汕尾市區(qū)供水節(jié)水改造工程設(shè)計(jì)方案分析研究

陳 湘

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

汕尾市位于廣東省粵東沿海，珠江三角洲與海峽經(jīng)濟(jì)圈中間，北緯22°37′29″—23°28′33″，東經(jīng)114°54′46″—116°13′16″，與香港一水之隔，南臨紅海灣和碣石灣，西瀕惠州市，東接揭陽，北部與梅州、河源接壤[1-3]。汕尾市區(qū)地表飲用水源基本依靠公平水庫通過公平干渠引水到赤沙水庫，經(jīng)調(diào)研，采用明渠輸水的方式，公平水庫流入公平干渠的水約1.36億m3，只有0.55億m3進(jìn)入赤沙水庫，大概3000多萬m3的水通過滲漏、蒸發(fā)損失掉，在這種損失條件下，2025年公平水庫將不能滿足各用水戶的用水需水。明渠輸水的方式也會(huì)影響水質(zhì)，存在生活垃圾和生活污水污染水質(zhì)的可能。因此，急需對汕尾市區(qū)的供水方式進(jìn)行工程改造，通過封閉式管道輸水至赤沙水庫，能有效防止輸水過程水質(zhì)污染和公平干渠工程損壞對供水的威脅，大幅度減少輸水損失，大大提高公平水庫水資源利用效率，緩解汕尾城區(qū)供水壓力。

2 工程規(guī)模

2.1 工程等級與標(biāo)準(zhǔn)

本工程輸水管道設(shè)計(jì)引水流量Q=4.8 m3/s，年平均取水量1.08億m3。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)及《調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL 430—2008)的規(guī)定[4]，按照本工程供水對象的重要性，確定本工程的工程等別為Ⅱ等大(2)型。相應(yīng)主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。主要建筑物包括引水渠道、進(jìn)水閘、加壓泵站、渠道擋水閘、輸水管道、輸水隧洞、高位水池、過河倒虹吸等。次要永久建筑物包括管道檢修道路、廠區(qū)附屬建筑物等。

本工程供水對象主要為汕尾城區(qū)及紅海灣開發(fā)區(qū)的生活和工業(yè)用水，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)、《調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則(附條文說明)》(SL 430—2008)和《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)[5]，確定取水口進(jìn)水閘、加壓泵站、輸水管道等主要建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核；次要建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計(jì)，100年一遇洪水校核。

2.2 設(shè)計(jì)引水流量

設(shè)計(jì)引水流量由三部分疊加，一是入赤沙水庫的引水流量，二是可塘陶河鎮(zhèn)引水流量，三是檢修期備用流量。本工程設(shè)計(jì)管道規(guī)模取遠(yuǎn)期的4.8 m3/s。最終計(jì)算結(jié)果見表1。

3 工程建筑總體布置

管線全長約為26.83 km，其中，管道埋設(shè)長度約24.17 km，頂管長1.35 km，隧洞長0.31 km，利用現(xiàn)狀隧洞長1.00 km，期間穿越高速公路2次、一、二級公路5次、干渠3次、九龍河及東溪河各1次。

表1 赤沙～公平水庫引水管道計(jì)算結(jié)果 m3·s-1

(1)公平泵站樞紐工程。公平泵站樞紐由進(jìn)水閘、引水渠、泵站前池、主廠房、副廠房、安裝間、擋水閘等建筑物組成。

公平泵站布置在公平水庫副壩下游，取水口位于干渠首段轉(zhuǎn)角處，從公平干渠引水。取水口設(shè)計(jì)流量為4.8 m3/s。

(2)埋管。管線埋管段長24.17 km，管內(nèi)徑為2.0 m，其中，普通埋管23.40 km，跨一般渠道/河道埋管0.43 km，穿一般公路埋管0.32 km。高位水池前段埋管管材采用球墨鑄鐵管(DIP)，高位水池后段埋管管材采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)。

(3)隧洞。潭頭垅輸水隧洞長306 m，洞內(nèi)徑為2.0 m，樁號(hào)為E3+784.27～E4+091.03。

(4)跨東溪河倒虹吸。跨東溪河倒虹吸長260 m，管內(nèi)徑為2.0 m，樁號(hào)E18+577～E18+840。

(5)頂管。管線頂管段長1350.6 m，其中，穿過高速公路和一、二級公路采用套管型式，頂管套管管徑為2.2 m，內(nèi)置鋼管管徑為2.0 m。而在橫穿干渠及東溪河位置頂管管材采用鋼管，管徑為2.0 m。

(6)附屬建筑物。附屬建筑物有：建筑量水間、閥室、檢查井、排泥閥、進(jìn)(排)氣閥、調(diào)壓室、高位水池。

(7)赤沙泵站技術(shù)改造。為了保證管路檢修前水庫能蓄夠水量，須對赤沙泵站機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造。泵站原裝4臺(tái)機(jī)組(3用1備)，單機(jī)設(shè)計(jì)流量2.42 m3/s，現(xiàn)對全部機(jī)組進(jìn)行更換，根據(jù)上一級泵站公平泵站的裝機(jī)3臺(tái)機(jī)組(2用1備)和設(shè)計(jì)流量4.80 m3/s，赤沙泵站作為其二級泵站運(yùn)行要與之相配套，故赤沙泵站的設(shè)計(jì)流量和公平泵站一樣為4.80 m3/s，裝機(jī)2臺(tái)，單機(jī)設(shè)計(jì)流量2.40 m3/s。

赤沙泵站已建成投入使用，現(xiàn)泵站進(jìn)水口設(shè)有4個(gè)閘孔，閘孔預(yù)留有1道攔污柵柵槽和1道檢修閘門門槽，無任何門(柵)槽埋件和其他金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，擬對其中2個(gè)閘孔進(jìn)行改造升級。泵站右側(cè)水庫自流進(jìn)水渠的末端目前已破損，本次對進(jìn)水渠進(jìn)行修復(fù)加固，采用C30混凝土重力式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有渠道擋墻銜接。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 輸水建筑物水力設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1.1 管道水頭損失計(jì)算

本工程管材主要為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)和球墨鑄鐵管(DIP)。管道水頭損失計(jì)算公式(1)～公式(2)如下：

h=hf+hj

(1)

(2)

式中：hf為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m；ξ為局部水頭損失系數(shù)；v為管道斷面水流平均流速，m/s。

沿程水頭損失采用式(3)～式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

式中：C為流速系數(shù)；R為水力半徑，m；L為管道長度，m；n為管道的粗糙系數(shù)，取0.0125；y取1/6。球墨鑄鐵管設(shè)計(jì)粗糙系數(shù)n值取0.012。局部水頭損失按沿程水頭的15%計(jì)算。公平泵站～高位水池和高位水池～赤坑隧洞前池輸水管線水頭損失計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 公平泵站～高位水池輸水管線水頭損失計(jì)算 m

表3 高位水池～赤坑隧洞前池輸水管線水頭損失計(jì)算 m

4.1.2 公平泵站揚(yáng)程計(jì)算

根據(jù)赤坑隧洞前池水位、公平泵站前池水位、高位水池及管道水損推算近遠(yuǎn)期在不同流量下泵站最低揚(yáng)程、設(shè)計(jì)揚(yáng)程及最高揚(yáng)程。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 公平泵站揚(yáng)程計(jì)算 m

4.2 公平泵站樞紐設(shè)計(jì)計(jì)算

4.2.1 泵站廠房穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算

作用在廠房上的荷載主要有：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力、泥沙壓力、波浪壓力、地震作用等。

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)，對泵站廠房的基地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5結(jié)果可以看出：抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值Kc、Kf均大于規(guī)定允許值，滿足規(guī)范要求；廠房基底最小應(yīng)力均>0，最大應(yīng)力152.3 kPa。泵站基礎(chǔ)位于砂礫卵石層，局部位于粗砂層，承載力特征值為200～400 kPa，滿足承載力要求。泵站為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，局部應(yīng)力較大，對地基要求較高，考慮到施工開挖對粗砂層的局部擾動(dòng)，在泵站增加一層600 mm厚的6%水泥碎石夾砂墊層。

表5 公平泵站廠房穩(wěn)定計(jì)算成果

4.2.2 閘室整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)規(guī)定，不同荷載組合計(jì)算公平泵站進(jìn)水閘閘室和公平灌渠擋水閘閘室基底應(yīng)力及穩(wěn)定結(jié)果如表6所示。

從表6計(jì)算結(jié)果可以看出：公平泵站進(jìn)水閘閘室及公平灌渠擋水閘天然地基承載力可滿足設(shè)計(jì)要求，無須進(jìn)行地基處理，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許值。

表6 基底應(yīng)力及穩(wěn)定計(jì)算成果

4.2.3 擋墻穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)泵站樞紐擋墻布置及地基情況，選取泵站前池扶壁式擋墻作為穩(wěn)定計(jì)算對象。選取以下幾種計(jì)算工況：

(1)基本組合Ⅰ：完建工況，擋墻背水側(cè)無水，臨水側(cè)為無水；

(2)基本組合Ⅱ：正常擋水位，擋墻背水側(cè)為地下水位常水位，臨水側(cè)為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位；

(3)基本組合Ⅲ：檢修工況，擋墻背水側(cè)為低水位，臨水側(cè)為無水；

(4)特殊組合Ⅰ：最高擋水位，擋墻背水側(cè)為地下水位常水位，臨水側(cè)為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位；

(5)特殊組合Ⅱ：地震工況，擋墻背水側(cè)為低水位，臨水側(cè)為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位。

本工程引水渠前池?fù)鯄?級建筑物，按照《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值基本組合取1.30，特殊組合Ⅰ取1.15，特殊組合Ⅱ取1.05，取抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)允許值基本組合取1.50，特殊組合取1.40。穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算成果見表7。表中“—”，表示數(shù)值較大，計(jì)算已滿足要求。

從表7計(jì)算結(jié)果可以看出：引水渠前池?fù)鯄ψ畲髴?yīng)力183.53 kPa，該擋墻坐落于砂礫卵石層上，天然地基承載力可滿足設(shè)計(jì)要求，無須進(jìn)行地基處理?；讘?yīng)力分布合理，應(yīng)力比都不大，均滿足規(guī)范要求?？够?、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許值。

表7 擋墻穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算成果表

4.3 管道穩(wěn)定及基底應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算

本工程項(xiàng)目中潭頭垅高位水池前段管線約4.47 km，采用球墨鑄鐵管(DIP)，管徑為2.0 m，管基采用C15混凝土120°包角；在高位水池后段約21.39 km管材采用預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管(PCCP)，管徑為2.0 m，管基采用C15混凝土或級配碎石墊層120°包角。在彎頭、過路、過溝、頂管采用鋼管，管基采用外包0.5厚混凝土。并根據(jù)荷載組合，對DN2000球墨鑄鐵管及PCCP管進(jìn)行基底應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 管道穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果 kN

從表8可以看出，兩種管材抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.1，滿足規(guī)范要求；經(jīng)計(jì)算管道基底應(yīng)力均不大于100 kPa，管道基礎(chǔ)大部分在填土、粉質(zhì)黏土、風(fēng)化土層上，地基承載力約120～150 kPa，滿足承載力要求，無須進(jìn)行地基處理。在局部跨河、跨渠段地下水豐富管道地段或地質(zhì)條件較差地段考慮進(jìn)行地基處理。

5 結(jié) 語

通過對汕尾市區(qū)供水現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對供水節(jié)水改造工程進(jìn)行總體布置，綜合考慮防洪及輸水過程中安全運(yùn)行工況，結(jié)合泵站、閘室、擋墻和管道穩(wěn)定性等因素，確定了汕尾市區(qū)供水節(jié)水改造工程的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)方案較為合理，可為類似供水節(jié)水改造工程方案設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考依據(jù)。