地方補(bǔ)水工程設(shè)計(jì)研究

第第頁地方補(bǔ)水工程設(shè)計(jì)研究1地質(zhì)

工程穿越區(qū)地處內(nèi)蒙古高原向華北平原的過渡帶，位于陰山山脈東段支系大馬群山和燕山山脈北側(cè)余支交匯部位，屬于冀西北山間盆地單元的火山巖及古老變質(zhì)巖隆起形成的中、低山及沖蝕黃土峁、黃土臺(tái)地地貌小單元，山脈走向多呈北東向，山體多為渾圓型，個(gè)別呈陡峻的倒"V"型。表層覆蓋碎石土、黃土、黃土狀土、輕粉質(zhì)壤土、植被土等地層。管道沿線溝谷山地相間，一般溝谷多呈"U"型，溝寬3～150m，相對(duì)溝深20～180m。地層巖性主要為：①太古界桑干群（Ars）；②太古界桑干群（Arh）；③燕山期花崗巖（γ25）；④侏羅系張家口組（J3z）；⑤第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）；⑥第四系全新統(tǒng)坡洪積（Q4dl+pl）；⑦第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）。工程穿越區(qū)主要跨越兩個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元，為一級(jí)構(gòu)造單元中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ2）、內(nèi)蒙臺(tái)背斜（Ⅱ12）、Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元分別為冀北陷斷的Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元驛馬圖——貓峪臺(tái)凸，以及山西臺(tái)背斜（II級(jí)）之冀西陷斷的宣龍復(fù)式向斜（IV62）的崇禮凸起。兩個(gè)II級(jí)構(gòu)造單元的分界線以尚義——赤城深斷裂為界。工程穿越區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，常年風(fēng)多雨少，氣候變化無常，多年平均降水量426.8mm，大部分集中在6～9月，多年平均氣溫7.5℃。管線沿路標(biāo)準(zhǔn)凍深1.5～2.3m，山陰坡局部地段最大凍深可達(dá)2.5m。

2工程設(shè)計(jì)

本工程供水對(duì)象重要性屬中等。根據(jù)SL252——2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，并根據(jù)工程的重要程度，確定工程等別為三等，相應(yīng)的管線、泵站等建筑物確定為3級(jí)，其他的附屬構(gòu)筑物和次要建筑物為4級(jí)，地震設(shè)計(jì)烈度為7度。

2.1取水口設(shè)計(jì)

工程取水自云州水庫，云州水庫位于張家口市赤城縣云州鎮(zhèn)北3km處，距赤城縣城20km，系潮白河主要支流白河上的一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電的大（II）型水利樞紐工程。水庫大壩位于兩山中間，兩岸山勢陡峻。庫區(qū)呈"Y"字形，被中間山丘分隔成左（東）、右（西）兩個(gè)庫區(qū)。供水目標(biāo)位于水庫以西，大壩右岸附近山勢陡峻，大壩上游600m以上右?guī)彀兜貏菹鄬?duì)平緩。結(jié)合云州水庫地形情況，取水口位置考慮3個(gè)方案。

2.1.1方案1

利用云州水庫主壩下部的發(fā)電輸水洞新設(shè)取水豎井，豎井內(nèi)設(shè)置檢修閘門，供電站和工作閘門使用，豎井處地質(zhì)為弱風(fēng)化花崗巖。在豎井內(nèi)閘門前的側(cè)壁上設(shè)洞口并開挖850m長隧洞引水至一級(jí)泵站，隧洞圍巖為弱風(fēng)化花崗巖，級(jí)別為Ⅲ級(jí)。直接費(fèi)1700萬元。工程布置相對(duì)復(fù)雜，需設(shè)置豎井與發(fā)電輸水隧洞連接，后再設(shè)引水隧洞。該方案投資小，受水庫水位及沖淤變化的影響小，施工條件相對(duì)便利，工期較短，且不需設(shè)置圍堰。但運(yùn)行管理需與水庫調(diào)度管理交叉，管理不方便，且豎井位于右壩肩，豎井施工爆破對(duì)壩肩有一定影響。3.1.2方案2將取水口設(shè)在庫區(qū)內(nèi)一沖溝匯入處，采用隧洞式取水口，泵站布置在岸邊，通過設(shè)置引水箱涵連接取水口和泵站前池，地層以碎石土為主。為施工方便，利用引水渠將泵站前池與庫區(qū)連通，先行施工泵站附近工程，利用泵站部分與庫區(qū)間的岸坡作為圍堰，待泵站主體工程完工后，再根據(jù)水位降落情況陸續(xù)開挖引渠。直接費(fèi)2500萬元。該方案工程布置相對(duì)簡單，運(yùn)行管理明確，與水庫管理交叉少。但取水口受水庫及沖溝淤積影響嚴(yán)重，且不具備沖沙條件，施工中受水位影響大，引水渠開挖和襯砌仍需布置圍堰，沖溝處水保措施復(fù)雜。

2.1.3方案3

將取水口設(shè)在庫區(qū)內(nèi)，采用壓力墻式進(jìn)水口，泵站布置在岸邊，通過開挖岸坡形成進(jìn)口段，進(jìn)口段與泵房間設(shè)進(jìn)水室，進(jìn)水室內(nèi)設(shè)置檢修閘門、攔污柵及格網(wǎng)，地層以碎石土為主。為滿足施工要求，按正常蓄水位高度修筑施工圍堰。直接費(fèi)2100萬元。該方案取水口避開沖溝，受淤積及沖溝洪水影響??；取水口結(jié)構(gòu)簡單，施工難度??；工程區(qū)相對(duì)獨(dú)立，施工對(duì)水庫影響最??；運(yùn)行管理單一，隸屬關(guān)系明確，管理方便等。最不利因素為圍堰填筑，但結(jié)合開挖可采用筑島圍堰法加快施工進(jìn)度。經(jīng)綜合比較，取水口確定為方案3，即岸邊式泵站。

2.2泵站級(jí)數(shù)確定

按照CECS193——2005《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)水泵加壓總揚(yáng)程大于90m時(shí)，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇加壓級(jí)數(shù)。根據(jù)地形條件及總體布置，分水口位置高程1356.0m，與取水口最低水位1026.67m相比，揚(yáng)水干管幾何高差329.33m，需設(shè)置多級(jí)泵站。揚(yáng)水支管揚(yáng)至滑雪場，末端高程2055.0m，與分水口高程相比，幾何高差699m，需設(shè)置多級(jí)泵站。單級(jí)泵站揚(yáng)程根據(jù)管道現(xiàn)有技術(shù)條件、供水對(duì)象、運(yùn)行情況等因素確定。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件情況，單級(jí)泵站揚(yáng)程在100m左右是安全且經(jīng)濟(jì)的。從供水對(duì)象上分析，干線泵站供水對(duì)象重要性及要求的安全系數(shù)相對(duì)較高。支管供水對(duì)象只有滑雪場，供水對(duì)象單一且為間歇引水，有充足的檢修時(shí)間，安全系數(shù)可相對(duì)低些，且?guī)缀胃卟钶^高。從運(yùn)行管理角度分析，泵站級(jí)數(shù)越少，管理越方便，泵站工程投資越少。同時(shí)，考慮運(yùn)行檢修的方便及備品備件的綜合使用，多級(jí)泵站的揚(yáng)程接近甚至一致是最利于運(yùn)行管理的。綜合分析，結(jié)合工程線路選擇，并考慮泵站站址的局限性，確定干線設(shè)4級(jí)泵站，支線設(shè)6級(jí)泵站。

2.3隧洞布置

管道沿線需穿越幾個(gè)小分水嶺，若沿山體鋪設(shè)管道則會(huì)增加泵站揚(yáng)程，且水錘作用大，不安全也不經(jīng)濟(jì)。因此，在線路選擇時(shí)布置了3條隧洞，其中揚(yáng)水干線布置2條，揚(yáng)水支線布置1條?？紤]工程的運(yùn)行安全和施工空間要求，均為無壓隧洞，縱坡為1/5000。隧洞采用城門洞型，為減少滲漏，過水?dāng)嗝婢捎娩摻罨炷烈r砌，標(biāo)準(zhǔn)斷面襯砌后隧洞寬1.8m。揚(yáng)水干線兩條隧洞分別長6.02km和1.24km，揚(yáng)水支線隧洞長0.92km。揚(yáng)水干線1號(hào)隧洞最長，且山體高厚，隧洞布置成直線則不具備布置施工支洞的條件。根據(jù)多次踏勘，在樺嶺溝位置處有一沖溝，洞頂埋深小，具備布置施工支洞或出露地面的條件。為了加快施工進(jìn)度，1號(hào)隧洞在進(jìn)、出口間以折線布置，隧洞長5.9km，連接涵洞長120m。此布置雖使隧洞長度增加200m，但施工最長進(jìn)洞長度由2.9km減小到1.5km，工期和施工費(fèi)用大大減小。隧洞進(jìn)、出口盡量選擇在了土體自穩(wěn)條件較好、挖方量小、汛期安全的地段，并采用明洞、管棚等保護(hù)措施后進(jìn)洞，同時(shí)采取洞臉噴錨和漿砌塊石護(hù)坡等加固措施，做好洞臉及地面排水、洞口防洪等設(shè)施。根據(jù)地形地質(zhì)條件，經(jīng)多次比選，除揚(yáng)水干線1號(hào)隧洞進(jìn)口為土洞外，其他洞口均為巖石洞口，洞口采用噴錨支護(hù)。

2.4調(diào)壓塔的設(shè)置

干線1號(hào)隧洞出口設(shè)計(jì)水位1279.51m，后接3053m長DN800mm管道至干線4級(jí)泵站，根據(jù)地形條件，水泵中心高程確定為1263.5m。為防止溢流并充分利用水頭，4級(jí)泵站內(nèi)不再設(shè)置清水池，直接利用1號(hào)隧洞做為泵站的前池。由于吸水管長，類似于一個(gè)串聯(lián)泵站，根據(jù)GB50265——2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中第9.1.8條"串聯(lián)運(yùn)行的水泵，其設(shè)計(jì)流量應(yīng)接近，串聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)不宜超過2臺(tái)，并應(yīng)對(duì)第二級(jí)泵的泵殼進(jìn)行強(qiáng)度校核。"的要求，經(jīng)咨詢水泵廠家，泵殼吸水側(cè)最高承受的水頭為30m，經(jīng)計(jì)算，停泵時(shí)吸水管內(nèi)的最高壓力水頭大于允許值，因此，此種布置運(yùn)行不安全。為了解決此問題，在干線4級(jí)泵站內(nèi)設(shè)置了溢流式調(diào)壓塔，將吸水管長度變?yōu)?0m，降低了吸水管內(nèi)的水錘壓力，保證了水泵的安全運(yùn)行。調(diào)壓塔為鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為6mx8mx13.5m（寬x長x高），積600m，塔內(nèi)設(shè)置溢流口，溢流水位1281.75m，溢流后的水通過DN800mm管道排至廠區(qū)外。

2.5水錘分析與防護(hù)

本工程的特點(diǎn)是長距離、高揚(yáng)程，且地形起伏大，單級(jí)泵站揚(yáng)程96～142m，因此，水錘分析與防護(hù)是工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中運(yùn)用BentleyHammer水力計(jì)算軟件進(jìn)行了全過程的水力過渡分析，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行了突然停泵、啟泵、正常運(yùn)行等工況的水錘計(jì)算。通過計(jì)算可知，停泵工況水錘影響最大，無水錘防護(hù)措施情況下，管道水錘升壓、管道負(fù)壓、水泵最大反轉(zhuǎn)數(shù)大于規(guī)范要求值，不滿足要求；且局部段管道存在發(fā)生斷流和斷流彌合水錘的可能。最終確定了由大容積立式內(nèi)膽式水錘消除罐、多功能水泵控制閥及進(jìn)排氣閥等組成的水錘防護(hù)系統(tǒng)。尤其是大容積立式內(nèi)膽式水錘消除罐在我省水利工程中的使用尚屬首次。為保護(hù)水泵，泵后均安裝逆止閥。常用的有多功能水泵控制閥和液控蝶閥?？紤]水泵出口管道直徑較小，為DN300～DN500mm，液控蝶閥或液控偏心半球閥都存在著費(fèi)用較高、需設(shè)液壓站及閥門尺寸大等缺點(diǎn)。綜合比較，泵后逆止閥采用多功能水泵控制閥。進(jìn)、排氣閥采用氣缸式全壓高速進(jìn)、排氣閥。立式內(nèi)膽式水錘消除罐的用途是為了防止水錘壓力及水位波動(dòng)對(duì)供水系統(tǒng)的危害，使輸水系統(tǒng)平穩(wěn)地從一個(gè)狀態(tài)過渡到另一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生水錘輸水管內(nèi)壓力升高時(shí)，罐內(nèi)空氣被壓縮，起氣墊作用；當(dāng)輸水管內(nèi)形成負(fù)壓時(shí)，向管道補(bǔ)水。

由于大體積的產(chǎn)品國內(nèi)目前不能生產(chǎn)，所以采用了從法國Charltte公司進(jìn)口的內(nèi)膽式水錘消除罐，單體的部件包括鋼制罐體；內(nèi)置的丁基橡膠制成的內(nèi)膽（符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)）；內(nèi)膽防護(hù)格柵，通過法蘭與管道連接。特點(diǎn)為密閉容器，無污染，無需人工管理和維護(hù)。運(yùn)行過程為：①罐內(nèi)預(yù)充氣體，其初始?jí)毫Ψ纤N計(jì)算結(jié)論（可使用壓縮空氣或壓縮氮?dú)猓?。在此階段橡膠內(nèi)膽的內(nèi)部容積為零。②當(dāng)連通閥開啟后，水進(jìn)入罐內(nèi)同時(shí)壓縮罐內(nèi)空氣的體積，直至罐內(nèi)壓力與管道壓力達(dá)到平衡。③在發(fā)生停泵水錘時(shí)，橡膠內(nèi)膽中儲(chǔ)存的水必需立即在橡膠彈力的作用下快速注入管道，以避免管道內(nèi)形成負(fù)壓。④在水錘的第二階段，水在管道內(nèi)倒流時(shí)，內(nèi)膽式水錘消除罐會(huì)在罐內(nèi)氣壓和橡膠內(nèi)膽彈力的緩沖下，以合理較慢的速度吸入管道內(nèi)的水，吸收管道內(nèi)回流水柱的能量，防止出現(xiàn)回流水柱沖擊管道或止回閥，造成管道內(nèi)發(fā)生瞬間壓力大幅度躍升的事故工況。⑤根據(jù)水錘分析報(bào)告和水錘消除方案選定內(nèi)膽式水錘消除罐的預(yù)設(shè)壓力、罐內(nèi)容積和橡膠內(nèi)膽的彈力，以保證在水錘事故工況下防護(hù)方案的充分有效，避免發(fā)生水錘事故破壞泵站，管道及其他設(shè)備。⑥由于泵站突然斷電的事故不可預(yù)知，水錘消除罐會(huì)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)性能，即無需日常維修維護(hù)，并可以直接通過外置壓力監(jiān)測設(shè)備檢查其是否處于正常工作狀態(tài)。

3結(jié)語

（1）云州水庫供水對(duì)象為灌區(qū)和電站，一般年份有棄水。本工程選用云州水庫作為崇禮縣滑雪場用水和張家口市區(qū)、東溝的補(bǔ)水水源，既解決了受水區(qū)的水源短缺問題，又提高了云州水庫水的利用效率。同時(shí)，作為滑雪場地的一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)2022年冬奧會(huì)的申辦具有重要作用。（2）工程位于張家口赤城縣和崇禮縣境內(nèi)山區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，路由選定難度大，經(jīng)多次沿線實(shí)地查勘，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理及