隴南市兩當(dāng)縣徐楊河引水工程輸水管道設(shè)計(jì)方案分析

馬佶琴

（甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730000）

1 工程概況

兩當(dāng)縣徐楊河引水工程是以城市供水為主的工程，供水主要對(duì)象為兩當(dāng)縣城區(qū)、城關(guān)鎮(zhèn)、金洞鄉(xiāng)周邊鄉(xiāng)村的工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水，設(shè)計(jì)水平年近期為2025年，供水人口1.61萬人。設(shè)計(jì)水平年遠(yuǎn)期為2030年，設(shè)計(jì)供水人口2.48萬人[1]。供水工程主要由取水樞紐、輸水管線工程、安全貯水池、凈水廠等組成，取水樞紐從徐楊河孔家溝段取水，引水至兩當(dāng)縣城新建凈水廠，以解決兩當(dāng)縣城區(qū)的居民生活和工業(yè)等用水困難問題，為發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)、增強(qiáng)發(fā)展能力提供水資源保障。本文主要從引水工程輸水管線布置、管材比選、設(shè)計(jì)管徑的大小比較以及穿管隧洞等方面進(jìn)行論述，為該工程選擇出管線布置合理、管材適用經(jīng)濟(jì)以及管徑滿足供水需求的供水方案。

2 輸水管線布置方案比較

2.1 方案比較

楊河引水工程取水水源至縣城較遠(yuǎn)，根據(jù)地形、施工、運(yùn)行管理?xiàng)l件，輸水管道選擇單管加安全貯水池與雙管兩種方案進(jìn)行比較，兩方案采用同一管線。具體比選方案如下[2，3]：

1）單管+安全貯水池方案：管道布置采用單管，在末端設(shè)1萬m3安全貯水池，安全貯水池后接凈水廠。單管布置，管徑較大，總管材費(fèi)用較?。还懿坶_挖量小，管線施工簡單，臨時(shí)占地少管線投資較小，單根管道供水保證率較低，但由于增加了安全貯水池，可滿足管道發(fā)生事故時(shí)供水要求保證率亦可滿足要求。

2）雙管方案：管道布置采用雙管，在末端接凈水廠。雙管布置，管徑較小，總管材費(fèi)用較大；管槽開挖量相對(duì)較大，臨時(shí)占地多，管道投資大；采用兩條管道輸水，運(yùn)行安全、可靠，但工程投資比單管+安全貯水池方案高。

綜合比較，本次選擇的輸水線路從地形條件來看，均適合單管和雙管布置，雙管方案管徑較小，但管材的用量較單管多1.7倍，管道的投資大，而且管槽開挖量大，臨時(shí)占地較大。而單管加安全貯水池方案具有運(yùn)行靈活，供水保證率可滿足要求等優(yōu)點(diǎn)，投資略小，故本工程選擇單管方案作為輸水管線布置的推薦方案。取水樞紐至安全貯水池輸水管線布置見表1。

2.2 管材的選擇

本工程輸水管線屬長距離有壓輸水管線系統(tǒng)，根據(jù)本工程的情況，用于輸水工程的管道主要考慮有球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管、硬聚氯乙烯管（PVC-U管）、改性聚氯乙烯管（PVCM）、聚乙烯管（PE）、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（PCCP）等。本輸水管材各類管材中進(jìn)行比較，并從適應(yīng)水量及水壓，工作壓力，埋深及承受壓力等要求出發(fā)，從各種管道的用途、對(duì)水質(zhì)的影響，水頭損失及糙率n值，管材制作、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，管材施工難易程度，運(yùn)行維修以及管材重量，管道造價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析比較[4]。各種管道性能價(jià)格比較見表2，表3。

表1 取水樞紐至安全貯水池輸水管線布置

表2 各種管道性能價(jià)格比較表

表3 各種管道性能價(jià)格比較表

綜合上述七種管材，各自都有優(yōu)缺點(diǎn)[5]，結(jié)合本工程區(qū)的地質(zhì)地形條件，及本工程中管道工作壓力≥1.0Mpa的情況，從管槽開挖、管道的制造到在管槽內(nèi)安裝整個(gè)土建施工程序考慮以及工程安全運(yùn)行的要求、工程造價(jià)等綜合因素，本工程根據(jù)管段壓力及管基地質(zhì)情況，分段選擇不同的管材。

本工程輸水管道的工作壓力≥1.0MPa，所以本工程宜不采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（PCCP）及聚乙烯（PE）管。

工作壓力高達(dá)1.0Mpa以上管段主要考慮球墨鑄鐵管和鋼管進(jìn)行比較，由于球墨鑄鐵管承壓能力較低，管節(jié)短，接口數(shù)量多，因管段所處地段工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件均須做防腐處理，分析比較后鋼管和球墨鑄鐵管每米造價(jià)接近。由于大部分管線位于河床及溝道中，受水流沖刷威脅較大，鋼管整體性好，抗沖刷破壞能力較強(qiáng)，同時(shí)管段壓力較高，而且城市供水的高保證率（P=95%）對(duì)管道的檢修時(shí)間相應(yīng)有提出要求，鋼管和球墨鑄鐵管相比優(yōu)勢(shì)突出，綜合考慮安全及經(jīng)濟(jì)因素，故本工程輸水管道設(shè)計(jì)選用螺旋鋼管。

2.3 輸水管徑的確定

本工程輸水管道采用單管，起點(diǎn)高程1208.5m，末端高程1014.96m，管線總長25.866km，可采用重力流自流輸水。管徑選擇一是考慮管內(nèi)流速應(yīng)大于0.6m/s，以防泥沙淤積[6]，二是管線在劉家溝與北崖溝之間需翻越兩溝之間的分水嶺，分水嶺最低高程1297m，高出取水樞紐處管道起點(diǎn)水位約90m，比較后管線采用設(shè)穿管隧洞的方式穿越分水嶺，以滿足重力流輸水要求。因此，本段管道水頭損失不宜過大，以免穿管隧洞過長，投資過大。為滿足流速大于0.6m/s，管內(nèi)徑應(yīng)小于400mm。對(duì)管徑D=323.9mm、377mm兩種進(jìn)行比較。當(dāng)鋼管管徑 D=323.9mm（外徑）時(shí)，穿管隧洞長約 2800m；管徑D=377mm（外徑）時(shí)，穿管隧洞長1570m。管徑D=323.9mm穿管隧洞投資增加約415萬元，管材投資減少約200萬元，總投資增加約215萬元。因此，本段管道管徑以D=377mm（外徑）為宜。穿管隧洞出口736m處（樁號(hào)22+610）至凈水廠管道總落差約91m，管線長3.256km，每公里管長可用水頭較大，管徑選擇以盡量利用水頭減小管徑為原則，經(jīng)計(jì)算，管徑D=219mm（外徑）時(shí)，本段管道水頭損失約66m，小于可用水頭，輸水流量滿足設(shè)計(jì)要求。

3 穿管隧洞設(shè)計(jì)

管道在20+304～21+874處布置穿管隧洞，長1.57km，隧洞縱坡1/400。因輸水線路中穿管隧洞作為最重要的建筑物之一，受地形、地質(zhì)條件的影響較大，施工較為復(fù)雜，本文應(yīng)專門進(jìn)行研究。隧洞呈城門洞型，斷面尺寸按施工斷面控制，隧洞凈高2.0m，頂拱呈半圓形，半徑0.9m，兩側(cè)直墻高1.1m，底板厚0.2m。穿管隧洞進(jìn)出口均設(shè)現(xiàn)澆C20鋼筋砼洞臉，洞臉頂寬0.8m，頂部設(shè)0.3m×0.3m排水溝。穿管隧洞進(jìn)出口設(shè)進(jìn)人孔，底板側(cè)墻厚0.3m，頂部設(shè)預(yù)制C25鋼筋砼蓋板，厚0.2m，內(nèi)尺寸1.8m×1.8m×3.1m。

根據(jù)圍巖巖性及類別分為兩種襯砌類型：

1）Ⅰ型洞：Ⅳ類圍巖，圍巖穩(wěn)定性較差，需及時(shí)進(jìn)行加固襯砌。

襯砌結(jié)構(gòu)：臨時(shí)支護(hù)和永久襯砌結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。施工期臨時(shí)支護(hù)結(jié)合永久襯砌頂采用系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)噴砼，噴混凝土厚度為8cm；拱頂及側(cè)墻采用Φ20系統(tǒng)錨桿錨固，錨桿長2.0m，深入巖石1.90m，外露 0.10m，呈梅花狀布置，間排距1.5m，并設(shè)間距1.2m的Ⅰ12鋼拱架形式組合襯砌。

2）Ⅱ型洞：Ⅴ類圍巖，洞進(jìn)、出口加強(qiáng)段，施工期臨時(shí)支護(hù)，采用系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)噴砼，噴混凝土厚度為15cm；拱頂、側(cè)墻采用φ20系統(tǒng)錨桿錨固，錨桿長 2.0m，伸入巖石1.85m，外露0.15m，呈梅花狀布置，間排距1.0m，并設(shè)間距0.8m的Ⅰ12鋼拱架形式組合襯砌。

穿管隧洞頂拱、側(cè)墻為現(xiàn)澆C20鋼筋砼，襯砌厚度為300mm，底板為200mm厚現(xiàn)澆C20砼。穿管隧洞內(nèi)管道每隔6m設(shè)一支墩，支墩與側(cè)墻間距為0.3m，支墩為現(xiàn)澆C20砼，長0.6m，寬0.4m。支墩與管道間設(shè)兩氈二油墊層。隧洞進(jìn)出口各50m范圍內(nèi)每隔10m設(shè)一條橫向伸縮縫。

4 結(jié)論和建議

本文的研究楊柳河引水工程設(shè)計(jì)、施工提供了實(shí)施的根據(jù)和優(yōu)化的設(shè)計(jì)成果，保證了隴南市和兩當(dāng)縣用水的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，還為以后研究長距離調(diào)水工程的技術(shù)安全性提供一定的借鑒意義。工程實(shí)施以后，可以解決的兩當(dāng)縣縣城居民、城關(guān)鎮(zhèn)、金洞鄉(xiāng)周邊鄉(xiāng)村共計(jì)1.6145萬人和前來兩當(dāng)接受紅色教育等方面的游人等用水困難問題。促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。