青年泵站及輸水管線設(shè)計分析

費開軒

(廣東水科院勘測設(shè)計院,廣東 廣州 510610)

1 工程概況

汕尾市區(qū)應(yīng)急備用水源工程是為解決在發(fā)生特大干旱、突發(fā)水安全事件情況下汕尾市城區(qū)汕尾市區(qū)居民生活日常均值75%，以及工業(yè)、城鎮(zhèn)公共正常情況30%的用水，從而進(jìn)一步提升汕尾市城區(qū)的供水安全保障能力的跨流域調(diào)水工程。工程從海豐縣青年水庫尾水渠引水，經(jīng)過青年泵站加壓后輸送至新地水廠原水池。該工程取水量為9.5萬m3/d，折合設(shè)計引水流量1.1 m3/s，合計20 d的取水量為190.0萬m3[1-3]。

工程供水對象為汕尾市城區(qū)，以青年水庫為起點，新地水廠為終點，輸水管線總長約該方案原水輸水線路總長約26.7 km。根據(jù)工程按供水對象的重要性，確定本工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時建筑物為5級[4-6]。

2 青年泵站設(shè)計方案分析

該應(yīng)急備用水源工程青年泵站初擬裝機2用1備，單泵流量0.55 m3/s，設(shè)計揚程85 m，電機功率630 kW。泵站采用液控緩閉止回蝶閥斷流。

2.1 樞紐高程

泵站樞紐位于小液河左岸，放水涵尾水渠右岸青年水庫管理房廠區(qū)內(nèi)。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2017)與《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265—2010)的規(guī)定，青年泵站的防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計、100年一遇洪水校核。泵站樞紐由進(jìn)水前池、主泵房、檢修間、壓力箱、管理房、配電房等建筑物組成。泵站樞紐所處位置地面高程為5.0～5.3 m，建成后泵房水機層地面高程為5.5 m。泵房水下墻高程為5.5 m，滿足規(guī)范GB 50265—2010，超高下限滿足規(guī)范要求。

2.2 主、副廠房布置

主、副廠房的布置是在可研報告基礎(chǔ)上及充分征求海豐縣青年水庫管理所意見的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化布置，主泵房安裝3臺雙吸離心泵(兩用一備)，由下至上依次為水泵層、電機層。水泵層底板高程1.00 m，建基面高程-0.80 m，泵組安裝高程2.16 m，機組間距4.80 m(機組中心距)，為節(jié)約用地，主、副廠房合并布置，泵房總占地為長×寬=24.05 m×12.90 m?；炷了聣敻叱?.50 m、6.60 m，主泵房設(shè)有1臺50 kN單梁電動葫蘆，軌頂高程10.20 m，泵房頂高程11.00 m，泵房頂高程不超過青年水庫管理樓一層高度。

2.3 沉砂池布置

沉砂池進(jìn)水口北側(cè)，沿現(xiàn)有渠道布置，渠道為矩形斷面，渠道底寬約8.0 m，底坡i=0.001。渠道水深按明渠均勻流計算。引水流量為1.1 m3/s時，渠道水深渠道攔沙坎高度為50 cm，糙率取0.025，求解得到明渠水深為0.271 m，流速0.507 m/s。在最小引水流量下，引水比K=Q引/Q渠=1.0。沉砂池段渠底高程為3.0 m，達(dá)到設(shè)計流量時，渠道水位為3.271 m。

2.4 攔沙坎設(shè)計

攔沙坎高度根據(jù)引水流量確定，根據(jù)工程布置，前池進(jìn)水口尺寸為2.0 m×3.2 m，側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)。根據(jù)索科洛夫?qū)o壩取水的經(jīng)驗總結(jié)，在含沙量較小的穩(wěn)定河床中，攔沙坎高度可采用0.5～0.8 m。本工程從青年水庫取水，放水渠渠底和側(cè)壁均做過硬化處理，原水含沙量比較小。攔沙坎高度采用0.5 m是合適的。

根據(jù)《水力學(xué)》[7]按式(1)進(jìn)行計算：

(1)

式中：Q為流量，m3/s;σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)，取0.366；n為孔數(shù)，取2.0；b為孔寬，取3.2 m；H0為上游水位。

經(jīng)計算，得出側(cè)堰進(jìn)口堰頂高程為2.6 m。

2.5 青年泵站監(jiān)測設(shè)計

青年泵站為3級建筑物，主要布置變形和環(huán)境監(jiān)測。

(1)變形監(jiān)測。在泵站擋墻、閘墩分縫兩側(cè)及廠房四周布置10個垂直位移測點，采用精密水準(zhǔn)法進(jìn)行監(jiān)測；建筑物變形影響區(qū)以外堅實基礎(chǔ)上布置2個起測水準(zhǔn)基點和1個校準(zhǔn)基點進(jìn)行校核。

(2)環(huán)境監(jiān)測。在進(jìn)水池布置1根水位標(biāo)志和1根水位計，并在泵站樞紐區(qū)域布置1套百葉箱和1支雨量計。儀器電纜引致泵站管理中心。

3 輸水管線設(shè)計方案分析

管材采用DN1000球墨鑄鐵管(鋼管)，新建管線長度12 299 m，管道主要采用開挖溝槽方式鋪設(shè)，管頂覆土厚度不小于1.0 m，大液河、小液河段管轄布置在堤防臨水側(cè)堤腳位置，其他河段布置在堤防背水側(cè)。

3.1 跨涵結(jié)構(gòu)

管道跨越段距離堤防排水涵出口較遠(yuǎn)位置采用跨河管橋結(jié)構(gòu)。管橋段采用直徑800 mm混凝土灌注樁，樁頂設(shè)置支墩(鎮(zhèn)墩)，支墩間距參考《自承式給水管道附屬構(gòu)筑物》(07MS101-3)，7度地震區(qū)(0.10 g)的非保溫管道，直徑DN1000，單跨允許跨度17.1 m，雙跨允許跨度17.1 m，本工程跨涵(小河)多為1跨和2跨結(jié)構(gòu)。管橋均高于現(xiàn)狀排水涵、閘的頂高程，不影響其功能。

管道結(jié)構(gòu)距離涵閘較近位置，管道在涵閘頂部設(shè)置支墩跨越。支墩間距與管橋跨度一致。根據(jù)沿線鉆孔柱狀圖，沿河段淤泥層最大厚度為13.6 m，上層填土厚度為1.4 m，管橋灌注樁長按穿透淤泥層并考慮一定的嵌固深度，管橋樁長為17 m。單樁豎向承載力特征值Ra=546.01 kN。

3.2 管槽開挖

3.2.1 陸地埋管段

根據(jù)管道沿線地層情況，管槽開挖主要有放坡開挖和鋼板樁支護(hù)開挖兩種形式。管槽開挖底寬計算式(2)如下：

B=D0+2(b1+b2+b3)

(2)

式中：B為管道溝槽底部的開挖寬度，mm；D0為管外徑，mm，球墨鑄鐵管取1048 mm；b1為管道一側(cè)的工作面寬度， DN1000管道取400 mm；b2為有支撐要求時，管道一側(cè)的支撐厚度，取150～200 mm；鋼板樁支撐時，槽鋼采用C-400×100×10.5×18槽鋼，厚度為100 mm；鋼板樁采用SP-Ⅲ型，厚度125 mm，支撐厚度取值為225 mm；b3為現(xiàn)場澆筑混凝土或鋼筋混凝土管渠一側(cè)模板的厚度，無鋼筋混凝土管道取值為0 mm。

3.2.2 頂管段

(1)黃江段頂管。黃江段頂管位于西閘上游，共設(shè)置1個頂管井，1個頂管井兼接接收井和1個接收井，頂管總長約561.17 m。頂管段管中標(biāo)高-7.6 m。

(2)市區(qū)段頂管。市區(qū)段頂管段位于汕尾市區(qū)，1#頂管井位于汕尾大道北側(cè)，2號接收井位于汕尾大道南側(cè)，頂管線路橫跨汕尾大道，與汕尾大道夾角為43°。頂管長約66 m；3#頂管井位于成業(yè)路西側(cè)，4#接收井位于成業(yè)路東側(cè)，頂管與成業(yè)路夾角45°。頂管長約60 m，頂管完工后頂管井和接收井均用粗砂回填密實。

3.3 管道接口

球磨鑄鐵管與球磨鑄鐵管之間采用“T”型承插接口，埋地鋼管與球磨鑄鐵管之間采用承插短管連接，鋼管與鋼管之間采用焊接方式連接，球墨鑄鐵管及鋼管與閥門連接部位均采用法蘭連接。承插接口可以有一定的轉(zhuǎn)角以便于借轉(zhuǎn)，通常情況下，偏轉(zhuǎn)角度不大于1°，借轉(zhuǎn)角度也可根據(jù)廠家提供的參數(shù)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)連接。管道接口模型見圖1。

圖1 管道接口模型

3.4 管道抗浮計算

(1)球磨鑄鐵管抗浮計算。DN1000球磨鑄鐵管單位重量為309.3 kg，覆土厚度1.0 m，填土浮容重11 kN/m3。按最不利空管工況進(jìn)行計算：抗浮力：Gk=13.09 kN,浮力：F=7.85 kN,Gk/F=1.67≥Kf=1.10，因此，滿足規(guī)范要求。

(2)沉管抗浮計算。DN1000鋼管單位重量為299.48 kg，最小覆土厚度1.1 m，填土(石)浮容重11 kN/m3，同樣按最不利空管工況進(jìn)行計算：抗浮力：Gk=15.09 kN,浮力：F=7.85 kN,Gk/F=1.92≥Kf=1.10，因此，滿足規(guī)范要求。

3.5 頂管計算

鋼管頂管傳力面允許的最大頂力計算如式(3)：

(3)

式中：Fa b為鋼管允許頂力設(shè)計值，kN；φ1為鋼材受壓強度折減系數(shù)，可取1.00；φ3為鋼材脆性系數(shù)，可取1.00；φ4為鋼管穩(wěn)定系數(shù)，取值0.40；fs為鋼材受壓強度設(shè)計值，Q235，抗壓強度設(shè)計值215 N/mm2。

經(jīng)計算Fa b=2522.59 kN。

頂管總頂推力可按下式(4)估算：

F0=πD1Lfk+NF

(4)

式中：F0為總頂推力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道外徑，取1.024 m；L為管道頂推長度，取338 m；fk為管道外壁與土體的平均摩阻力，觸變泥漿減阻時，fk取2 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力，kN。

經(jīng)計算F0=2274.27 kN。

由上述計算可知，頂管總頂推力小于鋼管最大允許頂力，管道不需要設(shè)置中繼間。

3.6 輸水管線監(jiān)測設(shè)計

輸水管為3級建筑物，主要布置水平位移監(jiān)測、沉降監(jiān)測、土壓力內(nèi)水壓力監(jiān)測與應(yīng)力監(jiān)測設(shè)施。

(1)水平位移監(jiān)測。1#～4#頂管井布置4根測斜管，共計16根；在輸水管線選取2個典型鋼板樁支護(hù)斷面在斷面鋼板樁外側(cè)各布置1根測斜管，共設(shè)置4根；在泵站旁邊的舊青年水庫管理房布置2根斜側(cè)管，管理樓進(jìn)行位移監(jiān)測。

(2)沉降監(jiān)測。在1#～4#頂管井及頂管井之間的地面布置沉降節(jié)點，工布置10個垂直位移監(jiān)測點，用于監(jiān)測頂管井及管線經(jīng)過地面的沉降情況。在頂管井及頂管變形影響區(qū)域以外設(shè)置水準(zhǔn)起測點和基準(zhǔn)點進(jìn)行校核。觀測點位移觀測中誤差不大于±1 mm。

(3)土壓力監(jiān)測。對1#～4#頂管井外側(cè)及減壓閥井鋼板樁支護(hù)外側(cè)各布置4支土壓力計，共計20支土壓力計，監(jiān)測井壁外側(cè)的土壓力情況。

(4)內(nèi)水壓力監(jiān)測。在輸水管線沿程檢修閥及量水間布置壓力傳感器和壓力表，并布置2個監(jiān)測點，用于監(jiān)測管道內(nèi)水壓力。

(5)應(yīng)力監(jiān)測。對1#～4#頂管井內(nèi)襯墻處選擇應(yīng)力較大位置各布置8只鋼筋計，共計32只鋼筋計，用于監(jiān)測內(nèi)襯墻內(nèi)的鋼筋狀態(tài)；針對減壓井布置4只鋼板計，用于測量鋼板樁的狀態(tài) 。

4 結(jié) 論

(1)廣東省汕尾市區(qū)應(yīng)急備用水源工程項目從青年水庫引水，解決汕尾市區(qū)的應(yīng)急備用水源問題，進(jìn)一步提升汕尾市城區(qū)的供水安全保障能力。

(2)汕尾市區(qū)應(yīng)急備用水源青年泵站與輸水管線和設(shè)計方案滿足相應(yīng)規(guī)范要求，工程技術(shù)可行、施工可操作性強、經(jīng)濟性比較合理。

(3)應(yīng)急備用水源的建設(shè)，提高了渠道輸水穩(wěn)定性與安全性，改善汕尾市水利基礎(chǔ)設(shè)施，對地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有積極的現(xiàn)實意義。