馬家寺供水工程設(shè)計(jì)方案

王增國(guó)

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概述

為解決五寨縣城城區(qū)群眾生產(chǎn)生活用水，緩解地下水位下降趨勢(shì)，決定利用蘆芽山布袋溝內(nèi)馬家寺泉和姑姑庵泉水資源。布袋溝主河槽為姑姑庵方向來水，右側(cè)為馬家寺溝道來水，該段河谷較為狹窄，谷底寬30～50 m，兩岸山體雄厚，呈“U”型谷。此段河谷上游內(nèi)植被非常茂密，水土流失不大，無居住人口。

取水點(diǎn)位于姑姑庵泉匯合馬家寺泉水之處，此截面以上流域面積29.9 km2，河道長(zhǎng)9.2 km，流域平均寬度3.6 km，取水點(diǎn)處常年基流在0.08～0.17 m3/s之間。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，取水點(diǎn)處雪融后春季基流在0.063～0.098 m3/s左右，夏季基流在0.09～0.17 m3/s左右，秋季基流在0.095～0.185 m3/s左右，冬季、初春季無基流數(shù)據(jù)。布袋溝內(nèi)河段一般11月下旬開始結(jié)冰，12月到2月封凍，冰期最大冰厚1.2 m，每年2月中下旬河冰開始融化，未發(fā)生過冰洪。泥沙以暴雨洪水?dāng)y帶為主，在年內(nèi)分配上，春節(jié)冰雪融化和夏季洪水含沙量大，尤其是夏季暴雨洪水，河流含沙量短時(shí)間劇增，在其他季節(jié)、河流基流多為泉水補(bǔ)給，流量小，水較清，含沙量小。據(jù)徑流移置輸砂模數(shù)估算，布袋溝上游年懸移質(zhì)輸砂量0.38萬(wàn)t，推移質(zhì)0.11萬(wàn)t，全年泥沙量0.49 萬(wàn) t。

根據(jù)水文計(jì)算成果，兩股泉水匯合點(diǎn)以上流域年徑流總量282萬(wàn)m3，在95%保證率下最低可引水量162萬(wàn)m3，馬家寺截潛流工程設(shè)計(jì)年引水量108萬(wàn)m3，日平均引水量3 000 m3。

2 截潛流取水樞紐設(shè)計(jì)

2.1 取水條件分析

取水點(diǎn)處地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）混合土卵石或卵石混合土，厚度2～8 m。據(jù)豎井開挖及取樣大型篩分試驗(yàn)資料，混合土卵石層表層具架空現(xiàn)象，漂卵礫石成份主要為變質(zhì)巖、石英砂巖等，其中漂石含量 24.9%～27.1%，卵石含量 27.2%～32.3%，礫含量13.9%～26.3%，礫磨圓較好，多呈次圓狀，砂含量13.6%～18.2%，多為中粗砂。混合土卵石含水率8.5%，其下伏基巖及左岸岸坡為下太古界界河口群變質(zhì)巖，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1～2 m?；鶐r滲透系數(shù)k=0.05 cm/s，覆蓋層滲透系數(shù)k=0.13 cm/s。地下水類型為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水，下伏基巖中貯存變質(zhì)巖類裂隙水，水位埋深0～7.8 m，主要受河水補(bǔ)給。

由取水點(diǎn)地質(zhì)條件可知，混合土卵石層及其下伏強(qiáng)風(fēng)化基巖均為強(qiáng)透水巖層，具有極強(qiáng)透水性，蓄水后可產(chǎn)生壩基滲漏。因覆蓋層滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于基巖，故滲漏主要為覆蓋層滲漏。經(jīng)估算，在正常蓄水位1 930 m時(shí)，覆蓋層滲漏量約4 812 m3/d。在覆蓋層下設(shè)置防滲體攔截后，滲漏主要為壩基強(qiáng)風(fēng)化層滲漏，估算滲漏量216 m3/d，對(duì)取水流量3000 m3/d影響不大。

根據(jù)取水點(diǎn)水源水資源賦存條件，該處洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計(jì)、50年一遇洪水校核，流量分別為141 m3/s和252 m3/s，校核洪水沖刷深度1.49 m。利用取水點(diǎn)處兩股泉水為水源，分別修建截?cái)喔采w層的攔水壩后會(huì)在壩前形成一個(gè)兩側(cè)高中間低的下凹形地下水面，同時(shí)在壩前鋪設(shè)大面積快速入滲體，河水入滲形成地下水后通過凹槽帶向下游排泄，形成封閉式截潛流。馬家寺截潛流取水方式采用截潛流入滲形式、主要建筑物包括截水壩、集水廊道、濾水體及出水管道。取水樞紐布置見圖1。

圖1 取水樞紐布置簡(jiǎn)圖

2.2 截水壩

兩條截水壩分別垂直姑姑庵泉和馬家寺泉主河槽布置，對(duì)接后形成整體攔截，長(zhǎng)度為26 m和24 m，墻體均置于弱風(fēng)化基巖巖體上。墻體凈高3.5 m，頂部呈臺(tái)階狀布置，靠近上游側(cè)寬0.5 m，低于壩頂高程0.85 m，中間寬0.5 m，下游側(cè)寬1.0 m，低于壩頂高程0.5 m。壩體上游呈直立狀，下游壩坡設(shè)計(jì)邊坡為1∶1，壩趾向外延伸0.8 m。為防止形成繞滲通道，壩體與山體新鮮基巖連接。截水壩下游采用開挖料回填和拋石防護(hù)，同時(shí)下游壩坡壩頂以下鋪設(shè)一層1 m厚土工格賓石籠，長(zhǎng)6 m，寬9 m，坡度與上游相同。

2.3 集水廊道

在截水壩的上游中部，結(jié)合截水壩修建蓋板式集水廊道。單個(gè)集水廊道長(zhǎng)8.3 m，呈水平布置，采用C30鋼筋混凝土蓋板加支撐柱結(jié)構(gòu)，凈斷面尺寸3.3 m×2.0 m，沿截水壩軸向設(shè)置3根支撐柱，支撐柱間距3.0 m，柱截面尺寸為0.3 m×0.3 m，頂部梁帽采用擴(kuò)大結(jié)構(gòu)，支撐板截面尺寸為1.4 m×1.4 m，與頂板澆為一體。支撐柱基礎(chǔ)采用擴(kuò)大結(jié)構(gòu)置于弱風(fēng)化基巖巖體上，基礎(chǔ)底板截面尺寸為1.4 m×1.4 m。集水廊道頂板為現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土，上游側(cè)及左右岸分別置于截水壩及土工格賓石籠擋水墻頂，下墊150 mm厚C15素混凝土，下游側(cè)搭于上游側(cè)墻頂部，頂板尺寸為8.3 m×4.3 m，厚0.2m。頂板右側(cè)設(shè)一直徑為0.8 m的C30鋼筋混凝土進(jìn)人孔，為防止洪水泥沙進(jìn)入，人孔蓋板頂面比蓋板高2.50 m，孔筒壁內(nèi)側(cè)均設(shè)有鋼爬梯，外側(cè)設(shè)置漿砌石臺(tái)階。集水廊道上游及左右兩側(cè)側(cè)墻均為進(jìn)水通道，側(cè)墻采用土工格賓石籠砌筑，墻體下部厚1.0 m，高1.7 m，頂部厚0.5 m，高0.3 m，上搭廊道頂板。

2.4 濾水體

集水廊道側(cè)墻上游及左右兩側(cè)回填濾水體，采取分層回填方式，依次如下：

1）集水廊道側(cè)墻上游及左右兩側(cè)下部回填干砌塊石，干砌塊石垂直廊道橫剖面厚1.2 m，頂寬2.0 m，外側(cè)邊坡為1∶1，要求塊石最小邊不得小于50 cm，錯(cuò)縫砌筑。

2）沿填筑好的干砌塊石外側(cè)輪廓面填筑一層500 mm厚卵石反濾層，卵石反濾層高度與集水廊道側(cè)墻下部頂面齊平，外側(cè)邊坡為1∶1，要求卵石粒徑d=80～120 mm。

3）沿填筑好的卵石外側(cè)輪廓面填筑一層500 mm厚的礫石反濾層，礫石反濾層高度與集水廊道側(cè)墻頂面齊平，外側(cè)邊坡為1∶1.5，要求礫石粒徑d=10～30 mm。

4）沿填筑好的礫石外側(cè)坡面填筑一層粗砂反濾層，粗砂反濾層高度與礫石反濾層齊平，頂寬0.5 m，外側(cè)邊坡為1∶2，要求粗砂粒徑d=2～8 mm。

圖2 取水樞紐剖面圖

5）沿填筑好的粗砂外側(cè)坡面填筑一層500 mm厚的干砌塊石，干砌塊石高度與粗反濾層及砂礫石反濾層齊平，外側(cè)邊坡為1∶2，要求塊石最小邊不得小于50 cm，錯(cuò)縫砌筑。

6）為增加回填層滲透性和防止粗砂等濾料流失，沿以上填筑好的濾體材料頂面鋪蓋一層500 mm厚的土工格賓石籠，鋪蓋范圍為頂面至集水廊道頂板邊緣。

7）以上各層材料填筑完畢后，采用沖洗干凈后的溝道開挖碎石料將開挖部分空間回填至原地面高程，回填料中不得含有泥、腐植物等。

取水樞紐剖面見圖2。

2.5 出水管道

出水管道布置在集水廊道正中，從截水壩穿出，為保證出水量和便于沖洗防止淤塞，出水管道采用DN300PE管。從兩個(gè)截水壩伸出的兩條DN300PE出水管沿著溝道敷設(shè)50 m后并管為單根DN250級(jí)管。

3 調(diào)節(jié)設(shè)施設(shè)計(jì)

取水樞紐蓄水位高程基本在1 930 m左右，服務(wù)區(qū)域地面高程在1 440～1 450 m左右，水位落差最大490 m左右。由于引水管道輸水過程中水頭損失較小，不能有效消除管內(nèi)壓力水頭，受限于管道制造水平同時(shí)為節(jié)省投資，引水管道在上下游水頭差接近60 m時(shí)即設(shè)置一處調(diào)壓池溢出管內(nèi)水流形成自由水面，以消減上游管道內(nèi)富裕水頭。根據(jù)本工程地形落差情況，引水管道沿線設(shè)7座調(diào)壓池。

3.1 調(diào)壓池

調(diào)壓池為鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，池內(nèi)凈長(zhǎng)2.0 m，凈寬1.8 m，池深3.0 m；頂板采用預(yù)制C25鋼筋混凝土蓋板，頂板設(shè)直徑1 m的檢修孔及DN200通風(fēng)管；為保證進(jìn)、出池水流平順，在池底板中心設(shè)一溢水堰，堰高2.5 m，厚0.3 m，溢流堰將調(diào)壓池內(nèi)部分為消力池和溢流池。調(diào)壓池前后端分別埋設(shè)1條進(jìn)水管和1條出水管，均采用DN250鋼管。設(shè)于消力池內(nèi)的消能孔筒主要由DN250彎管、彎管轉(zhuǎn)彎半徑500 mm、角度90°和打孔直管兩部分組成，孔筒一端用法蘭與彎頭連接，另一端用盲法蘭堵死并與消力池底板固定，消能孔筒孔周打孔面積為42%～43%，水流由筒壁網(wǎng)孔噴出，噴射于消力池中撞擊池壁鋼板進(jìn)行消能，消力池壁四周鋼襯2 cm厚防沖不銹鋼板，該消能方式經(jīng)過太原理工大學(xué)水利系水流試驗(yàn)室模型試驗(yàn)證明消能效果良好，目前已應(yīng)用于萬(wàn)家寨引黃工程南干線、橫泉水庫(kù)供水和多處截潛流等高水頭管線供水工程，運(yùn)行效果良好。

圖3 調(diào)壓池結(jié)構(gòu)圖

3.2 蓄水池

馬家寺截潛流供水服務(wù)區(qū)域內(nèi)在早間6～9點(diǎn)、午間11～13點(diǎn)、晚間17～20點(diǎn)用水量很大，高峰期合集8個(gè)小時(shí)，其余時(shí)間用水量很小，晚間基本停用，用水量時(shí)變化系數(shù)很大。引水樞紐全天24小時(shí)不間斷供水，最大引水流量為0.07 m3/s，平均引水流量為0.043 m3/s，末端服務(wù)區(qū)域自來水管網(wǎng)接口最大引水流量0.097 2 m3/s（考慮時(shí)變化系數(shù)2），最高日引水流量為0.072 9 m3/s（考慮日變化系數(shù)1.5），存在著典型的用水高峰期和低峰期導(dǎo)致的需水量大與來水量少的矛盾。下游如無蓄水設(shè)施或蓄水設(shè)施容量過小，在末端非大量用水時(shí)間段內(nèi)只能棄掉上游未使用的水量，造成水量的巨大浪費(fèi)；同時(shí)考慮到引水管道遭到破壞、調(diào)壓池檢修和清淤等不利情況，在截潛流上游管道停止供水期間，蓄水設(shè)施內(nèi)貯存的水量必須能夠滿足調(diào)節(jié)要求，極限停水天數(shù)按照1.5天予以考慮，新建蓄水池容積定為5 000 m3。

引水管道全線為重力流，結(jié)合末端凈化廠高程、高層住宅和消防要求等因素，蓄水池需兼做凈化廠清水池，盡可能減少居民建筑物二次加壓和運(yùn)行費(fèi)用，受水區(qū)最高水位按照1 490 m考慮。為滿足以上要求，新建蓄水池內(nèi)設(shè)計(jì)水位保持在1 500 m左右，可以保證下游管道水流進(jìn)入自來水管網(wǎng)有足夠的壓力完成以上功能，實(shí)現(xiàn)下游控制區(qū)域不加壓。

3.3 壓力管道分布調(diào)節(jié)

居民生活用水對(duì)管道材質(zhì)要求高，引水管道全部采用PE 80級(jí)管，考慮到流量變化因素，蓄水池之前管道采用DN250PE管，蓄水池之后管道采用DN300PE管。根據(jù)各調(diào)壓池之間的水頭差，考慮到發(fā)生事故時(shí)水錘系數(shù)1.3的影響，引水管道壓力等級(jí)在靜水頭差在 0～28 m 時(shí)取 0.4 MPa，28～45 m 時(shí)取 0.6 MPa，45～60 m 時(shí)取 0.8 MPa。

4 供水線路設(shè)計(jì)

引水管道敷設(shè)方式為地埋，五寨縣最大凍土深度1.48 m，考慮到沿線坡度較大，雨水沖刷較為嚴(yán)重，引水管道設(shè)計(jì)管頂埋深不低于1.8 m。管道跨布袋溝河時(shí)管道埋深為管頂以上覆土至少2.0 m，并在上部覆蓋防沖刷措施。

引水地埋管道管溝底寬0.7m，巖基開挖邊坡比1∶0.3，砂礫石地段開挖坡比1∶0.5，黃土段土槽開挖坡比1∶0.75，管道敷設(shè)之前，對(duì)管道基礎(chǔ)進(jìn)行整平處理。如果地基為土基，則在地基處理后直接鋪設(shè)管道，頂部范圍內(nèi)首先用原土回填。如果地基為石基或者砂礫石層，則底部鋪設(shè)100 m厚砂墊層，管周及管頂100 mm范圍內(nèi)采用粗砂（粗砂粒徑不大于10 mm）或沙土回填。

用沙土或符合要求的原土回填管道兩肋，一次回填高度為100～150 mm，搗實(shí)后再回填第二層直到回填到管頂以上至少100 mm處。在回填過程中，管道下部與管底的空隙處易被忽略，要注重夯實(shí)，死角部位人工用木錘夯打。管道接口前后200 mm范圍內(nèi)不回填，以便試壓時(shí)觀察各接頭質(zhì)量。

管道試壓合格后的大面積回填（500 mm厚），管頂300 mm以上部分回填原土并填實(shí)，采用機(jī)械回填時(shí)，要從管的兩側(cè)同時(shí)回填，機(jī)械不得在管上行駛。管頂以上300 mm回填后，再進(jìn)行管道試壓，以防試壓時(shí)管道系統(tǒng)產(chǎn)生推移。管四周200 mm以內(nèi)的回填土不得含粒徑大于10 mm的堅(jiān)硬石塊。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程實(shí)施完成后，在取水樞紐加設(shè)了防護(hù)圍欄等水源地保護(hù)措施，同時(shí)在蓄水池前加設(shè)了自來水凈化設(shè)施，完全滿足了五寨縣城居民高品質(zhì)生活用水的要求。目前已安全運(yùn)行兩年多，累計(jì)為五寨縣城居民生產(chǎn)生活供水達(dá)到190萬(wàn)m3左右。有效緩解了五寨縣城居民生產(chǎn)生活緊缺的狀況，使供水結(jié)構(gòu)趨于合理，五寨縣城區(qū)地下水快速下降的局面得到改觀，產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。