)水庫(kù)庫(kù)內(nèi)取水對(duì)南溝門(mén)水電站的影響

根據(jù)《陜西省延安市南溝門(mén)水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》可知：南溝門(mén)水庫(kù)水電站年發(fā)電量為795萬(wàn)度，計(jì)算電價(jià)為0.3元/度電，考慮線損及廠用電率，實(shí)際上網(wǎng)電量760萬(wàn)kw·h，年水力發(fā)電效益為228萬(wàn)元。

本工程從南溝門(mén)庫(kù)內(nèi)年平均引用流量1.115m3/s（年引用3210萬(wàn)m3，每年引用8000h），即南溝門(mén)水電站相應(yīng)扣除年發(fā)電量為：

表1 水庫(kù)運(yùn)行不同年份主槽(灘面)淤積高程、正常蓄水位庫(kù)容統(tǒng)計(jì)表

E年=k×Q?！罤×g×8000

E年——年發(fā)電量，kw·h；

k——水電站出力系數(shù)（取0.8）；

Q?！昧髁浚?.115m3/s）；

H——水電站出力加權(quán)平均凈水頭（30.34m）。

計(jì)算知本工程對(duì)南溝門(mén)水庫(kù)水電站年減少發(fā)電212.4萬(wàn)度，每度電價(jià)按上網(wǎng)電價(jià)0.3元計(jì)，每年對(duì)南溝門(mén)水庫(kù)水電站減少效益63.72萬(wàn)元。

（2）由于壩后取水一級(jí)加壓站高程810m，出水池設(shè)計(jì)水位847m，揚(yáng)程37m，比庫(kù)內(nèi)史家河村取水方案增加揚(yáng)程約20m，每年年運(yùn)行費(fèi)用多支付電費(fèi)約118萬(wàn)（電費(fèi)按0.5967/kw·h），見(jiàn)表2。

壩后取水較庫(kù)內(nèi)取水管理方便，能利用電站尾水，充分發(fā)揮水電站效益。庫(kù)內(nèi)取水方案較壩后取水方案線路短1.7km，距離供水對(duì)象較近，地形地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，工程布置相對(duì)簡(jiǎn)單，隧洞長(zhǎng)度較短，利于施工，一級(jí)加壓泵站凈揚(yáng)程少約20m，年運(yùn)行電費(fèi)少118萬(wàn)元，建筑工程投資約少2200萬(wàn)元。綜合比較，確定南溝門(mén)水庫(kù)北線供水取水口為水庫(kù)庫(kù)內(nèi)距壩址3.5km葫蘆河左岸史家河村附近取水。

3 取水建筑物型式選擇

取水口位置在史家河村葫蘆河左岸，適合布置浮船式泵站取水和岸邊豎井式泵站取水等構(gòu)筑物。

3.1 浮船式泵站取水方案

浮船式泵站取水方案為在取水口處庫(kù)區(qū)水面布置一艘安裝加壓水泵機(jī)組的浮船，浮船通過(guò)鋼制旋臂掛管連接岸邊拴船鉸支墩來(lái)固定，隨庫(kù)水位漲落抽水，經(jīng)加壓后至隧洞內(nèi)出水豎井。

經(jīng)選型設(shè)計(jì)，浮船長(zhǎng)33.2m，寬13m，塢艙廠房?jī)?nèi)一列式安裝4臺(tái)臥式離心水泵機(jī)組，設(shè)計(jì)運(yùn)行工況3用1備，水泵吸水喇叭管直接從庫(kù)內(nèi)抽取表層水，經(jīng)水泵加壓后4臺(tái)泵后支管在船后甲板上匯流成兩根母管，通過(guò)鋼制鉸臂懸掛輸水至岸邊鉸支墩后，雙母管爬坡輸水至壓力洞段。受浮船船體尺寸所限，泵站配電副廠房岸坡就近布置。浮船式泵站取水頭部及副廠房廠區(qū)占地面積9.5畝，建筑物工程直接投資費(fèi)用約638.6萬(wàn)元。

3.2 豎井式泵站取水方案

豎井式泵站取水方案為在葫蘆河左岸坡布置豎井泵房分層從庫(kù)內(nèi)取水，經(jīng)加壓出井后爬坡至壓力洞。

表2 取水口方案選擇及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

豎井式泵房由引渠段、閘室及啟閉機(jī)房段、豎井井筒段四部分組成。引渠段總長(zhǎng)20.5m，梯形斷面，底寬4.0m。閘室段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)7.3m，寬6.6m，分別在834.45m和820.45m兩個(gè)高程上布置兩個(gè)進(jìn)水口，工作閥上游設(shè)攔污柵，與檢修閘門(mén)共槽，檢修門(mén)為1.6m×1.6m平板鋼閘門(mén)。井筒為直徑25.0m圓形井筒，壁厚度2.0m，井高34.17m，壓力式吸水池布置在井筒最下部，設(shè)直徑10m半圓形池子、深2.0m，底板高程819.15m，吸水管進(jìn)口高程819.85m。水泵層底板高程822.65m，布置4臺(tái)臥式離心泵機(jī)組，其上分層布置水機(jī)及電氣副廠房，檢修層布置在851.82m高程。井筒頂啟閉機(jī)房為單層框架結(jié)構(gòu)，層高6.5m。

豎井式泵站方案豎井部分占地4.85畝，工程直接投資費(fèi)用約2590.66萬(wàn)元。3.3取水泵站方案確定

①浮船泵站方案

優(yōu)點(diǎn)：浮船及附屬設(shè)備統(tǒng)一從廠家采購(gòu)，廠房為鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)備到貨后擇空地現(xiàn)場(chǎng)組焊好后，沿水庫(kù)托運(yùn)至取水口對(duì)接安裝即可，具備施工安裝簡(jiǎn)單，無(wú)水下施工、土建工程量小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)調(diào)研同類型氣象條件下已成工程運(yùn)行情況，目前浮船式取水泵站已完全解決抗凍、防沖等問(wèn)題，運(yùn)行安全可靠。

缺點(diǎn)：限于泵船甲板面積不足，需在岸邊就近布置配電副廠房，主副廠房分建、運(yùn)行操作略有不便，船體及其附屬設(shè)備3～5年需定期維修養(yǎng)護(hù)，站址占地面積稍大。

②豎井泵站方案

優(yōu)點(diǎn)：主副廠房合建、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單、管理檢修方便、占地面積小。

缺點(diǎn)：豎井泵房深度較大、室內(nèi)通風(fēng)照明條件差；土石方開(kāi)挖及砼澆筑方量大、豎井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工澆筑強(qiáng)度高。

③投資費(fèi)用

從投資費(fèi)用上對(duì)比兩種取水形式，浮船式泵站取水建筑工程費(fèi)用為638.6萬(wàn)元，機(jī)電設(shè)備安裝工程為1729.43萬(wàn)元，合計(jì)約2368.03萬(wàn)元。豎井式泵站取水建筑工程費(fèi)用為2590.66萬(wàn)元，機(jī)電設(shè)備安裝工程為1037.13萬(wàn)元，合計(jì)約3627.79萬(wàn)元。綜合比較浮船式比豎井式泵站直接費(fèi)少1259.76萬(wàn)元，浮船式取水方案較為經(jīng)濟(jì)。

結(jié)合以上兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)論，雖浮船式泵站方案主副廠房必須分區(qū)布置、但泵站操控運(yùn)行為自動(dòng)化設(shè)計(jì)，減小了運(yùn)行管理強(qiáng)度，僅有船體維護(hù)這唯一缺點(diǎn)。相比豎井方案，浮船方案在土建工程量、施工安裝便利性、投資費(fèi)用上優(yōu)勢(shì)明顯，因此推薦浮船式泵站取水方案。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，南溝門(mén)水庫(kù)取水口選在水庫(kù)庫(kù)內(nèi)距壩址3.5km葫蘆河左岸史家河村附近，并采用浮船式泵站取水，不僅投資費(fèi)用上經(jīng)濟(jì)，而且管理運(yùn)行方便，工程布置相對(duì)簡(jiǎn)單，施工便利，施工工期短。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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