水库连通特殊地段管道工程设计探究

水库连通特殊地段管道工程设计探究

摘要:水库之间连通输水工程可有效补充和盘活水库水源,有效缓解区域用水矛盾。文章以湖北宜昌官庄—梅子垭水库连通工程为例,通过比选连通工程输水管方案确定了输水管材为球墨铸铁管(DIP),最佳管径方案以小鸦路为分界点,前半段管径为1.2m,后半段管径为1.4m。同时,对隧洞和顺河、跨河、跨堰塘段、跨路段等特殊地段管道工程进行设计分析,可为类似工程提供必要的技术参考。

关键词:水库;连通工程;输水管;管径设计;隧洞工程

水库之间的连通输水工程可以有效补充和盘活水库水源,有效缓解区域用水矛盾问题,而连通工程设计方案直接影响了供水能力及运行成本,且与区域内的实际地质条件有关,因此必须要进行综合论证。

1工程概况

官庄水库多年平均径流量约为2000万m3,补充水量约为8000万m3,水量充足,水质全年65%时间为Ⅰ类水体,其余为II类水体(地表水环境)。梅子垭水库作为宜昌市区主要水源,目前水质较差,且水库长期处于低水位运行状态,水环境容量大幅度下降,已无法保持生态平衡。官庄水库地势较梅子垭水库高出86.38m,由官庄向梅子垭水库供水运行完全可行,设计日供水规模为36万t,输水流量为5.1m3/s。

2输水管方案确定

2.1工程总体布置设计。本项目因受引水线路沿线用地条件限制,不宜建设明渠,同时明渠不利于水质得到保障,根据实际情况,设计采用管道方式输水。根据既有地形条件和协调结果,本次线路布置设计尽量沿河沟或道路一侧布置。本项目管线总体设计如下:官庄水库右岸取水口→习家岗1#隧洞→习家岗2#隧洞→习家小河、杨树河→东方大道→梅子垭水库库尾。管线全长15.15km,包括2.45km隧洞(输水隧洞180m、洞内明敷管道2273m)、12.59km管道、末段明渠0.11km。

2.2输水管材比选。输水管材是影响工程造价的主要因素之一,不同管材,其水力特性、耐久性、经济性、施工难度等方面均有较大差异[1]。本项目可选择管材包括钢管(SP)、预应力钢筋混凝土管(PCP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、玻璃钢管(GRP)和球墨铸铁管(DIP),对输水管材进行比选分析[2],结果详见表1、表2。本工程输水管道具有管径大、压力高、不良地层较长、输水安全性要求高、施工工期短特点。综合上述多个参数,兼顾管材应用经验,本项目最终选择球墨铸铁管(DIP)作为输水管材,均采用双管铺设[3]。

2.3最佳管径方案设计。管径大小直接关系到输水能力、管道成本、施工成本,因此需要在满足输水量的前提下降低管径尺寸,最佳管径可通过公式计算管道沿程水头损失hf来分析,具体见式(1)[4],本项目局部水头损失按沿程水头损失的10%计算。管径设计方案及结果见表3。hf=λ·Ldiv22g(1)式中,λ—水力摩阻系数;L—计算管段管道长度;di—管道内径;v—管内水速;g—重力加速度,取9.81m/s2。由表3数据可知:①方案1全线敷设DN1200球墨铸铁管,水头损失大,末端富余水头为负值,不满足输水要求;②方案3全线敷设DN1400的球墨铸铁管,管道的水头损失较小,末端富裕水头较大,但经济性差;③方案2以小鸦路为界,上段敷设DN1400mm球墨铸铁管,下段敷设DN1200mm球墨铸铁管,可满足输水要求,管道投资也较为经济。因此,通过综合比较,本项目推荐选用方案2[5]。

3特殊地段管道工程设计

此次连通工程施工共包括隧洞工程4处(习家岗1#和2#隧洞、杨家垭隧洞、赵家湾隧洞),以及顺河、跨河、跨堰塘段和跨路段管道工程。隧洞工程总体结构设计基本一致,在此以习家岗2#隧洞为例,对隧洞管道工程进行设计分析。

3.1隧洞工程管道设计。习家岗2#隧洞利用原西干渠习家岗隧洞,该隧洞现状长467.0m,进口底板高程为168.90m,出口底板高程为166.85m,纵坡为1/228,宽2.0~2.3m,高1.8~2.5m,断面不规则。(1)进出口结构设计本项目对习家岗2#隧洞进出口设计如下:①为满足管道布置要求,对该隧洞进行扩挖,扩挖后断面尺寸为6.2m×4.96m;②进口23m、出口15m范围设计钢筋混凝土衬砌(厚度40cm)以增加结构强度,拱顶120°范围采用回填灌浆(断面结构如图1所示)[6]。(2)洞身结构设计隧洞洞身段采用混凝土挂网锚喷(厚度10cm),下部铺设两根直径为1.4m的球墨铸铁管,管座采用C25混凝土现浇,管身采用黏土压实回填,管顶采用20cm厚C25混凝土浇筑,上部为西干渠过水通道(断面结构如图2所示)[7]。

3.2顺河、跨河、跨堰塘段工程施工设计。本项目顺河、跨河、跨堰塘段管道工程施工方法一致,均在河道枯水期时采用“明挖→埋管→回填”,具体设计如下:①管道下部平段埋置于河床下,管线左右10m范围内的河道进行护砌处理[8];②在满足抗浮稳定基础上,采用浅埋式防护方案,以减少开挖量,根据实际地质条件设计管道置于河底以下2.0m;③设计管道外包50cm厚C20混凝土,人工回填至原河床高程。

3.3穿路段工程施工设计。本项目管道须穿越的小鸦公路为新建公路,上部为近期填筑土,较为密实,下部为第四系粉质黏土,硬塑。本段管线开始设计布置在小鸦路填土中下部,但填土成份复杂,多夹杂碎块石,块径为30~50cm,且施工可能会影响公路质量,因此改为利用已建下穿公路涵洞作为管道敷设通道。设计在涵洞底板浇筑混凝土支墩,间距3.0m,管道敷设后回填土方至管顶以上0.5m(断面结构如图3所示)[9]。

4结语

本项目建设工期为2018年5月16日—2019年1月15日,共计8个月,完成了全部引水敷设埋管工程并试通水,输水量达到了设计要求,取得了较好的经济和社会效益,极大缓解了宜昌市用水紧张问题。在工程设计过程中,输水工程设计应当紧密结合项目区地质、环境、长度、成本等多个条件,通过对比选择最适合方案,切忌盲目追求“高大上”而可能导致项目经济性变差。

作者:王超 任方 单位:宜昌市水利水电勘察设计院有限公司