福林水庫灌溉輸水管道設(shè)計探討

羅文

（重慶國昂工程設(shè)計咨詢有限公司，重慶 400000）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，重慶市各地工農(nóng)業(yè)用水量出現(xiàn)不同程度的提升。以綦江區(qū)為例，為了滿足境內(nèi)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的建設(shè)、生活供水以及農(nóng)業(yè)灌溉等用水需求，興建一系列供水工程勢在必行。福林水庫工程輸水沿線地形地勢復(fù)雜，輸水管道內(nèi)外壓都比較大。

1 項目概述

綦江區(qū)福林水庫工程位于重慶市綦江區(qū)東溪鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫壩址坐落于綦江左岸一級支流——福林河上，距東溪鎮(zhèn)約7km、距綦江城區(qū)約56km，對外交通條件較好。福林水庫工程開發(fā)任務(wù)是以農(nóng)業(yè)灌溉和場鎮(zhèn)供水為主，兼有灌區(qū)農(nóng)村人畜飲水等綜合效益。水庫正常蓄水位498.00m，死水位455.00m，調(diào)節(jié)庫容936萬m3，總庫容1129萬m3，灌溉面積3.68萬畝，為東溪、趕水、篆塘場鎮(zhèn)提供原水年均733萬m3，灌區(qū)農(nóng)村人畜供水量年均100萬m3。福林水庫工程由樞紐工程和輸水工程（灌區(qū)和供水）兩部分組成。樞紐工程主要包括大壩、溢洪道、取水塔、引水隧洞、上壩道路和附屬管理房等；輸水工程主要由總干渠、新廟干渠、篆塘支渠、趕水支渠以及渠系建筑物組成。

2 自然條件

2.1 水文條件

（1）徑流。福林水庫位于福林河中上游，壩址位于福林場上游約600m的魚池灣附近，壩址以上流域面積45.19km2，河道長16.61km，河道比降39.62‰，多年平均流量為0.803m3/s，徑流深560.4mm。徑流的年內(nèi)變化與降雨一致。

（2）洪水。福林河流域為典型的山區(qū)性河流，洪水發(fā)生時間與暴雨一致。每年4月下旬開始進入汛期，5—9月為本流域大暴雨多發(fā)季節(jié)，特大暴雨、洪水常發(fā)生在此時期，而8月本流域常發(fā)生伏旱，若遇暴雨也有較大洪水發(fā)生。10月以后，副高南移，流域內(nèi)降水較多，但雨強較小，一般不會形成大洪水。福林河流域內(nèi)河谷深切，岸坡較陡，流域內(nèi)洪水具有匯集快，洪水過程陡漲陡落，峰型尖瘦，峰頂持續(xù)時間短的特點。據(jù)調(diào)查，水庫壩址以上洪水過程多為單峰，歷時約24h左右，最大洪量主要集中在6h內(nèi)，福林水庫壩址設(shè)計洪峰流量成果見表1。

表1 壩址設(shè)計洪峰流量成果

2.2 氣象條件

綦江區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，無霜期長，春季回溫較早但常受寒潮影響出現(xiàn)倒春寒，初夏雨量豐沛，盛夏炎熱多伏旱，秋多綿雨，冬無嚴寒，云霧較多。福林河流域無水文、氣象測站，鄰近有綦江氣象站，根據(jù)鄰近綦江氣象站1970—2017年實測資料統(tǒng)計：多年平均氣溫為18.6℃，年內(nèi)以1月氣溫最低，平均為7.2℃，8月氣溫最高，平均為28.0℃，極端最高氣溫42.3℃，極端最低氣溫為-1.7℃。多年平均年降水量為1052mm，多年平均相對濕度為77%，平均無霜期328天，平均日照時數(shù)1244h，多年平均風(fēng)速1.5m/s，多年平均最大風(fēng)速11.2m/s，極端最大風(fēng)速26m/s，最多風(fēng)向NW。

2.3 地形地質(zhì)條件

庫區(qū)處于四川盆地東部邊緣的渝東平行嶺谷區(qū)的中峰寺向斜端北東翼，地形地貌受構(gòu)造和地層巖性控制明顯，局部地區(qū)亦與外營力作用關(guān)系密切。庫區(qū)地勢西高、東低。區(qū)內(nèi)地形主要為切割較強烈形成的方山臺地地形，河谷呈大致對稱的“V”字型。庫周兩岸山體寬厚，地表分水嶺高程965～1100m，相對高差500～600m。根據(jù)地貌成因劃分為構(gòu)造剝蝕中深切割臺狀中低山地貌和侵蝕堆積河谷地貌，以剝蝕地貌為主，河流兩岸偶見崩積堆積臺地。建庫河段屬于福林河下游段，水庫沿岸水系呈樹枝狀發(fā)育，除庫首右岸發(fā)育較大支溝小龍溪常年有水外，水庫區(qū)左岸還發(fā)育一條細支流，右岸還發(fā)育兩條細支溝，細支溝一般呈季節(jié)性流水。

3 水庫規(guī)模及徑流調(diào)節(jié)計算

3.1 來水過程線

福林水庫壩址以上集雨面積45.19km2，多年平均來水量2533萬m3。本次徑流調(diào)節(jié)計算采用水文計算提供的1965年4月—2014年3月長系列逐月徑流資料，與可研階段一致。

3.2 用水過程線

根據(jù)水資源供需分析，求得各方案設(shè)計水平年1965年4月—2014年3月逐月需水庫供水過程線，扣除現(xiàn)有水利設(shè)施可供水量外，多年平均需水庫供水量為1715.4萬m3，其中，農(nóng)業(yè)灌溉需水量882.4萬m3、城鎮(zhèn)生活需水量733萬m3、灌區(qū)農(nóng)村人畜需水量100萬m3。福林水庫建設(shè)后，生態(tài)需水流量采用水庫壩址本流域多年平均流量的10%進行計算，則水庫壩址需下泄生態(tài)流量0.08m3/s（折合年徑流量253萬m3）。水庫年均損失水量為蒸發(fā)損失和滲漏損失之和。通過徑流調(diào)節(jié)計算，水庫多年平均蒸發(fā)損失量為6萬m3。結(jié)合有關(guān)資料并參考類似工程情況，取水庫滲漏損失水量為水庫時段蓄水量的1.0%。通過徑流調(diào)節(jié)計算，水庫多年平均滲漏損失量為86.1萬m3。

3.3 水位庫容曲線

采用我院實測的1:2000庫區(qū)地形圖量算的福林水庫水位面積、水位庫容曲線成果。設(shè)計徑流調(diào)節(jié)計算考慮福林水庫庫區(qū)泥沙淤積后20年后的水庫水位庫容曲線成果。

3.4 徑流調(diào)節(jié)計算

根據(jù)本工程的開發(fā)任務(wù)，考慮到城鎮(zhèn)用水保證率比農(nóng)田灌溉保證率高的特點，擬定水庫徑流調(diào)節(jié)計算的原則為：優(yōu)先滿足場鎮(zhèn)供水及灌區(qū)農(nóng)村人畜飲水，再根據(jù)來水和水庫調(diào)蓄能力滿足灌溉用水。為保證場鎮(zhèn)供水，擬定當水庫水位介于455.00~466.00m之間運行時，水庫只提供場鎮(zhèn)供水及灌區(qū)農(nóng)村人畜飲水，不提供灌溉用水。根據(jù)調(diào)節(jié)計算原則，采用時歷法，根據(jù)來水與用水長系列逐年逐月過程進行計算，蓄水期在滿足用水的前提下，水庫盡早蓄水，直到正常蓄水位，供水期當水庫水位將到死水位時，若用水大于來水則水庫無法滿足供水要求，發(fā)生缺水，計為供水破壞。計算起點以死庫容作為初始庫容，本時段的末庫容即為下一時段的初庫容，逐年逐月進行計算，直到系列末。

考慮福林水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，以水庫水位487m（考慮20年淤積后相應(yīng)蓄水量535萬m3）起調(diào)，計算得福林水庫壩址正常蓄水位498.00m，死水位455.00m，調(diào)節(jié)庫容936萬m3。經(jīng)過1965—2014年49年長系列的徑流調(diào)節(jié)計算，可以得出：水庫缺水年為16年，根據(jù)《水利工程水利計算規(guī)范（SL 104—2015）》第7.1.2條條文說明之規(guī)定，在統(tǒng)計破壞年時，一般可以把缺水率小于等于5%的年份不作為破壞年統(tǒng)計，水庫實際破壞年為11年，農(nóng)田灌溉保證率為76.0%；城鄉(xiāng)供水破壞月為13月，場鎮(zhèn)供水保證率為97.6%。福林水庫多年平均供水量為1646.6萬m3，多年平均缺水量為68.8萬m3。

3.5 水庫調(diào)洪計算

福林水庫正常蓄水位498.00m，相應(yīng)庫容1018萬m3，死水位455.00m，調(diào)節(jié)庫容936萬m3，校核洪水位500.18m，總庫容1129萬m3，樞紐屬Ⅲ等中型工程，最大壩高為超70m的混凝土面板堆石壩，其建筑物級別提高為2級，但洪水標準不提高，按50年一遇洪水設(shè)計、1000年一遇洪水校核。經(jīng)調(diào)洪演算，校核洪水時，溢洪道下泄677m3/s，相應(yīng)的水位為500.18m；設(shè)計洪水時，溢洪道下泄431m3/s，相應(yīng)的水位為498.18m。

4 設(shè)計參數(shù)比選

4.1 管材選擇

本工程輸水沿線地形地勢復(fù)雜，輸水流量較小，根據(jù)經(jīng)濟流速確定的管徑為0.2m和0.6m。輸水線路沿途坡度變化較大，輸水管道內(nèi)外壓都比較大。同時，線路轉(zhuǎn)彎數(shù)量多，輸水保證率也要求高。因此，管道選材應(yīng)具備的特點如下：

（1）可以承受相應(yīng)的壓力。該項目管道為承壓管道，本文所研究輸水線路的最大靜水頭約為100m。一般情況下，非金屬管道的最大正常工作壓力約為允許工作壓力的0.67～0.71倍。如果水錘壓力比較大時，允許工作壓力取值會相應(yīng)提高，考慮到非金屬管道在壓力下的狀態(tài)，不得使用。

（2）因為供水用途包括人類和牲畜用水，所以對水的質(zhì)量要求很嚴格。管道長時間與水接觸時，不得產(chǎn)生有毒、有害化學(xué)物質(zhì)。

（3）管材應(yīng)該具有相應(yīng)的抵抗外部荷載的能力。本文研究對象使用埋管，由于沿途地形多變，埋深范圍相應(yīng)多變，部分地區(qū)涉及河流、公路，管材應(yīng)有承載填土靜荷載、交通動荷載、溫差、不均勻沉降等荷載的能力。

（4）應(yīng)具備一定的防腐性能。尤其對于金屬等易腐管材，防腐措施必不可少。

（5）滿足工程任務(wù)的同時，盡量降低成本；管材不易老化，并且能夠使用較長時間；管材之間易于連接，滿足各項技術(shù)指標。

4.2 球墨鑄鐵管設(shè)計

球墨鑄鐵管根據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程（CECS 142—2002）》中相關(guān)公式進行計算。球墨鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列兩種極限狀態(tài)進行設(shè)計：

（1）承載能力極限狀態(tài)，即管道結(jié)構(gòu)達到最大承載能力，管壁因材料強度被超過而破壞，管道結(jié)構(gòu)作為剛體失去平衡而上浮或滑移，管壁截面喪失穩(wěn)定；

（2）正常使用極限狀態(tài)，即管道的豎向變形超過正常使用的變形。

4.3 鋼管防腐形式選擇

因為有著良好的耐腐蝕性和附著力，環(huán)氧樹脂已被用于鋼管防腐。環(huán)氧樹脂是極性分子，有較好的附著力。但它是熱固性物質(zhì)，因此不耐顛簸。聚乙烯是熱塑性材料，具有良好的柔韌性，但附著力較差，所以將兩者組合使用能夠成為現(xiàn)階段最好的選擇。本工程的鋼管采用涂塑復(fù)合鋼管，防腐型式為內(nèi)熱熔結(jié)環(huán)氧涂層、外聚乙烯。

5 結(jié)語

水庫工程輸水管道沿線地形地勢復(fù)雜，輸水管道內(nèi)外壓都比較大。同時，輸水線路途經(jīng)多處陡坡，線路轉(zhuǎn)彎數(shù)量多，因此選擇球墨鑄鐵管作為主要管材，在穿越公路或遇到陡坡（＞16°）時采用鋼管。在保證安全的同時，有利于加快施工進度、節(jié)約投資，在同類工程中具有積極意義。