富縣引葫濟富調(diào)水工程設(shè)計優(yōu)化分析

(陜西省水務(wù)集團，陜西 西安 710004)

1 工程初步設(shè)計概況

1.1 項目建設(shè)的必要性

隨著富縣能源基地建設(shè)步伐的加快和國家的相關(guān)政策支持，富縣的發(fā)展進入高速發(fā)展時期，城市人口和流動人口相應(yīng)急劇增加，根據(jù)《延安市富縣縣城總體規(guī)劃(2013-2030)》，2030年富縣縣城規(guī)劃人口將達到9.5萬人，預(yù)測到2030年富縣縣城居民生活年需水量為492萬 m3/a。其次，根據(jù)富縣縣城現(xiàn)狀水平年工業(yè)產(chǎn)值，預(yù)測到2030年富縣縣城工業(yè)需水量122萬 m3/a。此外，根據(jù)《延安富縣工業(yè)園區(qū)總體規(guī)劃》，規(guī)劃至2030年富縣白草坬工業(yè)園區(qū)用水量為86萬 m3/a。故至規(guī)劃水平年2030年，富縣縣城及白草坬工業(yè)園區(qū)用水量總和為700萬 m3/a。

目前富縣縣城主要有兩處供水水源，即大申號水庫和沙西溝水庫。兩座水庫年供水量總和僅為367.5萬 m3/a，其供水量遠不能滿足規(guī)劃水平年2030年富縣縣城及白草坬工業(yè)園區(qū)用水需求。

引葫濟富調(diào)水工程，將葫蘆河的水引至大申號水庫，通過充分調(diào)蓄利用葫蘆河的引水量和大申號川的天然徑流量，合理調(diào)配區(qū)域水資源，有效的改善區(qū)域供水環(huán)境條件，使縣城周邊區(qū)域有限的水資源得到更加合理有效的開發(fā)利用。

富縣引葫濟富調(diào)水工程主要由三大部分組成：(1)水源取水工程，葫蘆河真莊取水低壩工程；(2)泵站工程，真莊一級泵站工程和毛家莊二級泵站工程；(3)輸水管線及附屬工程。

1.2 水文

工程采用葫蘆河張村驛站1957-2015年實測徑流系列資料，進行逐日流量分級統(tǒng)計排頻計算。真莊取水?dāng)嗝嫒毡ＷC率P=95%的日平均流量為0.899 m3/s。真莊取水?dāng)嗝?20 a一遇洪峰流量為463 m3/s，50 a一遇洪峰流量為758 m3/s。渭家河毛家莊斷面 20 a一遇洪峰流量為38 m3/s；50 a一遇洪峰流量為51 m3/s。

真莊壩址多年平均年輸沙量為6.21萬 t。

1.3 地質(zhì)

工程區(qū)位于鄂爾多斯臺向斜陜北坳陷中部的單斜構(gòu)造區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造簡單，區(qū)域構(gòu)造相對穩(wěn)定。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(2015)》分析，工程區(qū)Ⅱ類場地的地震動峰值加速度α=0.05 g，地震動反應(yīng)普特征周期為0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度Ⅵ度，屬抗震有利地段。

1.4 工程任務(wù)和規(guī)模

1)工程任務(wù)。富縣引葫濟富調(diào)水工程將與現(xiàn)狀大申號水庫、沙西溝水庫一起承擔(dān)規(guī)劃年(2030年)向富縣縣城及白草坬工業(yè)園區(qū)供水的任務(wù)。

2)工程規(guī)模。工程自葫蘆河取水，取水點位于葫蘆河張村驛鎮(zhèn)真莊村處。至規(guī)劃水平年(2030年)，富縣縣城城區(qū)需水量為614萬 m3/a，白草坬工業(yè)園區(qū)需水量為86萬 m3/a，合計為700萬 m3/a。工程設(shè)計最大調(diào)水規(guī)模為1.5 萬 m3/d，相應(yīng)葫蘆河取水流量為0.174 m3/s。

1.5 工程布置及主要建筑物

1)工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等，主要水工建筑物為4級，次要建筑物級別為5級，臨時性水工建筑物級別5級。

2)工程總布置由真莊取水低壩、兩級泵站、加壓段管線及重力輸水段管線組成。

3)主要建筑物。葫蘆河取水低壩軸線總長度88 m，主要由溢流壩段、沖沙閘及放水設(shè)施段及非溢流壩段三大段組成。溢流壩段為C20埋石混凝土結(jié)構(gòu)，堰面采用WES實用堰曲線，堰頂高程954.00 m，基礎(chǔ)座落于弱風(fēng)化基巖之上，壩段長度62 m，最大壩高9.5 m；沖沙閘及放水設(shè)施段長度6.0 m，設(shè)2×2 m沖沙閘一道及放水閘一道；非溢流壩段長度20 m，采用M7.5漿砌石梯形結(jié)構(gòu)型式，壩頂高程958.00 m，頂寬3.0 m，基礎(chǔ)座落于弱風(fēng)化基巖之上。

真莊一級泵站位于葫蘆河取水低壩左岸階地，廠區(qū)占地3.5畝。泵站主要由進水前池(兼沉砂池)、主泵房、綜合管理房、室外廁所及廠區(qū)輔助設(shè)施等組成。泵站設(shè)計總揚程160.0 m，總裝機容量600 kW，配備3臺自平衡多級離心泵及對應(yīng)的控制和輸變電設(shè)備。

毛家莊二級泵站位于渭家河行政村毛家河組處309國道旁，廠區(qū)占地5.9畝。泵站主要由進水前池、主泵房、綜合管理房、室外廁所及廠區(qū)輔助設(shè)施等組成。泵站設(shè)計總揚程190.5 m，總裝機容量750 kW，配備3臺自平衡多級離心泵及對應(yīng)的控制和輸變電設(shè)備。

加壓輸水管線段總長度16.114 7 km，全線均采用K9級DN450球墨鑄鐵管；重力輸水管線段總長度20.879 4 km，全線均采用K9級DN350球墨鑄鐵管。

管線穿過保爾塬采用隧洞內(nèi)鋪設(shè)管線方式，穿管線隧洞全長480.5 m，凈斷面尺寸為2.2×2.2 m，城門洞形斷面，洞線全斷面襯砌，襯砌型式為0.4 m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.6 機電

1)真莊一級泵站和毛家莊二級泵站均采用兩用一備的臺數(shù)。真莊一級泵站配備水泵機組3臺(兩用一備)，多級離心泵，型號均為DP280-43×4，配套電機為315L2-4(N=200 kW)。毛家莊二級泵站配備水泵機組3臺(兩用一備)，多級離心泵，型號為DP280-43×5，配套電機為355M-4(N=250 kW)。

2)兩級泵站內(nèi)各布置一座10 kV變電站，變電站設(shè)S11M型變壓器一臺，容量630 kVA。10 kV線路由附近接入，通過架空線路接至泵站10 kV終端桿，再接至主變。

2 設(shè)計分析

2.1 引用流量為0.174 m/s計算偏大

根據(jù)初步設(shè)計報告，當(dāng)?shù)厮┬杵胶夥治?，設(shè)計水平年(2030年)富縣縣城居民生活和工業(yè)需水量614萬 m3、白草坬工業(yè)園需水量86萬 m3，總需水量700萬 m3，考慮輸水損失3%后，毛需水量725萬 m3。

根據(jù)《延安市富縣大申號水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》(2016年)，大申號水庫可供水量182.5萬 m3/a。根據(jù)《延安市富縣沙西溝骨干壩水源工程初步設(shè)計報告》(2009年)，沙西溝水庫年可供水量185萬 m3。設(shè)計水平年大申號水庫和沙西溝水庫共可供水量367.5萬 m3，缺水量為357.5萬 m3。詳見表1。

表1 設(shè)計水平年區(qū)域水資源供、需平衡表 萬m3

缺水量357.5萬 m3，由引葫濟富調(diào)水工程提供，按一年供水300 d計算，則每天的日凈引水量為1.19萬 m3/d，考慮3%的輸水流量損失后，設(shè)計毛引水量為1.23萬 m3/d，則引用流量為0.142 m/s，初步設(shè)計報告的引用流量為0.174 m/s，流量偏大。應(yīng)考慮增加供水天數(shù)，減少引水工程的規(guī)模，減少工程投資。

2.2 工程等別、洪水標(biāo)準偏高

1)根據(jù)本工程規(guī)模及供水對象，遵照《防洪標(biāo)準》(GB50201-2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》(SL252-2017)，按年引水量確定擋水建筑物的工程等別偏高，按《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》(SL252-2017)確定工程應(yīng)為Ⅴ等小(2)型，主要建筑物為5級，次要建筑物級別為5級，臨時性水工建筑物級別5級。擋水工程水工建筑物防洪標(biāo)準按10 a一遇洪水設(shè)計、20 a一遇洪水校核。而且本工程為徑流式引水，其失事對下游影響較小，主要是對工程取水可靠性的影響，本工程又非主要水源地，故無需過高的防洪標(biāo)準。

2)泵站的工程等別可不同于堤壩的工程等別，但不應(yīng)低于堤壩的級別。根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265-2010),泵站主要建筑物為4級，次要建筑物級別為5級，防洪標(biāo)準按20 a一遇洪水設(shè)計、50 a一遇洪水校核。

2.3 輸水管線布置不是最優(yōu)

1)初步設(shè)計報告對于輸水線路沒有進行比選，引水流量0.174 m3/s需要37 km的輸水管線，輸水線路進、出水口高差僅11 m左右，卻需要兩級泵站加壓再經(jīng)過重力輸水，是不經(jīng)濟的。

2)應(yīng)該放開思路，盡量縮短輸水管線，降低泵站揚程，減小投資。

2.4 輸水管線直徑偏大

初步設(shè)計報告，引水流量0.174 m3/s，輸水全線采用K9級DN450球墨鑄鐵管，則管內(nèi)流速為1.09 m/s。

根據(jù)《室內(nèi)給水設(shè)計規(guī)范》(GB50013-2006)，室內(nèi)吸水管直徑在250～1 000 mm時，為1.2～1.6 m/s，顯然選取DN450直徑偏大。

選取直徑DN400時，流速為1.38 m/s，比較合適。

2.5 泵站的維護和管理費用高

本工程布置了真莊一級加壓泵站和毛家莊二級加壓泵站，需要配備人員15人，增加了后期管理維護運行費用。

3 優(yōu)化設(shè)計思路

富縣引葫濟富調(diào)水工程主要由三大部分組成：1)水源取水工程，主要為葫蘆河真莊取水低壩工程；2)泵站工程，包括真莊一級加壓泵站和毛家莊二級加壓泵站工程；3)輸水管線及附屬工程，主要包括兩大段輸水管線工程(加壓輸水段和重力輸水段)以及輸水管線工程附屬的隧洞。設(shè)計優(yōu)化主要圍繞這三大部分開展。

3.1 水源取水工程

初設(shè)報告中取水工程水工建筑物防洪標(biāo)準按20 a一遇洪水設(shè)計、50 a一遇洪水校核。工程主要由非溢流壩段、放水閘段(接下游現(xiàn)狀渠道)、沖砂閘段(泵站進水管引水口設(shè)在邊墩處)和溢流壩段、真莊一級加壓泵站組成。

1)根據(jù)本工程規(guī)模及供水對象，按照《防洪標(biāo)準》(GB50201-2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》(SL252-2017)，按年供水量確定擋水建筑物的工程等別偏高，按《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》(SL252-2017)確定為小(2)型，相應(yīng)工程等別為Ⅴ等，主要建筑物為5級，次要建筑物級別為5級，臨時性建筑物為5級。擋水工程建筑物防洪標(biāo)準按10年一遇洪水設(shè)計、20 a一遇洪水校核。且本工程為徑流式引水，其失事對下游影響較小，主要是對工程取水可靠性的影響，本工程又非主要水源地，故無需過高的防洪標(biāo)準。

2)泵站的工程等別可不同于堤壩的工程等別，可高于堤壩的等別，泵站的主要建筑物為4級，次要建筑物為5級，防洪標(biāo)準按20 a一遇洪水設(shè)計、50 a一遇洪水校核。

3)在降低擋水建筑物防洪標(biāo)準前提下，復(fù)核原溢流壩是否滿足防洪要求，再確定是否拆除。即使不拆除，也需要在左岸增加沖砂和取水建筑物。

3.2 泵站工程

初設(shè)報告，取水源點輸水管進口高程952.6 m，大申號水庫庫尾出口高程為964.2 m，高差僅為11.6 m。需要兩級泵站加壓再經(jīng)過重力輸水，是不經(jīng)濟的。

在初步設(shè)計布置的輸水線路基礎(chǔ)上，因土洞比較容易施工，應(yīng)盡量采用穿越隧洞的方法，降低泵站揚程。

3.3 輸水管線工程

1)本工程缺水量為357.5萬 m3，由引葫濟富調(diào)水工程提供，按一年供水300 d計算，則每天的日凈引水量為1.19萬 m3/d，考慮3%的輸水流量損失后，設(shè)計毛引水量為1.23萬 m3/d，則引用流量為0.142 m/s，輸水管直徑可取為DN350。

2)輸水線路可比較選擇進、出口盡量直線連接的線路，盡可能在水源取水處布置一級泵站。

3)將輸水管出口放在大申號川流域邊緣的河流內(nèi)，盡量縮短輸水線路。

4 結(jié)語

延安市富縣引葫濟富調(diào)水工程，將葫蘆河的水引至大申號水庫，通過充分調(diào)蓄利用葫蘆河的引水量和大申號川的天然徑流量，合理調(diào)配區(qū)域水資源，可有效改善區(qū)域供水環(huán)境條件，使縣城周邊區(qū)域有限的水資源得到更加合理有效的開發(fā)利用。工程設(shè)計方案基本可行，但是引用流量為0.174 m/s，經(jīng)過葫蘆河真莊低壩取水，兩級加壓泵站，37 km輸水管線，在工程上并非最優(yōu)方案，也不經(jīng)濟，應(yīng)進行設(shè)計優(yōu)化，降低工程投資。