山區(qū)國家儲備林供水灌溉工程規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)實(shí)踐
——以涼州區(qū)南部山區(qū)2022年國家儲備林灌溉工程為例

李鵬學(xué)，張 釗，陳元福

（1.涼州區(qū)河湖管理中心，甘肅 武威 733000；2.涼州區(qū)水電勘測設(shè)計隊(duì)，甘肅 武威 733000；3.武威市水利水電設(shè)計院有限公司，甘肅 武威 733000）

1 基本情況

涼州區(qū)南部山區(qū)2022 年國家儲備林灌溉工程位于涼州區(qū)謝河鎮(zhèn)，地處祁連山淺山區(qū)，地勢東南高西北低，區(qū)域內(nèi)海拔1 890～2 100 m。工程區(qū)屬溫帶干旱半干旱區(qū)，年最高氣溫38.5 ℃，最低氣溫-29.5 ℃，多年平均降水量158.4 mm，蒸發(fā)量2 021 mm，最大凍土深142 cm。工程區(qū)規(guī)劃綠化面積692.2 hm2，栽植山杏、樟子松、云杉及沙棘等127.18 萬株。苗木種植田間布置為山杏、樟子松、云杉3.0 m×2.0 m，沙棘2.0 m×2.0 m。該區(qū)域降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，作物非灌不殖，發(fā)展國家儲備林需全年通過工程措施供水灌溉。工程區(qū)可利用水源為黃羊水庫，附近有黃羊河引水渠首，可利用現(xiàn)有黃羊五干一支渠引水至工程區(qū)。

2 工程規(guī)劃與建設(shè)需解決的難題

2.1 供水管網(wǎng)和灌溉系統(tǒng)水壓力設(shè)計需考慮工程區(qū)地形起伏變化大的情況

工程區(qū)屬祁連山北坡淺山丘陵區(qū)，有二牛溝、板溝、灘溝、張林溝等5條山溝，地貌為丘陵溝壑，溝谷陡而深，相對高差10～50 m。塬面相對平緩，坡度20°左右，溝谷坡度75°左右，灌溉供水既存在壓力不足小管出流流量偏小，又存在管網(wǎng)壓力過大爆管情況，很難滿足正常恒壓供水[1]。

2.2 工程布局需系統(tǒng)考慮供水點(diǎn)與灌溉區(qū)域相對落差較大、管線長的情況

工程區(qū)供水水源為黃羊水庫，利用現(xiàn)有黃羊五干一支渠從黃羊河渠首取水至擬建調(diào)蓄水池，調(diào)蓄水池設(shè)計水位高程1 819.80 m，種植區(qū)最高高程2 036.7 m，相對落差216.9 m。種植區(qū)域最大長、寬分別為3 224 m、1926 m，地形坡度在1∶14～1∶7。由于地形落差大，供水管線長，工程布局需從供水首部和管網(wǎng)安全、運(yùn)行管理方便等綜合考慮。

2.3 工程建筑物設(shè)計和灌溉管理需考慮工程區(qū)濕陷性黃土土質(zhì)情況

工程區(qū)主要為第四系Q4不同成因的堆（沉）積物覆蓋，成因類型較復(fù)雜，主要有沖洪積、洪積、人工堆積等，具有典型的山前水文地質(zhì)分帶特征。在大地構(gòu)造上屬于河西走廊過渡帶的武威新凹陷盆地區(qū)，南側(cè)以斷裂帶與祁連山褶皺帶銜接，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。工程區(qū)土質(zhì)為濕陷性黃土，不利于修建蓄水建筑物。同時，種植區(qū)土質(zhì)保水性較差，在水量較少的情況下苗木極易受旱，在灌水量較多時易造成局部地塊塌陷，形成溝壑，傾翻已栽植的樹木，常規(guī)溝灌、畦灌溉方式不適應(yīng)，對灌溉要求相對較高。

3 工程規(guī)劃設(shè)計

3.1 工程總體布局

利用黃羊五干一支渠從黃羊渠首引水，在種植區(qū)坡腳、五干一支渠附近新建調(diào)蓄水池，通過高揚(yáng)程水泵一次性加壓供水。結(jié)合地形和供水流量，設(shè)A、B、C 三個供水片區(qū)，分三路干管供水，涼州區(qū)南部山區(qū)2022 年國家儲備林灌溉供水工程總體平面布置（圖1）。供水干管向上沿山體垂直等高線布設(shè)，配水管道均呈“豐”字型布設(shè)分支管垂直干管布設(shè)，地面輔管垂直等高線。滴灌帶平行等高線、沿栽植樹木株行距布置，采用小管出流灌溉。分區(qū)域灌溉，A片區(qū)灌溉面積278 hm2，劃分25個灌水小區(qū)；B片區(qū)灌溉面積227.3 hm2，劃分24個灌水小區(qū)；C片區(qū)灌溉面積186.9 hm2，劃分23個灌水小區(qū)。

圖1 涼州區(qū)南部山區(qū)2022年國家儲備林灌溉供水工程總體平面布置

3.2 水源工程設(shè)計

根據(jù)工程區(qū)已建水利工程、區(qū)域地形、地貌、地質(zhì)條件等，工程可供引用的灌溉水源為流經(jīng)植樹區(qū)山腳的黃羊灌區(qū)五干渠一支渠末端地表水。五干渠從黃羊渠首西進(jìn)水閘引水，流經(jīng)13.5 km，從五干一支渠分水閘取水，渠長4.2 km，渠底最緩縱坡1∶1428，設(shè)計引水流量0.3 m3∕s，現(xiàn)灌溉周邊農(nóng)田面積196.7 hm2。

3.3 調(diào)蓄水池設(shè)計

經(jīng)核算工程區(qū)灌溉最大灌水率120 m3∕s·hm2，最小灌水率7.2 m3∕s·hm2，灌溉日用水量在987～16 373 m3，同時，供水渠道兼顧周邊農(nóng)田灌溉，綜合考慮，蓄水池設(shè)計容積為10 000 m3，進(jìn)行日調(diào)節(jié)供水。

調(diào)蓄水池布設(shè)在黃羊五干一支渠西側(cè)荒地，地層巖性上部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）黃土，微具水平層理，弱粘結(jié)性，抗沖刷力差。池基主要地層巖性為砂礫卵石，厚度大于5 m，滲透系數(shù)為（1.6～2.1）×10-3cm∕s。經(jīng)穩(wěn)定復(fù)核計算，同時為便于施工，調(diào)蓄水池采用內(nèi)壩坡比1∶2.75，外邊坡坡比1∶2.5。調(diào)蓄水池設(shè)計深度5 m，采取防滲措施。內(nèi)池坡自下向上依次為1.5 m砂礫石換基夯實(shí)（壓實(shí)度≥0.96）、100 mm的壤土墊層（壓實(shí)度≥0.96）、250 g∕m2∕PE0.5 mm∕250 g∕m2復(fù)合防滲土工膜、50 mm 厚M10 水泥砂漿、粒徑<150 mm厚300 mm砂礫碎石壓重層。池底自下而上依次為原基夯實(shí)（壓實(shí)度≥0.96）、100 mm 的壤土墊層（壓實(shí)度≥0.96）、250 g∕m2-PE0.5 mm-250 g∕m2復(fù)合防滲土工膜、100 mm 的壤土墊層、粒徑<150 mm厚300 mm 砂礫碎石壓重層。池坡坡底設(shè)一道現(xiàn)澆C25砼固腳。調(diào)蓄水池典型斷面詳見圖2。

圖2 調(diào)蓄水池典型斷面圖

3.4 首部設(shè)計

泵站布置于調(diào)蓄水池西南側(cè)，地層巖性主要為風(fēng)積黃土（Q3eol）及沖洪積砂礫卵石場地地基土，對普通混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性[2]，施工過程中可采取防微腐蝕措施。泵坑地基為砂礫卵石層，泵坑開挖邊坡比取1∶1.5。泵站地基需承受上部建筑物荷載和水泵震動，整平壓實(shí)相對密度達(dá)到Dr＞0.75。根據(jù)灌溉區(qū)域面積和高程，分別用三組水泵加壓供水，A區(qū)設(shè)計流量140 m3∕s，設(shè)計揚(yáng)程120 m，B 區(qū)設(shè)計流量120 m3∕s，設(shè)計揚(yáng)程185 m，C區(qū)設(shè)計流量110 m3∕s，設(shè)計揚(yáng)程255 m，在充分考慮滿足深井泵高揚(yáng)程、減小泵坑挖深、降低安裝難度的基礎(chǔ)上，參照同類已建工程，本工程三組水泵選用臥式深井潛水泵。考慮灌溉期水泵維修等因素，設(shè)計泵站內(nèi)并排安裝水泵為4 臺（3 用1備），另儲備2 臺水泵放置于庫房，以備不時之需[3]。為滿足水泵安裝要求，水泵固定于臥式支架上，直接安裝于泵坑池底，水池最低運(yùn)行水位高于水泵頂平面3 m。根據(jù)水泵及附屬設(shè)施占地情況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)合理，泵站管理房設(shè)計總面積264 m2。

供水系統(tǒng)首部樞紐設(shè)置在設(shè)備房內(nèi)，包括逆止閥、排氣閥、閘閥、壓力表等。供水管道均需在管道出口設(shè)置手動閘閥，用以控制管道介質(zhì)。為方便管道分水管理及維修檢查、排氣，在管道分段設(shè)置檢修閥，在管線低凹處設(shè)置放空閥以及放空管道。水泵出口安裝壓力表及壓力變送器，用以實(shí)時觀測水泵運(yùn)行狀況。

3.5 管網(wǎng)設(shè)計

輸配水管網(wǎng)由主干管、分干管、地面輔管和滴灌管組成。

（1）主干管及分干管設(shè)計。為降低運(yùn)行費(fèi)用，方便管理操作，地塊與調(diào)蓄池位置、高程等，灌溉系統(tǒng)均按照“管路短、控制面積大”的布置原則，按“山”字形和“豐”字形布置干管和分干管。在干管和分干管最低處設(shè)置排水閥門，主干管與分干管交叉處設(shè)置閘閥井，同級管道盡量避免出現(xiàn)凸起，各系統(tǒng)不同流量干管特性見表1。

表1 各系統(tǒng)不同流量干管特性表

（2）干管防腐設(shè)計。綜合考慮施工方便、山區(qū)工程質(zhì)量控制、管網(wǎng)壓力等因素，主干管及分干管均采用無縫鋼管，連接方式為法蘭連接。為有效控制鋼管腐蝕，延長使用年限，對壓力鋼管進(jìn)行除銹防腐，等級不低于Sa2.5級。地埋管段內(nèi)防腐采用熱熔結(jié)環(huán)氧粉末（EP）防腐，涂層厚度不小于400 μm。外防腐底層采用環(huán)氧富鋅（或無機(jī)富鋅）60 158 μm、中間層采用環(huán)氧云鐵100 μm，面層采用丙烯酸聚氨酯100 μm，與混凝土接觸部位鋼管外壁涂刷300～800 μm水泥漿做臨時防護(hù)。

（3）地面輔管和滴灌管管徑及管材選擇。由于本工程地形落差較大，輸配水管網(wǎng)承受動水、靜水壓力大，選擇管材時，應(yīng)在安全、經(jīng)濟(jì)的原則下，考慮選擇強(qiáng)度高、韌性好、安裝維護(hù)方便的材料。經(jīng)比選，主干管、豎管及地面輔管均選用耐久性強(qiáng)、運(yùn)行可靠且不易損壞的PE管。根據(jù)管網(wǎng)水力計算結(jié)果，承壓等級均選為1.6～1.0 MPa。滴灌管選用Φ16 mmPE管，壁厚e為1.2 mm，額定工作水頭為10 m，穩(wěn)流器設(shè)計流量為6.0 L∕h，滴頭間距與種植間距相一致，一樹一滴頭[4]。

3.6 附屬建筑物設(shè)計

根據(jù)管道壓力情況，在管道沿線設(shè)置減壓閥井，井壁厚0.2 m，底板厚0.25 m，蓋板厚0.2 m，井深依管道埋深而定。為方便灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)的配水、分水管理及維修檢查，在管道分水處均設(shè)置閘閥井，井內(nèi)安裝閘閥，閘閥井井深2.0 m。井底由下向上依次為原土夯實(shí)，0.3 m 厚砂礫石墊層及0.1 m 厚現(xiàn)澆C20 砼圓形底板，直徑為1.5 m。管溝開挖時，為便于施工，斷面選用梯形斷面，邊坡1∶0.5，底寬0.6 m，填埋時，由于田間灌溉管道，冬季不運(yùn)行，管頂以上需覆土1.5 m，保證管道不被凍漲破壞。由于工程相對落差較大，為保證管道穩(wěn)定性，在管線拐彎處設(shè)置C25混凝土鎮(zhèn)墩。

3.7 灌溉制度設(shè)計

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水源保障和自然條件，灌溉設(shè)計保證率采用90%，土壤計劃濕潤層深度0.6 m，土壤濕潤比取30%，適宜土壤含水率田間最大持水率取24%，經(jīng)分析計算，最大凈灌水定額15.12 mm。設(shè)計耗水強(qiáng)度取為2.5 mm∕d，設(shè)計供水強(qiáng)度2.49 mm∕d，經(jīng)計算，設(shè)計灌水周期取6 d。設(shè)計凈灌水定額為15.12 mm（0.672 m3∕hm2），設(shè)計毛灌水定額為0.747 mm（11.2 m3∕hm2）。一次灌水延續(xù)時間16.8 h?？紤]工程區(qū)控制灌溉面積較大，為確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，采用輪灌制度[5，各片區(qū)輪灌組劃分除應(yīng)考慮安全外，還應(yīng)盡量便于操作管理。A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)分為3 個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)劃為8個輪灌組灌溉，每個輪灌組灌溉時間為16.8 h，每次灌溉定額為0.747 m3∕hm2。工程區(qū)設(shè)計水平年典型作物灌溉制度見表2。

表2 工程區(qū)設(shè)計水平年典型作物灌溉制度

4 運(yùn)行情況

工程建成運(yùn)行時，3 條主管（3 個片區(qū)）同時開啟，根據(jù)設(shè)計凈灌溉定額0.672 m3∕hm2，毛灌溉定額0.747 m3∕hm2，一次灌水時間16.8 h，每個灌溉周期6～8 d。各片區(qū)劃分為3 個分片區(qū)，每個分片區(qū)劃分為8 個輪灌組，每個輪灌組結(jié)合水泵供水能力和出水口布置確定控制灌溉面積，各滴灌片區(qū)輪灌情況見表3。

表3 各滴灌片區(qū)輪灌情況表

5 啟示

（1）供水灌溉區(qū)域內(nèi)地勢復(fù)雜，山嶺溝壑交錯，最高供水點(diǎn)與水源點(diǎn)調(diào)和落差近220 m，灌溉區(qū)屬濕陷性黃土，不適宜修建調(diào)蓄工程設(shè)施。一方面揚(yáng)程高，各區(qū)域壓力變幅較大，既存在壓力不足又存在壓力過大爆管情況，另一方面控制面積666 hm2以上，小管出流灌溉需要恒壓供水，容易造成相對提水點(diǎn)落差大的區(qū)域供水壓力不足，無法滿足正常恒壓供水。在本工程規(guī)劃設(shè)計時，確定采用一次加壓、分三個區(qū)域、三個系統(tǒng)供水的方案；水泵按照實(shí)際供水高程和流量定制，配套變頻調(diào)節(jié)設(shè)備；對所有管網(wǎng)進(jìn)行水頭壓力計算，并設(shè)置降壓和排氣閥，適應(yīng)了地形相對落差，保證了供水所需水壓，使灌溉更加均勻有效[6]。

（2）工程供水主管壓力要求在2.5 MPa 以上，選用鋼管。鋼管管徑為D200，總施工長度12.45 km，連接點(diǎn)共104個，因受地形條件約束，管道現(xiàn)場連接施工和運(yùn)輸難度較大。在施工設(shè)計中，地形相對平緩區(qū)域采用現(xiàn)場焊接方式，山坡和溝壑區(qū)域采用法蘭連接。在初次試水中，焊接連接的漏水點(diǎn)占總焊接點(diǎn)的3%，主要集中在某一施工段；法蘭連接的漏水點(diǎn)占總法蘭連接點(diǎn)的2%，主要是螺栓有松動。實(shí)踐表明，這2種方式均能滿足供水要求，采用焊接連接時對施工人員技術(shù)要求較高，法蘭連接施工程序相對多，但后期維修方便。因地制宜選擇鋼管施工方法，可保證供水管道安全可靠[7]。

（3）為適應(yīng)山區(qū)地形實(shí)際和壓力恒定的要求，滴灌帶沿等高線布設(shè)，可防止滴灌管壓力過大脫節(jié)或壓力過小滴頭不出水等問題。劃定了72 個輪灌組，并結(jié)合實(shí)際輪灌小組區(qū)域地塊地形，逐段通過水力計算確定滴灌帶長度，確保小管出流灌溉流量基本均衡，同時，在小管出流接口處配置穩(wěn)流器，對個別流量不均勻的通過穩(wěn)流器調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)小管出流灌溉水量基本均衡。

（4）工程區(qū)域土質(zhì)為濕陷性黃土，土壤結(jié)構(gòu)疏松穩(wěn)定性差，不易保水。在灌溉過程中，適時進(jìn)行觀測和土壤濕潤深度測定，結(jié)合樹木水量需求，適當(dāng)縮短灌溉時間，增加灌水輪次，從而保證灌溉水不對土壤產(chǎn)生浸透濕陷。