1地质
工程穿越区地处内蒙古高原向华北平原的过渡带，位于阴山山脉东段支系大马群山和燕山山脉北侧余支交汇部位，属于冀西北山间盆地单元的火山岩及古老变质岩隆起形成的中、低山及冲蚀黄土峁、黄土台地地貌小单元，山脉走向多呈北东向，山体多为浑圆型，个别呈陡峻的倒“V”型。表层覆盖碎石土、黄土、黄土状土、轻粉质壤土、植被土等地层。管道沿线沟谷山地相间，一般沟谷多呈“U”型，沟宽3～150m，相对沟深20～180m。地层岩性主要为：①太古界桑干群（Ars）；②太古界桑干群（Arh）；③燕山期花岗岩（γ25）；④侏罗系张家口组（J3z）；⑤第四系上更新统坡洪积（Q3dl+pl）；⑥第四系全新统坡洪积（Q4dl+pl）；⑦第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）。工程穿越区主要跨越两个Ⅳ级构造单元，为一级构造单元中朝准地台（Ⅰ2）、内蒙台背斜（Ⅱ12）、Ⅲ级构造单元分别为冀北陷断的Ⅳ级构造单元驿马图—猫峪台凸，以及山西台背斜（II级）之冀西陷断的宣龙复式向斜（IV62）的崇礼凸起。两个II级构造单元的分界线以尚义—赤城深断裂为界。工程穿越区属温带大陆性季风气候，常年风多雨少，气候变化无常，多年平均降水量426.8mm，大部分集中在6～9月，多年平均气温7.5℃。管线沿路标准冻深1.5～2.3m，山阴坡局部地段最大冻深可达2.5m。
2工程设计
本工程供水对象重要性属中等。根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，并根据工程的重要程度，确定工程等别为三等，相应的管线、泵站等建筑物确定为3级，其他的附属构筑物和次要建筑物为4级，地震设计烈度为7°。
2.1取水口设计
工程取水自云州水库，云州水库位于张家口市赤城县云州镇北3km处，距赤城县城20km，系潮白河主要支流白河上的一座以防洪为主，结合灌溉、发电的大（II）型水利枢纽工程。水库大坝位于两山中间，两岸山势陡峻。库区呈“Y”字形，被中间山丘分隔成左（东）、右（西）两个库区。供水目标位于水库以西，大坝右岸附近山势陡峻，大坝上游600m以上右库岸地势相对平缓。结合云州水库地形情况，取水口位置考虑3个方案。
2.1.1方案1
利用云州水库主坝下部的发电输水洞新设取水竖井，竖井内设置检修闸门，供电站和工作闸门使用，竖井处地质为弱风化花岗岩。在竖井内闸门前的侧壁上设洞口并开挖850m长隧洞引水至一级泵站，隧洞围岩为弱风化花岗岩，级别为Ⅲ级。直接费1700万元。工程布置相对复杂，需设置竖井与发电输水隧洞连接，后再设引水隧洞。该方案投资小，受水库水位及冲淤变化的影响小，施工条件相对便利，工期较短，且不需设置围堰。但运行管理需与水库调度管理交叉，管理不方便，且竖井位于右坝肩，竖井施工爆破对坝肩有一定影响。3.1.2方案2将取水口设在库区内一冲沟汇入处，采用隧洞式取水口，泵站布置在岸边，通过设置引水箱涵连接取水口和泵站前池，地层以碎石土为主。为施工方便，利用引水渠将泵站前池与库区连通，先行施工泵站附近工程，利用泵站部分与库区间的岸坡作为围堰，待泵站主体工程完工后，再根据水位降落情况陆续开挖引渠。直接费2500万元。该方案工程布置相对简单，运行管理明确，与水库管理交叉少。但取水口受水库及冲沟淤积影响严重，且不具备冲沙条件，施工中受水位影响大，引水渠开挖和衬砌仍需布置围堰，冲沟处水保措施复杂。
2.1.3方案3
将取水口设在库区内，采用压力墙式进水口，泵站布置在岸边，通过开挖岸坡形成进口段，进口段与泵房间设进水室，进水室内设置检修闸门、拦污栅及格网，地层以碎石土为主。为满足施工要求，按正常蓄水位高度修筑施工围堰。直接费2100万元。该方案取水口避开冲沟，受淤积及冲沟洪水影响小；取水口结构简单，施工难度小；工程区相对独立，施工对水库影响最小；运行管理单一，隶属关系明确，管理方便等。最不利因素为围堰填筑，但结合开挖可采用筑岛围堰法加快施工进度。经综合比较，取水口确定为方案3，即岸边式泵站。
2.2泵站级数确定
按照CECS193—2005《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》，当水泵加压总扬程大于90m时，应通过技术经济比较，选择加压级数。根据地形条件及总体布置，分水口位置高程1356.0m，与取水口最低水位1026.67m相比，扬水干管几何高差329.33m，需设置多级泵站。扬水支管扬至滑雪场，末端高程2055.0m，与分水口高程相比，几何高差699m，需设置多级泵站。单级泵站扬程根据管道现有技术条件、供水对象、运行情况等因素确定。根据现有技术条件情况，单级泵站扬程在100m左右是安全且经济的。从供水对象上分析，干线泵站供水对象重要性及要求的安全系数相对较高。支管供水对象只有滑雪场，供水对象单一且为间歇引水，有充足的检修时间，安全系数可相对低些，且几何高差较高。从运行管理角度分析，泵站级数越少，管理越方便，泵站工程投资越少。同时，考虑运行检修的方便及备品备件的综合使用，多级泵站的扬程接近甚至一致是最利于运行管理的。综合分析，结合工程线路选择，并考虑泵站站址的局限性，确定干线设4级泵站，支线设6级泵站。
2.3隧洞布置
管道沿线需穿越几个小分水岭，若沿山体铺设管道则会增加泵站扬程，且水锤作用大，不安全也不经济。因此，在线路选择时布置了3条隧洞，其中扬水干线布置2条，扬水支线布置1条。考虑工程的运行安全和施工空间要求，均为无压隧洞，纵坡为1/5000。隧洞采用城门洞型，为减少渗漏，过水断面均采用钢筋混凝土衬砌，标准断面衬砌后隧洞宽1.8m。扬水干线两条隧洞分别长6.02km和1.24km，扬水支线隧洞长0.92km。扬水干线1号隧洞最长，且山体高厚，隧洞布置成直线则不具备布置施工支洞的条件。根据多次踏勘，在桦岭沟位置处有一冲沟，洞顶埋深小，具备布置施工支洞或出露地面的条件。为了加快施工进度，1号隧洞在进、出口间以折线布置，隧洞长5.9km，连接涵洞长120m。此布置虽使隧洞长度增加200m，但施工最长进洞长度由2.9km减小到1.5km，工期和施工费用大大减小。隧洞进、出口尽量选择在了土体自稳条件较好、挖方量小、汛期安全的地段，并采用明洞、管棚等保护措施后进洞，同时采取洞脸喷锚和浆砌块石护坡等加固措施，做好洞脸及地面排水、洞口防洪等设施。根据地形地质条件，经多次比选，除扬水干线1号隧洞进口为土洞外，其他洞口均为岩石洞口，洞口采用喷锚支护。
2.4调压塔的设置
干线1号隧洞出口设计水位1279.51m，后接3053m长DN800mm管道至干线4级泵站，根据地形条件，水泵中心高程确定为1263.5m。为防止溢流并充分利用水头，4级泵站内不再设置清水池，直接利用1号隧洞做为泵站的前池。由于吸水管长，类似于一个串联泵站，根据GB50265—2010《泵站设计规范》中第9.1.8条“串联运行的水泵，其设计流量应接近，串联运行台数不宜超过2台，并应对第二级泵的泵壳进行强度校核。”的要求，经咨询水泵厂家，泵壳吸水侧最高承受的水头为30m，经计算，停泵时吸水管内的最高压力水头大于允许值，因此，此种布置运行不安全。为了解决此问题，在干线4级泵站内设置了溢流式调压塔，将吸水管长度变为60m，降低了吸水管内的水锤压力，保证了水泵的安全运行。调压塔为钢筋混凝土矩形结构，尺寸为6m×8m×13.5m（宽×长×高），积600m，塔内设置溢流口，溢流水位1281.75m，溢流后的水通过DN800mm管道排至厂区外。
2.5水锤分析与防护
本工程的特点是长距离、高扬程，且地形起伏大，单级泵站扬程96～142m，因此，水锤分析与防护是工程设计中的重点和难点。设计中运用BentleyHammer水力计算软件进行了全过程的水力过渡分析，对管道系统进行了突然停泵、启泵、正常运行等工况的水锤计算。通过计算可知，停泵工况水锤影响最大，无水锤防护措施情况下，管道水锤升压、管道负压、水泵最大反转数大于规范要求值，不满足要求；且局部段管道存在发生断流和断流弥合水锤的可能。最终确定了由大容积立式内胆式水锤消除罐、多功能水泵控制阀及进排气阀等组成的水锤防护系统。尤其是大容积立式内胆式水锤消除罐在我省水利工程中的使用尚属首次。为保护水泵，泵后均安装逆止阀。常用的有多功能水泵控制阀和液控蝶阀。考虑水泵出口管道直径较小，为DN300～DN500mm，液控蝶阀或液控偏心半球阀都存在着费用较高、需设液压站及阀门尺寸大等缺点。综合比较，泵后逆止阀采用多功能水泵控制阀。进、排气阀采用气缸式全压高速进、排气阀。立式内胆式水锤消除罐的用途是为了防止水锤压力及水位波动对供水系统的危害，使输水系统平稳地从一个状态过渡到另一个状态，当发生水锤输水管内压力升高时，罐内空气被压缩，起气垫作用；当输水管内形成负压时，向管道补水。
由于大体积的产品国内目前不能生产，所以采用了从法国Charltte公司进口的内胆式水锤消除罐，单体的部件包括钢制罐体；内置的丁基橡胶制成的内胆（符合饮用水标准）；内胆防护格栅，通过法兰与管道连接。特点为密闭容器，无污染，无需人工管理和维护。运行过程为：①罐内预充气体，其初始压力符合水锤计算结论（可使用压缩空气或压缩氮气）。在此阶段橡胶内胆的内部容积为零。②当连通阀开启后，水进入罐内同时压缩罐内空气的体积，直至罐内压力与管道压力达到平衡。③在发生停泵水锤时，橡胶内胆中储存的水必需立即在橡胶弹力的作用下快速注入管道，以避免管道内形成负压。④在水锤的第二阶段，水在管道内倒流时，内胆式水锤消除罐会在罐内气压和橡胶内胆弹力的缓冲下，以合理较慢的速度吸入管道内的水，吸收管道内回流水柱的能量，防止出现回流水柱冲击管道或止回阀，造成管道内发生瞬间压力大幅度跃升的事故工况。⑤根据水锤分析报告和水锤消除方案选定内胆式水锤消除罐的预设压力、罐内容积和橡胶内胆的弹力，以保证在水锤事故工况下防护方案的充分有效，避免发生水锤事故破坏泵站，管道及其他设备。⑥由于泵站突然断电的事故不可预知，水锤消除罐会实现免维护性能，即无需日常维修维护，并可以直接通过外置压力监测设备检查其是否处于正常工作状态。
3结语
（1）云州水库供水对象为灌区和电站，一般年份有弃水。本工程选用云州水库作为崇礼县滑雪场用水和张家口市区、东沟的补水水源，既解决了受水区的水源短缺问题，又提高了云州水库水的利用效率。同时，作为滑雪场地的一项基础设施，对2022年冬奥会的申办具有重要作用。（2）工程位于张家口赤城县和崇礼县境内山区，地形、地质条件复杂，路由选定难度大，经多次沿线实地查勘，通过技术、经济、运行管理及施工难易等多方面的比较，从5个方案中确定了最优方案。通过10级泵站和有压管道、自流隧洞的有效组合，实现了将水提升1029m高的目的，工程布置经济合理。同时也实现了河北省水利工程一个新突破，泵站级数之多，总扬程之大，在我省尚属首例，在长距离、高扬程引调水工程设计中也具有一定的代表性。（3）通过内胆式水锤消除罐、调压塔等新技术的使用，有效解决了高扬程、多起伏山区泵站的水锤防护问题，为类似工程提供了借鉴经验。
作者：杨建中 单位：河北省水利水电第二勘测设计研究院
