張翠鳳

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 概況

張峰水庫位于晉城市沁水縣張峰村，是黃河流域沁河干流上第一座大型水利樞紐工程，控制流域面積4 990 km2，庫容3.94億m3，以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用。2005年被列為國家重點建設(shè)項目。張峰水庫工程由樞紐工程和輸水工程兩部分組成，樞紐工程由攔河大壩、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞及渠首電站、川坡電站等。

張峰水庫輸水工程等別為Ⅲ等，總干、二干管道及其建筑物的級別為3級，采用20年一遇洪水設(shè)計、50年一遇洪水校核。一干渠道及其建筑物級別為4級，各建筑物相應(yīng)洪水標準10年一遇洪水設(shè)計、30年一遇洪水校核。其中，總干管線38.33 km及二干全線為管道輸水，輸水方式為重力流輸水與兩級泵站梯級加壓組合。

總干管線在東山倒虹前接20號隧洞出口，重力流輸水至七坡泵站，地形揚程129.67 m，加壓后繼續(xù)沿公路向東至東嶺泵站，地形揚程130 m，加壓后繼續(xù)沿公路向東北方向，穿過老馬嶺隧洞，隧洞出口處接壓力管線，最后進入末端蓄水池，線路全長38.33 km。

二干起點為總干末端調(diào)蓄水池，輸水線路全長18.28 km（總干末端蓄水池至二干末端蓄水池），向南供巴公地區(qū)工業(yè)用水，設(shè)計流量1.11 m3/s。

2 壓力管道設(shè)計

張峰水庫輸水工程管線沿程地形、地質(zhì)情況復(fù)雜，有巖基段、土基段、穿河段、溝槽段。管道應(yīng)根據(jù)不同的地段分類設(shè)計，并從管線設(shè)計、管材選擇、管徑及填埋維護等方面進行分析。

2.1 管線設(shè)計

管線設(shè)計至關(guān)重要，設(shè)計合理，可以為施工帶來方便，給工程節(jié)省投資，提高經(jīng)濟效益；設(shè)計不合理會導(dǎo)致管件和工程成本大大增加。因此，管線設(shè)計要兼顧地形和工程量兩方面因素。

設(shè)計應(yīng)符合總體設(shè)計方案，考慮地形、地質(zhì)、水利、施工及運行等條件，保證各種工況時管頂?shù)臏y壓管水頭不小于2.0 m；管線布置應(yīng)盡可能平直，減少轉(zhuǎn)彎，且縱向和水平轉(zhuǎn)彎要結(jié)合考慮；管頂覆土一般按不小于1.5 m設(shè)計，滿足沿線總體規(guī)劃及管道抗浮抗沖等要求；管線與其他管線、道路排水的交叉段管線布置要符合規(guī)范，并滿足工程施工凈距的要求；對于穿公路、農(nóng)田、池塘等段按其使用功能、協(xié)調(diào)意見及輸水系統(tǒng)運行管理的要求綜合確定。

張峰水庫輸水工程管線設(shè)計沿線有泵站、隧洞，管線布置區(qū)工程地質(zhì)復(fù)雜，有的地段存在低液限黏性和濕陷性土及基坑涌水，有的位于河漫灘甚至穿過河床或布置在巖石地段，且?guī)r性接觸部位地基存在不均勻變形等。針對復(fù)雜的地質(zhì)情況，設(shè)計時要根據(jù)實際情況進行合理布置，并對工程地質(zhì)問題采取相應(yīng)的處理措施。

2.2 管材選擇

輸水工程的供水對象主要為工業(yè)用水和農(nóng)村人畜飲水，對輸水管道可靠性、耐久性等方面的要求較高。結(jié)合目前國內(nèi)管材生產(chǎn)成熟程度和工程的實際情況，張峰水庫輸水工程管材選擇以鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和玻璃鋼管三種管材分析比較，根據(jù)其優(yōu)缺點確定使用范圍。

通過比較，結(jié)合工程實際，加壓輸水管線受管道內(nèi)壓波動和水錘的影響，對管道本身的耐久性、抗外壓性能等要求較高。重力流輸水管道內(nèi)壓波動較小，根據(jù)各管材性能，張峰水庫輸水工程總干砂礫石溝槽地段和加壓管道選用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管），黃土溝槽地段選用玻璃鋼夾砂管。在泵站進出水池及調(diào)壓池進出口等地形復(fù)雜地段和穿越各種障礙的地方采用鋼管，以便提高工程效益。

2.3 管徑設(shè)計

管徑設(shè)計根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較確定，可以根據(jù)線路布置和內(nèi)壓變化情況分段定出幾種管徑，但變徑次數(shù)不宜過多。管徑的設(shè)計由管道的輸水能力、管長及管道的總水頭確定，從而使管道投資和運轉(zhuǎn)費用的總和量最小，更為經(jīng)濟合理。

張峰水庫輸水總干線埋管長38.33 km，其中七坡泵站前、老馬嶺隧洞出口后為重力流輸水，老馬嶺隧洞為無壓輸水，其余為加壓輸水。

管徑設(shè)計要滿足設(shè)計流量2.44 m3/s的過流要求，運行流速不超過3 m/s；結(jié)合管材選擇，保證輸水管線管頂以上的測壓管水頭不小于2 m，在末端的富余水頭最小。

按照以上原則，結(jié)合實際地形和線路布置情況及已定管材，選擇1.2 m和1.4 m管徑進行技術(shù)經(jīng)濟分析比較。根據(jù)技術(shù)方面經(jīng)驗確定流速，再進行管道水頭損失計算，結(jié)合管材造價及運轉(zhuǎn)費用確定經(jīng)濟流速和經(jīng)濟管徑。

管道水頭損失計算方法如下：

張峰水庫輸水工程線路較長，糙率的選取對工程造價和建成后的運行管理有很大影響。根據(jù)管道生產(chǎn)廠家提供的試驗資料并與國內(nèi)同類工程類比，確定PCCP的糙率選用0.012 5，玻璃鋼管的糙率選用0.009。按《室外給水設(shè)計規(guī)范》中有壓管道沿程水頭損失計算公式：

式中：hf──沿程水頭損失，m；

L──計算長度，m，取1 000；

R──水力半徑，m，R=D/4；

D——直徑，m；

n──糙率，PCCP管取0.0125；玻璃鋼管取0.009；

v——平均流速，m/s。

局部水頭損失hj=5%hf，總水頭損失h＝hf＋hj。

計算結(jié)果見表1：

表1 每公里沿程損失計算結(jié)果表

根據(jù)計算結(jié)果可知，各流量下的末端富余水頭均滿足要求，同流量同管材的PCCP管徑1 600 mm比管徑1 400 mm的水頭損失?。还懿牟煌瑫r，直徑1 400 mm的PCCP比直徑1 200 mm的玻璃鋼管損失小；直徑1 200 mm的玻璃鋼管比直徑1 200 mm的PCCP水頭損失小得多。由此確定管徑大于1 200 mm的選用PCCP，管徑小于1 200 mm的選用玻璃鋼管。

結(jié)合工程實際情況，總干線0+000—3+266.31選定直徑1 600 mmPCCP管，3+266.31—15+999.81選定直徑1 400 mmPCCP管，15+999.81—23+877.52選定直徑1 200 mmPCCP管，23+877.52—37+384.24選定直徑1 200 mm的玻璃鋼管。

管徑設(shè)計與管材選擇在管線設(shè)計上一致，不同的是經(jīng)過計算分析可以根據(jù)合理的流速確定最經(jīng)濟的管徑。

2.4 管道埋設(shè)及防護

管道埋設(shè)分為普通埋設(shè)和特殊埋設(shè)。普通埋設(shè)按一般回填工藝回填，回填材料及回填密實度要達到相關(guān)規(guī)范要求。對于特殊埋設(shè)，如彎管處要設(shè)置一定體量的支墩來平衡管道的軸向拉力和摩擦力；對于河道段要滿足埋深要求，同時在管道頂部做一些防護以防沖刷。

需要注意的是，特殊埋設(shè)中玻璃鋼管的穿河段情況，玻璃鋼管材質(zhì)輕，會被浮起或被洪水沖刷，回填質(zhì)量高，需要考慮洪水沖刷深度和埋管的抗浮能力。

張峰水庫20號隧洞出口后，在河漫灘埋設(shè)的大部分總干管線就屬此類情況，根據(jù)線路地形，有11個穿河地段。根據(jù)建筑物洪水設(shè)計標準，管道所處河溝位置、河床地質(zhì)情況及水文分析成果等，計算管道所穿過溝河的沖刷深度，確定埋置深度。采用《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》中一般沖刷公式進行計算：

式中：hp——沖刷后最大水深，m；

hmc——沖刷前最大水深，m；

hc——斷面平均水深，m；

Bc——河槽部分建筑物過水凈寬，m；

Qc——設(shè)計流量，m3/s；

E——與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)；

A——單寬流量壓縮系數(shù)，m，

B——河槽寬度，m；

——造床流量對應(yīng)的平均水深，m；

dc——河床質(zhì)平均粒徑，m。

通過計算可知，穿河段輸水管道埋設(shè)要求管頂以上覆蓋層厚度必須滿足河道沖刷深度要求，對主河床段及易沖刷段管頂以上覆蓋層厚度不小于3.0 m。在距管頂1.0 m處鋪設(shè)一層厚度1.0 m的塑料土工格柵石籠，石籠之上鋪設(shè)回填料，穿河段塑料土工格柵石籠寬10 m，其中上游4 m，下游6 m，以防管道沖刷。

根據(jù)埋設(shè)護理進行抗浮穩(wěn)定計算。穿河段采用塑料土工格柵石籠防護，管上覆土厚度不小于1.5 m，抗浮滿足穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語

綜合張峰水庫輸水工程設(shè)計，壓力管道在輸水工程應(yīng)用中的優(yōu)點得到了充分體現(xiàn)。其中，PCCP壓力管道安裝便捷和地基適應(yīng)能力強，有效縮短了工期，節(jié)省了投資，提高了水的利用率；玻璃鋼管由于其材質(zhì)輕、成本低，施工運輸方便，節(jié)省了成本。張峰水庫輸水工程壓力管道的合理設(shè)計，提高了整個工程的施工效率，保證了效益的正常發(fā)揮。