供水工程設計方案研究

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摘要：利用蘆芽山布袋溝內馬家寺泉和姑姑庵泉水，分析了水資源量、水質和泥沙后，修建截潛流設施，采取分級消能措施和蓄水設施，成功消減了490m的水頭落差，接入末端自來水管網，達到了設計要求。

關鍵詞：截潛流；調壓池；集水廊道；濾水體；蓄水池

1工程概述

為解決五寨縣城城區群眾生產生活用水，緩解地下水位下降趨勢，決定利用蘆芽山布袋溝內馬家寺泉和姑姑庵泉水資源。布袋溝主河槽為姑姑庵方向來水，右側為馬家寺溝道來水，該段河谷較為狹窄，谷底寬30～50m，兩岸山體雄厚，呈“U”型谷。此段河谷上游內植被非常茂密，水土流失不大，無居住人口。取水點位于姑姑庵泉匯合馬家寺泉水之處，此截面以上流域面積29.9km2，河道長9.2km，流域平均寬度3.6km，取水點處常年基流在0.08～0.17m3/s之間。根據監測資料，取水點處雪融后春季基流在0.063～0.098m3/s左右，夏季基流在0.09～0.17m3/s左右，秋季基流在0.095～0.185m3/s左右，冬季、初春季無基流數據。布袋溝內河段一般11月下旬開始結冰，12月到2月封凍，冰期最大冰厚1.2m，每年2月中下旬河冰開始融化，未發生過冰洪。泥沙以暴雨洪水攜帶為主，在年內分配上，春節冰雪融化和夏季洪水含沙量大，尤其是夏季暴雨洪水，河流含沙量短時間劇增，在其他季節、河流基流多為泉水補給，流量小，水較清，含沙量小。據徑流移置輸砂模數估算，布袋溝上游年懸移質輸砂量0.38萬t，推移質0.11萬t，全年泥沙量0.49萬t。根據水文計算成果，兩股泉水匯合點以上流域年徑流總量282萬m3，在95%保證率下最低可引水量162萬m3，馬家寺截潛流工程設計年引水量108萬m3，日平均引水量3000m3。

2截潛流取水樞紐設計

2.1取水條件分析。取水點處地層巖性主要為第四系全新統洪沖積（Q4pal）混合土卵石或卵石混合土，厚度2～8m。據豎井開挖及取樣大型篩分試驗資料，混合土卵石層表層具架空現象，漂卵礫石成份主要為變質巖、石英砂巖等，其中漂石含量24.9%～27.1%，卵石含量27.2%～32.3%，礫含量13.9%～26.3%，礫磨圓較好，多呈次圓狀，砂含量13.6%～18.2%，多為中粗砂?；旌贤谅咽?.5%，其下伏基巖及左岸岸坡為下太古界界河口群變質巖，強風化帶厚度1～2m?；鶐r滲透系數k=0.05cm/s，覆蓋層滲透系數k=0.13cm/s。地下水類型為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水，下伏基巖中貯存變質巖類裂隙水，水位埋深0～7.8m，主要受河水補給。由取水點地質條件可知，混合土卵石層及其下伏強風化基巖均為強透水巖層，具有極強透水性，蓄水后可產生壩基滲漏。因覆蓋層滲透系數遠大于基巖，故滲漏主要為覆蓋層滲漏。經估算，在正常蓄水位1930m時，覆蓋層滲漏量約4812m3/d。在覆蓋層下設置防滲體攔截后，滲漏主要為壩基強風化層滲漏，估算滲漏量216m3/d，對取水流量3000m3/d影響不大。根據取水點水源水資源賦存條件，該處洪水標準為20年一遇洪水設計、50年一遇洪水校核，流量分別為141m3/s和252m3/s，校核洪水沖刷深度1.49m。利用取水點處兩股泉水為水源，分別修建截斷覆蓋層的攔水壩后會在壩前形成一個兩側高中間低的下凹形地下水面，同時在壩前鋪設大面積快速入滲體，河水入滲形成地下水后通過凹槽帶向下游排泄，形成封閉式截潛流。馬家寺截潛流取水方式采用截潛流入滲形式、主要建筑物包括截水壩、集水廊道、濾水體及出水管道。取水樞紐布置見圖1。2.2截水壩。兩條截水壩分別垂直姑姑庵泉和馬家寺泉主河槽布置，對接后形成整體攔截，長度為26m和24m，墻體均置于弱風化基巖巖體上。墻體凈高3.5m，頂部呈臺階狀布置，靠近上游側寬0.5m，低于壩頂高程0.85m，中間寬0.5m，下游側寬1.0m，低于壩頂高程0.5m。壩體上游呈直立狀，下游壩坡設計邊坡為1∶1，壩趾向外延伸0.8m。為防止形成繞滲通道，壩體與山體新鮮基巖連接。截水壩下游采用開挖料回填和拋石防護，同時下游壩坡壩頂以下鋪設一層1m厚土工格賓石籠，長6m，寬9m，坡度與上游相同。2.3集水廊道。在截水壩的上游中部，結合截水壩修建蓋板式集水廊道。單個集水廊道長8.3m，呈水平布置，采用C30鋼筋混凝土蓋板加支撐柱結構，凈斷面尺寸3.3m×2.0m，沿截水壩軸向設置3根支撐柱，支撐柱間距3.0m，柱截面尺寸為0.3m×0.3m，頂部梁帽采用擴大結構，支撐板截面尺寸為1.4m×1.4m，與頂板澆為一體。支撐柱基礎采用擴大結構置于弱風化基巖巖體上，基礎底板截面尺寸為1.4m×1.4m。集水廊道頂板為現澆C30鋼筋混凝土，上游側及左右岸分別置于截水壩及土工格賓石籠擋水墻頂，下墊150mm厚C15素混凝土，下游側搭于上游側墻頂部，頂板尺寸為8.3m×4.3m，厚0.2m。頂板右側設一直徑為0.8m的C30鋼筋混凝土進人孔，為防止洪水泥沙進入，人孔蓋板頂面比蓋板高2.50m，孔筒壁內側均設有鋼爬梯，外側設置漿砌石臺階。集水廊道上游及左右兩側側墻均為進水通道，側墻采用土工格賓石籠砌筑，墻體下部厚1.0m，高1.7m，頂部厚0.5m，高0.3m，上搭廊道頂板。2.4濾水體。集水廊道側墻上游及左右兩側回填濾水體，采取分層回填方式，依次如下：1）集水廊道側墻上游及左右兩側下部回填干砌塊石，干砌塊石垂直廊道橫剖面厚1.2m，頂寬2.0m，外側邊坡為1∶1，要求塊石最小邊不得小于50cm，錯縫砌筑。2）沿填筑好的干砌塊石外側輪廓面填筑一層500mm厚卵石反濾層，卵石反濾層高度與集水廊道側墻下部頂面齊平，外側邊坡為1∶1，要求卵石粒徑d=80～120mm。3）沿填筑好的卵石外側輪廓面填筑一層500mm厚的礫石反濾層，礫石反濾層高度與集水廊道側墻頂面齊平，外側邊坡為1∶1.5，要求礫石粒徑d=10～30mm。4）沿填筑好的礫石外側坡面填筑一層粗砂反濾層，粗砂反濾層高度與礫石反濾層齊平，頂寬0.5m，外側邊坡為1∶2，要求粗砂粒徑d=2～8mm。5）沿填筑好的粗砂外側坡面填筑一層500mm厚的干砌塊石，干砌塊石高度與粗反濾層及砂礫石反濾層齊平，外側邊坡為1∶2，要求塊石最小邊不得小于50cm，錯縫砌筑。6）為增加回填層滲透性和防止粗砂等濾料流失，沿以上填筑好的濾體材料頂面鋪蓋一層500mm厚的土工格賓石籠，鋪蓋范圍為頂面至集水廊道頂板邊緣。7）以上各層材料填筑完畢后，采用沖洗干凈后的溝道開挖碎石料將開挖部分空間回填至原地面高程，回填料中不得含有泥、腐植物等。取水樞紐剖面見圖2。2.5出水管道。出水管道布置在集水廊道正中，從截水壩穿出，為保證出水量和便于沖洗防止淤塞，出水管道采用DN300PE管。從兩個截水壩伸出的兩條DN300PE出水管沿著溝道敷設50m后并管為單根DN250級管。

3調節設施設計

取水樞紐蓄水位高程基本在1930m左右，服務區域地面高程在1440～1450m左右，水位落差最大490m左右。由于引水管道輸水過程中水頭損失較小，不能有效消除管內壓力水頭，受限于管道制造水平同時為節省投資，引水管道在上下游水頭差接近60m時即設置一處調壓池溢出管內水流形成自由水面，以消減上游管道內富裕水頭。根據本工程地形落差情況，引水管道沿線設7座調壓池。3.1調壓池。調壓池為鋼筋混凝土矩形結構，池內凈長2.0m，凈寬1.8m，池深3.0m；頂板采用預制C25鋼筋混凝土蓋板，頂板設直徑1m的檢修孔及DN200通風管；為保證進、出池水流平順，在池底板中心設一溢水堰，堰高2.5m，厚0.3m，溢流堰將調壓池內部分為消力池和溢流池。調壓池前后端分別埋設1條進水管和1條出水管，均采用DN250鋼管。設于消力池內的消能孔筒主要由DN250彎管、彎管轉彎半徑500mm、角度90°和打孔直管兩部分組成，孔筒一端用法蘭與彎頭連接，另一端用盲法蘭堵死并與消力池底板固定，消能孔筒孔周打孔面積為42%～43%，水流由筒壁網孔噴出，噴射于消力池中撞擊池壁鋼板進行消能，消力池壁四周鋼襯2cm厚防沖不銹鋼板，該消能方式經過太原理工大學水利系水流試驗室模型試驗證明消能效果良好，目前已應用于萬家寨引黃工程南干線、橫泉水庫供水和多處截潛流等高水頭管線供水工程，運行效果良好。3.2蓄水池。馬家寺截潛流供水服務區域內在早間6～9點、午間11～13點、晚間17～20點用水量很大，高峰期合集8個小時，其余時間用水量很小，晚間基本停用，用水量時變化系數很大。引水樞紐全天24小時不間斷供水，最大引水流量為0.07m3/s，平均引水流量為0.043m3/s，末端服務區域自來水管網接口最大引水流量0.0972m3/s（考慮時變化系數2），最高日引水流量為0.0729m3/s（考慮日變化系數1.5），存在著典型的用水高峰期和低峰期導致的需水量大與來水量少的矛盾。下游如無蓄水設施或蓄水設施容量過小，在末端非大量用水時間段內只能棄掉上游未使用的水量，造成水量的巨大浪費；同時考慮到引水管道遭到破壞、調壓池檢修和清淤等不利情況，在截潛流上游管道停止供水期間，蓄水設施內貯存的水量必須能夠滿足調節要求，極限停水天數按照1.5天予以考慮，新建蓄水池容積定為5000m3。引水管道全線為重力流，結合末端凈化廠高程、高層住宅和消防要求等因素，蓄水池需兼做凈化廠清水池，盡可能減少居民建筑物二次加壓和運行費用，受水區最高水位按照1490m考慮。為滿足以上要求，新建蓄水池內設計水位保持在1500m左右，可以保證下游管道水流進入自來水管網有足夠的壓力完成以上功能，實現下游控制區域不加壓。3.3壓力管道分布調節居民生活用水對管道材質要求高，引水管道全部采用PE80級管，考慮到流量變化因素，蓄水池之前管道采用DN250PE管，蓄水池之后管道采用DN300PE管。根據各調壓池之間的水頭差，考慮到發生事故時水錘系數1.3的影響，引水管道壓力等級在靜水頭差在0～28m時取0.4MPa，28～45m時取0.6MPa，45～60m時取0.8MPa。

4供水線路設計

引水管道敷設方式為地埋，五寨縣最大凍土深度1.48m，考慮到沿線坡度較大，雨水沖刷較為嚴重，引水管道設計管頂埋深不低于1.8m。管道跨布袋溝河時管道埋深為管頂以上覆土至少2.0m，并在上部覆蓋防沖刷措施。引水地埋管道管溝底寬0.7m，巖基開挖邊坡比1∶0.3，砂礫石地段開挖坡比1∶0.5，黃土段土槽開挖坡比1∶0.75，管道敷設之前，對管道基礎進行整平處理。如果地基為土基，則在地基處理后直接鋪設管道，頂部范圍內首先用原土回填。如果地基為石基或者砂礫石層，則底部鋪設100m厚砂墊層，管周及管頂100mm范圍內采用粗砂（粗砂粒徑不大于10mm）或沙土回填。用沙土或符合要求的原土回填管道兩肋，一次回填高度為100～150mm，搗實后再回填第二層直到回填到管頂以上至少100mm處。在回填過程中，管道下部與管底的空隙處易被忽略，要注重夯實，死角部位人工用木錘夯打。管道接口前后200mm范圍內不回填，以便試壓時觀察各接頭質量。管道試壓合格后的大面積回填（500mm厚），管頂300mm以上部分回填原土并填實，采用機械回填時，要從管的兩側同時回填，機械不得在管上行駛。管頂以上300mm回填后，再進行管道試壓，以防試壓時管道系統產生推移。管四周200mm以內的回填土不得含粒徑大于10mm的堅硬石塊。

5結語

本工程實施完成后，在取水樞紐加設了防護圍欄等水源地保護措施，同時在蓄水池前加設了自來水凈化設施，完全滿足了五寨縣城居民高品質生活用水的要求。目前已安全運行兩年多，累計為五寨縣城居民生產生活供水達到190萬m3左右。有效緩解了五寨縣城居民生產生活緊缺的狀況，使供水結構趨于合理，五寨縣城區地下水快速下降的局面得到改觀，產生巨大的社會經濟和生態效益。

作者:王增國 單位:山西省水利水電勘測設計研究院