长河坝电站供水工程布置及主体建筑设计计算研究

胡绍林

(崇义县水务集团有限公司，江西 崇义 341300)

0 引 言

合理调度和分配水资源，改善环境质量，做到有计划地开发利用水资源，并达到水资源的开发、经济社会发展及自然生态系统保护相互协调是水资源规划主要目标[1]。为此，在对某一地区的水量需求问题进行研究时，通常需要精准预测出这一地区在特定时间内的需水量，这一课题需要我们进行深入研究[2]。经过科学地预测，掌握在规划期内的用水量，适量开发水资源，将有限水资源最大限度发挥出作用[3_5]；需水量的精准预测更利于科学合理投资供水工程，如给水工程的扩建、优化、改造等。另外，对于不同区域用水量的分配也提供了便利条件，将供水成本控制在合理范围内[6]；合理的水量预测可指导水厂整体规划布局，预防和控制水污染。基于此，本文以崇义县城现有供水水源为研究对象，对其供水输水管工程布置及主体建筑设计计算进行了研究。

1 工程概况及总体布局

1.1 工程概况

江西省崇义县县城现有供水水源取自长河坝电站下游，崇义县水务集团有限公司现有自来水厂1座，位于县城西南方向的横水镇上营村。水厂20世纪80年代建厂初期供水0.2万t/d，90年代提高到1万t/d。2000年对水厂进行了扩建，设计供水能力提高至2万t/d (即现状日供水规模)，自来水厂供水管出口中心高程为305 m。近年来，随着县城经济的快速发展，经过对老水厂的改造，目前输水管的输水能力难以满足今后城区正常的工业市政和居民生活用水。因此，崇义县供水改扩建工程对保障崇义县规划区内的供水安全具有重要意义。

1.2 工程总体布局

崇义县供水改扩建工程的输水管工程主要为崇义县县城供水的输水管道工程，主要由输水管道及输水隧洞等组成。新建输水管道基本沿原有管道一侧布置，起点位于崇义县长河坝电站引水隧道钢管段开口三通处，沿进厂道路右侧布置；出厂房大门后沿原输水管道右侧，在狐狸杰至原输水隧洞进口附近采用在河坑子附近新建输水隧洞，隧洞出口后接管道至原输水隧洞钢管，利用原输水隧洞钢管输水。原输水隧洞钢管出口后新建输水管道沿原管道走向接入崇义县自来水厂反应池。

输水管道总长8.90 km，其中新建输水管道4.114 km(其中球墨铸铁管管长3.640 km，钢管段长0.474 km)，管径为DN700。新建输水隧洞2.06 km，村砌后洞径为1.8 m和2.4 m，利用原隧洞内明钢管2.726 km。

管道在穿河及管底高程相对较低的位置设置了排水阀(排泥阀)，管底高程相对较高的位置设置了排气阀。管道在首端、未端和输水隧洞进、出口均设有闸阀，沿管道排水三通和排气阀处均设有检修闸阀。

2 取水方案选择

崇义县自来水厂现状取水管道为1根DN600的水泥管输水，管道取水地点为长河坝水库下游的发电站尾水，总长8.93 km，其中输水隧洞+明钢管布置长2.726 km,取水口水位高程为329.00 m；自来水厂出水口高程为305 m，日供水能力为2.0万t/日。崇义县自来水厂远期供水规模为5.0万t/日，现状取水管道不能满足日益增加的用水需求；同时原输水管道经多年运行，多处破损，运行费用高且存在时常爆管停水抢修的安全隐患，难以保证安全供水。因此，对取水方案进行了布置分析。

根据现场及资料调查，输水管道取水口位置有两个选择：分别为长河坝水库下游的发电站尾水和长河坝电站引水隧道钢管段开口三通处。

目前长河坝水库为崇义县县城供水的惟一来源，取水口范围500 m内为一级保护区，保护区范围内存在的可能污染水源需进行整改。因此，此次取水口设置在发电机组前，防止发电机组对水源产生污染。

然后，对以上两种方案进行综合比较：从管道输水能力上看，两种方案均能满足供水要求，方案一供水能力最优。从投资上看，方案一与方案二相比新增输水管道更小，但是方案一原输水管道设计压力为0.6 MPa，现状输水管道压力等级为1.6 MPa，需对原输水管道进行更换，投资更大。因此，从投资上看方案二最节省。从运行管理上看，方案一采用的两管并行运行需同时对2根管进行维护，维护成本较高。方案二运行时只使用新增输水管道，原输水管道作为备用管道，平时只需定时进行维护即可，可节省管理成本。因此，从运行管理上看方案二最优。

经综合比较各方案的优劣，推荐采用方案二作为本次设计的方案，即从发电引水钢管取水，原输水管作为备用管。

3 主要建筑物布置及设计计算

3.1 输水管道布置设计及计算

输水管道首先需要对管径及管材进行选择，管径及管材的选择主要从地形地质条件、管道引水量、水压力及水锤、水头损失、施工、投资及运行管理等方面考虑比较。满流或压力流的输水管管径，以及管道过流能力需采用管道孔口出流公式计算。输水管道按材质主要有预应力混凝土管、钢管、预应力钢筒混凝土管、球墨铸铁管和连续缠绕玻璃钢夹砂管等，作为输水管道各具优缺点。

3.1.1 管材比较

现在市面上较常见的城市供水网管的材料为非金属管和金属管，其中预应力钢筒混凝土管(PCCP)、玻璃钢管(缠绕式)和聚乙烯管(PE)归为非金属管，球墨铸铁管(DCIP)、钢管(SP)被归为金属管类别。几种输水管道管材经济性能对比情况如下所示(见表1)，管径较小的城市供水管可使用玻璃钢加砂管，但这种管材也有一定缺点，如耐腐蚀性差、价格相对较高。

表1 4种输水管道管材技术经济性能比较

综合沿程地质、施工条件以及工程对安全性、经济性的要求等因素，本工程设计采用球墨铸铁管和钢管两种管材结合使用。全线管材按如下条件选择：管线在穿越难点地段时，如过河道、水塘、高速公路、铁路等地段采用钢管；地质条件相对较好地段、可开挖直埋管段采用球墨铸铁管。

3.1.2 输水管道费用分析

给水管段每米长的综合建造费用在管网技术经济计算中一般采用下列公式：

CD=a+bDα

(1)

式中，D为管径(m)；a、b、α为建造费用公式中待定的常数、常系数和指数。

表2为球墨铸铁管的综合造价(见表2)，根据表中的球墨铸铁管的综合造价值，采用回归分析的方法确定建造费用公式中待定的常数、常系数和指数，得到公式(1)中的a、b、α分别等于252、3 931及1.63。然后采用公式CD=252+3 931D1.63，对表中各管径的造价进行拟合。由管道造价公式的拟合结果来看，准确度达到要求。

表2 综合造价统计拟合值及其误差

3.1.3 水击压力计算

输水管道取水起点压力根据水库水位变化进行变化，变化范围为水库死水位至正常蓄水位，此次水锤压力计算考虑水库最高水位同时也是正常运行水位。水击波传播速度采用如下公式计算：

(2)

式中，C为水击波传播速度(m/s)；d为管径(m)；e为管壁厚度(m)；α为水的弹性系数和管材弹性系数之比。经计算，水击波传播速度为1 030 m/s。

3.1.4 水击水头计算

水击水锤为间接水锤，关闭时间为Ts-30 s，为了防止管道出现负压，阀门启动时间定为60 s。当阀门突然关闭时，将产生最大正水击压力；当阀门突然启动时，将产生最大负水击压力。最大正水击压力和最大负水击压力按以下公式计算：

(3)

(4)

(5)

式中，Vm为管道水的流速(m/s)；Ts为关闭、启动阀门时间(s)；g为重力加速度，g=9.81 m/s3；H为管道水头(m)；L为管道长度(m)。选特征位置分别计算管道内不同位置处的水击压力及静水压力(见表3)。

表3 特征位置管道压力(部分)

经计算，管道最大压力为108.9，根据规范加上20～40管道富裕量，管道设计压力需大于1.1～1.3 MPa。本工程管道球墨铸铁管采用K9等级，可承担不大于1.6 MPa压力；压力钢管壁厚为8 mm，设计压力为1.6 MPa，管道压力指标均能满足要求。

3.1.5 水头损失计算

管道水头损失计算分为两部分，输水隧洞段及输水管道段。输水隧洞段长2.06 km，隧洞衬砌内径为2.4 m或1.8 m，C20混凝土砌；输水管道段长6.84 km，采用DN700管。输水管道的总水头损失由沿程水头损失和局部水头损失相加组成。

hz=hy+hj

(6)

式中，hz为管道总水头损失(m)；hy为管道沿程水头损失(m)；hj为管道局部水头损失(m)。

由计算结果分析可知，管道末段在水库最低水位情况下水头为11.3 m，满足管道靠重力自流的要求。

3.2 输水隧洞布置设计及计算

输水隧洞长2 060 m，桩号为洞0+000.000～洞2+060.000(K2+830～K4+890)。进口底板顶高程为314.0 m，出口底板顶高程为313.0 m，纵坡为0.048 5%。隧洞进、出口末端接压力钢管。根据地质钻探情况，隧洞内岩石较好、山体覆盖层较厚；为了节省投资，隧洞采用圆形有压隧洞设计。

3.2.1 管道布置原则

尽可能选择短而直的路线，这样可以缩短管道的长度，降低造价，减小水头损失，降低水锤压力。尽量选择良好的地质条件，尽可能在现有管道旁征地范围内布置，尽量减少管道的起伏波折，避免出现反坡，以利管道排空；应满足便于操作和维修的要求。

3.2.2 管线布置

新建输水管道基本沿原有管道一侧布置，起点位于崇义县长河坝电站2号发电机组引水支管末端蝶阀后，沿进厂道路右侧布置；出厂房大门后沿原输水管道布置。在河坑子至原输水隧洞进口附近采用在河坑子附近新建输水隧洞，隧洞出口后接管道至原输水隧洞钢管，利用原输水隧洞钢管输水；原输水隧洞钢管出口后新建输水管道沿原管道走向接入崇义县自来水厂蓄水池。输水管道总长8.90 km，其中新建输水管道4.14 km(其中球墨铸铁管管长3.640 km，钢管段长0.474 km)，管径为DN700新建输水隧洞2.06 km；衬砌后洞径为1.8 m和2.4 m，利用原隧洞内明钢管2.726 km，新建倒虹吸3座。

3.2.3 隧洞衬砌段计算

代表断面取进、出口桩号洞0+010、洞2+050断面进行计算。

桩号洞0+010。基本荷载组合 (设计内水压力)：山岩压力+村砌自重+均匀内外水压力。特殊荷载组合(水锤压力)：山岩压力+村砌白重+均匀内水压力。

桩号洞2+050。基本荷载组合(设计内水压力)：山岩压力十衬砌白重十均匀内外水压力。特殊荷载组合(水锤压力)：山岩压力十衬砌自重+均匀内水压力。

计算采用屠规彰等提出的衬砌结构的非线性常微分方程组，应用初参数数值解法，解算隧洞衬砌在水压力、山岩压力及衬砌自重等荷载作用下弹性抗力分布，算出变位和内力，并按水工钢筋混凝土规范进行配筋计算。对于11种隧洞过水断面，程序将衬砌(左半部)分10等分段，输出每个计算点的轴向力、剪力、弯矩、受压钢筋面积、受拉钢筋面积、抗裂安全系数以及裂缝开展宽度。经计算同时根据规范对衬到隧洞的最小厚度要求，隧洞衬彻厚度采用0.4 m，满足限裂和应力要求。

3.2.4 引水隧洞锚喷混凝土衬砌段围岩厚度计算

有压隧洞最小围岩覆盖层厚度根据《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)中的公式进行计算，公式如下：

(7)

式中，CRM为岩体最小覆盖层厚度(m)；F为经验系数，取1.3～1.5 m；hs为洞内静水压力水头(m)；rw为水的容重(kN/m3)；rR为岩体的容重(kV/m3)；α为河谷岸边边坡倾角。

经过计算，在最大水锤压力情况下的岩体最小覆盖层(不包括全、强风化)厚度不得小于4.0 m。设计输水隧测锚喷混凝土段随洞最小岩体覆盖层(不包括全、强风化)厚度为49.0 m，满足规范要求。

3.3 倒虹吸管设计

根据现场地形情况，在跨河处管道新建倒虹吸管，共设置3个，分别位于桩号K1+975～ K2+008、K2+080～ K2+123、K2+790～ K2+830。倒虹吸管两侧布置为缓坡式倒虹吸管，河床处倒虹吸管管顶埋置深度不小于1.0 m；管道顶+0.2 m以下采用C15混凝土回填，其余采用块石回填(见表4)。

表4 倒虹吸管设计参数

3.4 护岸挡墙设计

根据管线布置，新建输水管路布置在原输水管外侧，局部地段靠近河边。根据现场察看，新建管道距离河岸距离太近，如遇洪水冲刷河岸，容易导致岸坡崩塌，影响输水管道的安全，因此对此处地段进行护岸。护岸范围为：桩号K0+348.000～K0+432.000、桩号K2+228.000～ K2+300.000、K2+330～2+464，总长290 m。

挡墙采用C15混凝土重力式挡墙，墙高3.0 m，墙顶宽度0.8 m，迎水面铅直，背水面为1∶0.6，墙后回填开挖料。挡墙设D75PVC排水孔，间距1.5 m，梅花形布置，设0.5 m厚砂砾石反滤体。挡墙基础座落在圆砾层，墙底设0.1 m厚砂砾石垫层，挡墙底外侧回填块石固脚。

4 结 语

本文通过论述崇义县供水输水管工程实例汇总遇到的问题和难点，对工程总体布局和取水方案的选择进行分析，然后结合施工工程中涉及到的主要建构筑物布置方式和相关设计计算取值进行研究，主要包括输水管道的布置计算、输水隧洞的布置计算、倒虹吸管的设计以及护岸挡墙的设计。通过对供水输水管工程建筑物布置和设计整体方案的分析，可为编制可靠的施工方案及保证工程高效优质的实施提供技术保障。