鄱湖四干渠輸水管道方案比選及設(shè)計(jì)綜述

杜 燕

(江西省鄱陽(yáng)縣水利局，江西 鄱陽(yáng) 333100)

1 工程概況

鄱湖灌區(qū)位于江西省鄱陽(yáng)縣中北部，是鄱陽(yáng)縣糧食等農(nóng)產(chǎn)品供給，提高灌區(qū)農(nóng)民生活水平的保障，灌區(qū)主要由軍民、濱田、梅嶺、大源河四大灌片組成，范圍涉及鄱陽(yáng)縣的16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，314個(gè)村，灌區(qū)總面積為13.49×104hm2，其中耕地面積4.85×104hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積2.34×104hm2[1]。灌區(qū)內(nèi)土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土，土層深厚，適宜耕種，但灌區(qū)內(nèi)極度干旱缺水，目前灌區(qū)內(nèi)提高峰期供水緊張，已無(wú)力承擔(dān)新發(fā)展的農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)，迫切需要實(shí)施水源工程來(lái)解決灌溉問(wèn)題。本次修四干渠引水線路總長(zhǎng)29.53km，其中管道埋設(shè)長(zhǎng)26.585km。文章主要針對(duì)引水管道的線路優(yōu)化、管徑、管材以及管道設(shè)計(jì)等各個(gè)方面展開分析，最終選擇出最佳的引水方案。

2 總體布局

灌區(qū)內(nèi)除四干渠外，1-3干渠、一分干渠、二分干渠大部分已實(shí)施完成或正在實(shí)施，四干渠穿越山丘陵區(qū)，以隧洞、倒虹吸、暗渠等形式多次跨越溝道。修改后的四干渠引水線路總長(zhǎng)29.53km，其中管道埋設(shè)長(zhǎng)326.585km，道采用鋼管和球墨鑄鐵管兩種管材，內(nèi)徑均為1.2m，單管引水，為溝埋式布置，管頂覆土厚1-3m。為解決檢修排水、運(yùn)行控制及管內(nèi)進(jìn)排氣的要求，管道沿線布置了1座引水閥井、17座檢修閥井、17座通氣閥井、6座排水閥井、1座泄水閥井、1座流量計(jì)井和1座調(diào)流減壓閥井。并在調(diào)流減壓閥井上游不遠(yuǎn)處青云山程家村后山坡設(shè)置調(diào)壓井，以減小流量調(diào)節(jié)對(duì)引水管道產(chǎn)生的波動(dòng)，提高引水系統(tǒng)的安全性。為避免彎道水流對(duì)管道沖擊破壞，穩(wěn)定管道，在水平及縱向轉(zhuǎn)彎處，設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘對(duì)下段管線局部段做進(jìn)一步優(yōu)化，考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素選擇了高線、中線、低線三個(gè)方案進(jìn)行比較。優(yōu)化線路比選見圖1。

圖1 下段局部線路優(yōu)化方案布置圖

方案一(高線方案)：高線方案全長(zhǎng)26.92km，主要經(jīng)過(guò)低、中山丘陵區(qū)、山間盆地及溝谷區(qū)、壽鹿山余脈、山前洪積傾斜平原區(qū)。線路最大高差187m。線路主要穿越建筑物為石油管線和天然氣管線。

方案二(中線方案)：中線方案全長(zhǎng)26.585km，主要經(jīng)過(guò)低、中山丘陵區(qū)、山間盆地及溝谷區(qū)、山前洪積傾斜平原區(qū)。線路最大高差287m。線路主要穿越建筑物為石油管線和天然氣管線。

方案三(低線方案)：低線方案全長(zhǎng)26.84km，主要經(jīng)過(guò)低、中山丘陵區(qū)、山間盆地及溝谷區(qū)、山前洪積傾斜平原區(qū)。線路最大高差300m。線路主要穿越建筑物為石油管線、天然氣管線和景泰城區(qū)供水工程管線。

上述三個(gè)方案，高線方案線路長(zhǎng)度最短，地形高差最小，但管線要穿越壽鹿山余脈長(zhǎng)度達(dá)2km；低線方案線路長(zhǎng)度最長(zhǎng)，地形高差最大，管線途徑線路均為平原區(qū)，地勢(shì)較緩。中線方案的線路長(zhǎng)度、地形高差位于其他兩方案之間，線路整體趨勢(shì)較平緩，且不存在穿管隧洞。從平面布置比較，方案二最優(yōu)。

2.1 地形地質(zhì)條件

3條方案地形地質(zhì)條件比較見表1。

表1 比選線路地形地質(zhì)條件比較表

根據(jù)地形和地質(zhì)條件比較，方案2和方案3工程地質(zhì)條件基本相同，對(duì)管線布 置無(wú)影響，方案1對(duì)管線布置存在一定的影響，方案2和方案3優(yōu)于方案1。

2.2 運(yùn)行安全等其它因素

從工程運(yùn)行安全角度，3個(gè)方案最大靜水頭分別為185m、287m和300m，方案1最安全，方案3最危險(xiǎn)。從線路布置上比較，方案3在沙溝中布置線路最長(zhǎng)，方案2次之，方案一最短，從管道受洪水沖刷而言，方案1優(yōu)于方案2和方案3。

2.3 經(jīng)濟(jì)比較

對(duì)3個(gè)方案的主要工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行比較，見表2。

表2 主要工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

由表2可知，方案2投資最小，比方案1節(jié)省投資965.9萬(wàn)元，比方案3節(jié)省投 資1571.79萬(wàn)元。故從經(jīng)濟(jì)性比較，方案2最優(yōu)。

綜合比較，方案二投資較方案一和方案三小，管道最大凈水頭287m，比方案三 小，相對(duì)比較安全，因此從經(jīng)濟(jì)、安全性、施工條件、對(duì)環(huán)境影響等方面進(jìn)行綜合 論證分析，該階段推薦方案二(中線)。

3 壓力管道設(shè)計(jì)

3.1 管徑選擇

考慮該工程的實(shí)際情況，輸水方式采用重力流，在滿足輸水要求的情況下，盡量選用斷面較小管道，以降低運(yùn)行成本。輸水管線確定經(jīng)濟(jì)管徑的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，2.8m3/s；μc為管道流量系數(shù)，取值1.2；A為管道斷面面 積，m2；H為不包括行近流速水頭的作用水頭，H=287m。

通過(guò)計(jì)算，初步選定灌溉輸水管道管徑1200mm，滿足過(guò)流要求。

3.2 管材選擇

工程區(qū)地形起伏變化較大，工程的輸水方式為有壓輸水。本工程新建干管輸水 管線路長(zhǎng)26.585m，結(jié)合國(guó)內(nèi)外供水工程管道的施工經(jīng)驗(yàn)與運(yùn)行情況[2]，對(duì)適用于本工程的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管)、涂塑復(fù)合鋼管和球墨鑄鐵管3種管材進(jìn)行分析比較，三種管材具體比較結(jié)果見表3。

表3 3種管材綜合比較表

因此經(jīng)綜合考慮，本階段管材選擇使用球墨鑄鐵管和涂塑鋼管，具體根據(jù)沿線壓力等級(jí)，1.0-2.0MPa公稱壓力等級(jí)范圍內(nèi)采用球墨鑄鐵管，0.6-1.0MPa、2.0-4.0MPa公稱壓力等級(jí)范圍內(nèi)采用涂塑復(fù)合鋼管，管徑DN1200mm。

3.3 水力計(jì)算

本次水力計(jì)算中采用海曾威廉公式計(jì)算水頭損失的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

hj=iL

(2)

i=10.67C-1.825Q1.825d-4.87

(3)

式中：各種管材的海曾威廉系數(shù)C的取值，主要依據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》， 和廠家建議值選取。球墨鑄鐵管，C=125，涂塑鋼管：C=135。單公里管道水頭損失計(jì)算見表4。

表4 單公里水頭損失計(jì)算表

管道某一點(diǎn)的工作水頭按下式計(jì)算：

(4)

h1-2=hj+hf

(5)

式中：Hi為計(jì)算點(diǎn)的壓力水頭，m；H0為計(jì)算段起點(diǎn)總水頭，m；v為管內(nèi)流速，m/s；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)，取 1.0-1.05；h1-2為計(jì)算段起點(diǎn)至末點(diǎn)的總水頭損失，m。管道壓迫線計(jì)算見表 5。 輸水管水力計(jì)算成果見圖2。

表5 輸水管道水力計(jì)算(部分)

圖2 輸水管水力計(jì)算成果圖

3.5 管道敷設(shè)

新建干管順地形采用地埋方式敷設(shè)，施工中避免大的深挖方和填方，管線整體 埋深應(yīng)在凍土層1.5m以下，管道穿越溝道處考慮洪水沖刷影響，管道埋置深度均按 2.5m設(shè)計(jì)[3]。在管線起伏段的高處和向下彎處，設(shè)置排氣閥，在管軸線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處、局部段管道縱坡較陡時(shí)，考慮管道穩(wěn)定，在上、下側(cè)彎管處設(shè)置鎮(zhèn)墩，以保障管道的穩(wěn)定設(shè)置鎮(zhèn)墩。

結(jié)合近幾年江西省內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，本工程外防腐擬選定3PE防腐方法，將環(huán)氧粉 末、膠黏劑和層聚乙烯三種材料融為一體，并與鋼管牢固結(jié)合形成優(yōu)良的防腐層。本工程鋼管內(nèi)防腐選用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，施涂于經(jīng)預(yù)熱的鋼管表面，熔化、流平、固化形成一道均勻的涂層防腐是在高溫下形成的重防腐涂層。

4 結(jié)論及建議

鄱湖灌區(qū)四干渠工程引水線路總長(zhǎng)29.53km，其中管道埋設(shè)長(zhǎng)26.585km，，占輸水線路總長(zhǎng)的90%，對(duì)工程影響甚大，因此進(jìn)行管線輸水線路、管材以及管徑等方面的比較以及 管道水力計(jì)算與管道設(shè)計(jì)，對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工以及工程進(jìn)度、投資等具有重要意義。