雙王城水庫(kù)壩坡灌溉系統(tǒng)升級(jí)改造方案

呂曉理，呂鴻翔，呂寧江

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250109；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014）

雙王城水庫(kù)是南水北調(diào)東線膠東干線工程的重要調(diào)蓄水庫(kù)，主要建筑物包括圍壩入庫(kù)涵洞出水閘、壽光放水洞、泄水洞等建筑物。水庫(kù)圍壩軸線長(zhǎng)9 636 m，最大庫(kù)容6 150萬(wàn)m3。水庫(kù)圍壩表層土料以沙壤土為主，為防止圍壩水土流失，壩坡及壓重平臺(tái)采用草坡護(hù)坡，在壓重平臺(tái)上套種植間距2.5～3 m，樹(shù)高2～5 m，胸徑3～7 cm的白蠟、松柏等苗木，總面積46.5 hm2。工程投入運(yùn)行后，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求，設(shè)計(jì)選擇了JP50-90型卷盤(pán)式噴灌機(jī)，每臺(tái)噴灌流量9.1 m3/h，接入水壓0.4 MPa，共設(shè)置12臺(tái)，利用潛水電泵自庫(kù)區(qū)取水，取水點(diǎn)分別設(shè)在入庫(kù)閘、泄水洞及壽光供水洞等3處，每段配4臺(tái)噴灌機(jī)，即每段流量為36.4 m3/h。潛水泵固定于庫(kù)內(nèi)建筑物鋪蓋上，接鋼管沿壩坡、工作橋引至壩頂，在壩頂管溝內(nèi)兩側(cè)敷設(shè)供水管，共設(shè)置供水栓65個(gè)。在圍壩直線段每間隔180 m設(shè)置給水栓，彎道段每間隔100 m、150 m設(shè)置給水栓。給水栓通過(guò)接頭連接卷盤(pán)式噴灌機(jī)。供水管從取水點(diǎn)至防浪墻位置采用114 mm×5 mm鋼管；其他供水管采用PE管（110 mm×5.3 mm），布置在電纜溝內(nèi)。PE管設(shè)置6個(gè)排空閘閥和9個(gè)閘閥。潛水泵揚(yáng)程65 m，流量40 m3/h，功率11 kW，共3臺(tái)。

1 壩后噴灌系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 壩后噴灌系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)近3年的運(yùn)行，每次澆水組織4人，24 h不停澆灌，全部圍壩澆灌需要7 d左右?；静僮鞒绦蛉缦拢河闷たㄜ?chē)將卷盤(pán)噴灌機(jī)牽引到壩頂?shù)缆方o水栓處，接上水源。將纏繞在主機(jī)的輸水管以及連接在輸水管上的噴水行車(chē)拖至另一端。打開(kāi)給水栓供給壓力水，這樣噴水小車(chē)通過(guò)噴槍或懸臂開(kāi)始向壩坡進(jìn)行噴水；卷盤(pán)機(jī)利用水壓力通過(guò)水力蝸輪、變速箱以及傳動(dòng)系統(tǒng)的工作產(chǎn)生一定的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)卷盤(pán)，卷盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸水管向卷盤(pán)機(jī)方向回卷，而噴水車(chē)在設(shè)定的速度下勻速往回行走，邊行走邊噴水，直退至卷盤(pán)車(chē)處即停車(chē)。將噴灌機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，將噴頭車(chē)及管道牽引至該水栓的另一側(cè)，重復(fù)上述步驟。該水栓兩側(cè)全部噴完后，將噴灌機(jī)牽引到另一條水栓處，繼續(xù)以上順序進(jìn)行噴灌。

1.2 運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題

每次噴灌強(qiáng)度高，受?chē)鷫紊系娘L(fēng)力影響也大，這一點(diǎn)在文獻(xiàn)[1]中對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)也有闡述。卷盤(pán)式噴灌機(jī)在壩頂?shù)缆飞闲凶?，每次灌溉只能?chē)姷?.0 m高程以上，9.0 m高程以下至地面3.5 m高程以上灌溉不到，灌溉不能全覆蓋，這一部分都是自溢出流，很不均勻，影響了草皮及苗木的生長(zhǎng)，導(dǎo)致部分護(hù)坡草皮及苗木生長(zhǎng)枯萎或者局部過(guò)旺，達(dá)不到很好的護(hù)坡作用。

充水的管道在使用過(guò)程中在壩頂?shù)缆飞贤蟿?dòng)，易出現(xiàn)磨損，尤其是在供水栓連接段管道受到供水壓力的影響經(jīng)常出現(xiàn)管道滲水，使得壩頂?shù)缆飞辖?jīng)常出現(xiàn)明顯集水。

原實(shí)施過(guò)程中供水管道布置在壩頂電纜溝內(nèi)，與電纜、光纖等混合交織在一起運(yùn)行，存在較大的安全隱患。

2 系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案選擇

2.1 設(shè)計(jì)方案選擇

噴灌系統(tǒng)類(lèi)型主要包括固定式噴灌系統(tǒng)、移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)和半固定式噴灌系統(tǒng)。其中固定式噴灌系統(tǒng)需要大量管材，單位面積投資雖然高，但運(yùn)行管理方便，極為省工，運(yùn)行成本低，地形適應(yīng)性強(qiáng)，便于自動(dòng)化控制，灌溉效率高。移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)和半固定式噴灌系統(tǒng)設(shè)備利用率相對(duì)較高，可降低單位面積投資，操作也相對(duì)靈活，但與固定式噴灌系統(tǒng)相比管理強(qiáng)度大，用工多，工作時(shí)占地也較多。綜上分析，本工程改造采用固定式噴灌系統(tǒng)方案。

2.2 固定式噴灌系統(tǒng)方案

綜合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要和當(dāng)前卷盤(pán)式噴灌機(jī)使用情況，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)該水庫(kù)圍壩的噴灌系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，設(shè)計(jì)參數(shù)選用如下：草坪設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度為Ea=4.0 mm/d；土壤濕潤(rùn)比為100%；計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為0.4 m；設(shè)計(jì)灌水均勻度為Cu=98%；灌溉水利用系數(shù)為η=0.83；灌溉保證率為85%；草坪霧化指標(biāo)為2 000～3 000。

由于壩坡斜長(zhǎng)約18.9 m，噴頭均布置于壩頂外側(cè)，噴頭采用等間距布置，噴頭間距為18.0 m，區(qū)內(nèi)耕層土壤為砂壤土類(lèi)，取允許噴灌強(qiáng)度為15 mm/h，確定所選噴頭的噴水量，并根據(jù)大多數(shù)植物為草類(lèi)和樹(shù)木抗水滴擊打強(qiáng)度強(qiáng)等特性選用中壓強(qiáng)度噴頭。按現(xiàn)有噴頭規(guī)格性能，初步選擇可控角全圓噴頭。每個(gè)泵站控制范圍內(nèi)ZY-2噴頭共350～378個(gè)，每個(gè)輪灌組ZY-2噴頭共42個(gè)，輪灌組定為9個(gè)。

取水點(diǎn)仍設(shè)置在原有基礎(chǔ)上，只需更換水泵即可。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算，水泵選用250QJ100-72潛水泵，裝機(jī)功率30 kW。管網(wǎng)布置根據(jù)主干管自3個(gè)取水點(diǎn)引出，共分為3個(gè)片區(qū)，沿壩體壓重平臺(tái)向兩側(cè)布置干管2條，分干管垂直于干管布置，支管垂直于分干管（戧臺(tái)和壓重平臺(tái)處，平行于壩軸線）布置。該固定式噴灌區(qū)為帶狀，長(zhǎng)9 790 m，寬35.4 m。區(qū)內(nèi)布置分干管80條，每條分干管上布置2根支管，支管間距為18 m，通過(guò)干管輸水。

管網(wǎng)計(jì)算選擇各管型如下：支管選擇PE80-DN75-0.8 M P a管材，分干管選擇PE100-DN110-0.8 M P a材，干管選擇PE100-DN200-0.8 M P a管材，主干管選擇PE100-DN200-0.8 M P a管材。

2.3 方案實(shí)施的配套項(xiàng)目

1）主干管道閘閥井。主干管道閘閥井主要用于安放兩個(gè)泵站相鄰干管間連接閘閥，以及檢修閘閥使用。主閘閥井采用組裝式閥門(mén)井，包含井底、井體和井蓋3部分。井體是由4片獨(dú)立的分體組合件組合而成。井體頂端是具有井蓋支座功能的結(jié)構(gòu)，組合后頂端呈圓形，安放樹(shù)脂輕型井蓋，井口外澆筑強(qiáng)度指標(biāo)為C25混凝土。獨(dú)立底板于外側(cè)封堵井底。水表井底部直徑1.0 m，井蓋直徑0.6 m，高1.0 m。

井材為熱固性模壓樹(shù)脂復(fù)合材料，樹(shù)脂輕型井蓋，施工現(xiàn)場(chǎng)用螺栓組裝，井身拼縫處和管道通道口用玻璃膠密封防水。

2）分干管電磁閥井。主要用于安放分干管管首的電磁閥和閘閥，閥井采用組裝式，包含井底、井體和井蓋3部分。井體是由4片獨(dú)立的分體組合件組合而成。井體頂端是具有井蓋支座功能的結(jié)構(gòu)，組合后頂端呈圓形，安放樹(shù)脂輕型井蓋，井口外澆筑混凝土。獨(dú)立底板于外側(cè)封堵井底。水表井底部直徑1.2 m，井蓋直徑0.7 m，高1.4 m。井材為熱固性模壓樹(shù)脂復(fù)合材料，樹(shù)脂輕型井蓋，施工現(xiàn)場(chǎng)用螺栓組裝，井身拼縫處和管道通道口用玻璃膠密封防水。

3）進(jìn)排氣閥井。為減少管道里空氣積蓄過(guò)量里會(huì)產(chǎn)生氣阻，影響流量，壩頂處分干管網(wǎng)高點(diǎn)安裝自動(dòng)進(jìn)排氣閥，采用0.4 m成品閥井。底部長(zhǎng)度0.53 m，底部寬度0.4 m，頂部長(zhǎng)度0.44 m，頂部寬度0.33 m，高度0.335 m。

4）泄水井。為方便管網(wǎng)排水檢修，在分干管最低點(diǎn)安裝泄水閥，閥門(mén)井井深1.19 m，凈長(zhǎng)度和寬度為0.8 m、井壁用M10漿砌磚厚0.24 m，池底鋪設(shè)0.3 m厚礫石透水體，池蓋采用8 cm厚C25預(yù)制混凝土井蓋，井蓋預(yù)留鋼筋提手。

5）給水栓。為便于臨時(shí)取水，或?qū)姽嗖灰卓刂频倪吔堑囟芜M(jìn)行人工輔助噴灌，在主干管道上一般需安裝一定數(shù)量的DN75鋁制給水栓，每隔50 m安裝1套。

6）鎮(zhèn)墩。各支管及噴頭需砌筑鎮(zhèn)墩，以防管線充水時(shí)發(fā)生位移。鎮(zhèn)墩的尺寸：管道為0.5 m×0.5 m×0.5 m，噴頭點(diǎn)為0.3 m×0.3 m×0.3 m。

2.4 信息化工程

為了采集護(hù)坡墑情、灌溉水管壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情、管道壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控、隨時(shí)掌握護(hù)坡植被的灌溉需求，新建護(hù)坡灌溉綜合信息化控制系統(tǒng)，主要分為護(hù)坡墑情、灌溉水管壓力采集、灌溉視頻監(jiān)控、灌溉自動(dòng)控制等部分。操作員通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)編制輪灌分組、輪灌組灌溉開(kāi)始時(shí)間、輪灌組灌溉水量（時(shí)長(zhǎng)），灌溉計(jì)劃編制完成并確認(rèn)后，通過(guò)對(duì)水源泵站、輪灌閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制，完成對(duì)護(hù)坡所有片區(qū)的自動(dòng)輪灌，并可實(shí)現(xiàn)灌溉區(qū)的分區(qū)灌溉、定時(shí)定量灌溉，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)灌溉，減少水資源及電力能源的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

3結(jié)語(yǔ)

升級(jí)后的噴灌工程實(shí)施尊重科學(xué)，自動(dòng)化程度高，適時(shí)適量進(jìn)行灌溉，不僅便于管理，節(jié)省了人力，也充分發(fā)揮工程節(jié)水作用和圍壩草皮的護(hù)坡效果，從而有效保護(hù)圍壩工程水土流失。