徐州市骆马湖水源地及第二地面水厂工程设计分析

王雄 吴琼 黄兴

中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北 武汉 430010

徐州以微山湖为地表水源，无论是水质还是水量都不能得到有效保障，且水源单一，近年来多次发生水质污染事故，使徐州市城市供水安全可靠性受到极大威胁，且境内地下水超采严重。结合区域供水规划，徐州市将骆马湖作为第二水源地，地下水作备用水源。

1 工程总体方案

徐州市骆马湖水源地及第二地面水厂工程主要包括取水口、引水管、取水泵站、原水输水管线、中途加压泵站和第二地面水厂建设。取水口及引水管按140万m3/d规模实施；取水泵房及原水输水管线规模80万m3/d；加压站规模70万m3/d。

原水输水管从取水泵站至加压泵站输水规模80万m3/d，采用2根DN2000球墨铸铁管，单管长度约为28.4km；加压泵站至第二地面水厂输水规模60万m3/d，采用2 根DN1800球墨铸铁管，单管长度约为35.6km，第二地面水厂至解台泵站输水规模20万m3/d，采用1根DN1600球墨铸铁管，单管长度约为13.1km。

2 设计体会

2.1 管道水头损失计算

2.1.1 沿程水头损失计算公式的选用

由于国内还缺乏球墨铸铁管的标准计算方法，一般采用舍维列夫公式计算管线的水头损失高于实际值，所选水泵扬程偏高，导致水泵运行时严重偏离最佳工况点，水泵运行效率在最佳运行区间范围内外，造成能源浪费。

给水排水设计手册第一册《常用资料》里的水力计算表数据，适用于旧钢管和旧铸铁管，水头损失偏大。现在球墨铸铁管制造工艺比较成熟，内防腐采用离心涂覆的水泥砂浆保护层，内壁非常均匀、光滑。水头损失计算公式可采用舍齐公式和曼宁公式：

粗糙系数n，运行初期可取0.011～0.0115，远期可取0.012

2.1.2 局部水头损失计算

长距离输水工程管道局部水头损失和管中水流态有关[1]。《室外给水设计规范》7.2.3条文说明，管道局部水头损失可按沿程损失的5～10%估算。这种取值方式是在管道比较顺畅条件下的数据。管道实际布置情况比较复杂。在管道平纵断面完成后将所有弯头、阀门、三通等阻力系数统计起来，再确定管道局部水头损失，是更加准确的计算方法。经统计本项目局部损失达到沿程损失的25%。

2.2 取水头部型式选择

本项目取水口处深水区距岸边较远；洪、枯水位最大变幅4.5m。该处湖面宽阔，正常水位下水深达到10～15m。根据骆马湖取水口水下地形情况和类似工程的实践经验[2]，较合适的取水头部型式：箱式取水头部和桩架式取水头部。

2.2.1 箱式取水头部

箱式取水头部箱体为钢筋砼结构，其侧面进水窗口安装拦污格栅，引水管深入箱体内取水。规模较大的箱式取水头部箱体宜采用预制构件，浮运至取水点，在水下进行拼装就位；采用钻孔灌注桩基础。一般箱体嵌入湖底，局部挖深3m左右，与灌注桩连接。适用于取水量较大、取水点水深较浅、河床（或湖泊、水库）较稳定等情况。

2.2.2 桩架式取水头部

采用钢管桩或预制钢筋混凝土管桩，将桩打入河床（或湖泊、水库），在框架周围采用格栅和钢板加以围护，防止漂浮物进入。适用于河床（或湖泊、水库）较为稳定、河床（或湖泊、水库）地质宜打桩、枯水位水深较深和水位变化较大等情况。

2.2.3 取水头部形式比较

取水头部形式比较见下表：

表1 取水头部型式比较

根据取水点位置和水下地形，拟建取水头部所处位置距离大堤约2.1km，在枯水位情况下取水点处水深约11m。

根据引水管进水口淹没水深、悬空高度等应满足其有关水力条件的设计要求，采用桩架式取水头部均能满足相关要求；且桩架式取水头部更利于取得中层以上的优质湖水。而箱式取水头部施工难度相对较大，由于水深较深，如若取中上层优质湖水，箱体高度大于10m，增加了箱体制作、安装就位的施工难度。

针对本工程取水点水深较深，湖床较为稳定等特点，考虑到桩架式取水头部有利于取得中上层优质湖水、施工难度相对容易，而且投资也较低，推荐采用桩架式取水头部。

2.3 管线穿中运河

中运河河宽约1500m，为二级航道，有大部分区域是采砂区，局部有采空区，采砂深度一般在湖底80m左右，在湖底还遗留有断裂的采砂管、铁锚等障碍物。需对过河路线两侧30m范围进行水下物探，探明障碍物和采空区分布情况。

根据原水输水管线布置，2根DN2000原水输水管需要穿越中运河。采用何种方式穿越中运河，涉及到工程投资的经济性、管道铺设的可操作性和长期正常运行的安全性。管线穿越中运河主要由以下几种施工方式：

2.3.1 方案一：顶管施工

管道采用钢管，管径为DN2000，共2 根，由于河内采砂船密布，河床底因常年采砂形成大面积采砂区，整个场地条件非常复杂；顶管埋深应满足河床最大冲刷深度、通航船只抛锚深度的要求，顶管总长度约1955m，根据目前国内的顶管技术，可以满足要求。

优点：1、水下施工工程量小；2、顶管施工技术成熟，质量有保证；3、管道埋设在河床内，不受河道航运和河流冲刷的影响；4、施工期间对河道航运的影响最小。

缺点：1、管道防腐要求比较高；2、运营期间管道检修维护不方便；3、河床下部因采砂造成地质的不均匀和不确定，对管基的稳定有很大的影响。

2.3.2 方案二：顶管+沉管施工

由于中运河航道范围不允许断行，过航道和中运河大堤部分采用顶管施工，其它部分采用沉管施工。

沉管施工之前，先将采砂形成的采空区适当整平，然后在河床底采用机械水下开槽，将制作好的钢管浮运至相应位置，按沉管施工技术要求下沉到位，焊接牢固后在管周采用卵石混合料回填至管顶，再抛石护管。基槽周边的河床底应同时进行护砌处理。

沉管施工可根据现有的河床地形，灵活设计管道的坡度，管道可以浅埋，一次铺设管道较长，施工周期短；由于湖底起伏较大，沉管之前需采取水下吹填的方式对湖底进行整平处理，沉管落在吹填后的松散地基上，可靠性较低。本项目沉管长度超过1000m，为保证管道质量，不采用水下焊接，沉管需要一次性下沉，下沉长度将会刷新国内沉管一次性下沉记录，施工难度相当大。

优点：1、管道施工工程量相对较小，施工工期短；2、沉管部分采用水下钢管桩支撑，避免管道不均沉降；3、管道埋设在河床内，不受河道航运和河流冲刷的影响。

缺点：1、维护管理工作相对复杂麻烦；2、管道一次性下沉，难度较大。

2.3.3 方案三：顶管+围堰开槽埋管施工

过航道和中运河大堤部分采用顶管施工，其它部分采用围堰开槽埋管施工。

围堰施工时，先将采砂形成的采空区适当整平，采用袋装土分段围堰，并对下部砂层作隔水处理。然后在河床底部开槽埋管，管道铺设完毕，管道胸腔及管顶0.8m范围内回填砂石混合料，其上抛石护管，管槽周边的河床底应同时进行护底处理。

围堰开槽埋管施工均在地面上操作，地基处理、管道连接的施工质量均可控制。但围堰开槽埋管施工需长时间占用河道，对河面的通航会有较大的影响，需报请相关部门批准，手续多且繁琐，难度较大。除围堰之外，隔水也是需要考虑的措施之一，措施费高。围堰施工时需考虑分段围堰施工，围堰的尺寸还需考虑河水水位高低的因素，因此其施工受外部制约的因素多，施工周期较长。

优点：1、在地面上操作，地基处理、管道连接的施工质量均可控制；2、管道安装在管槽里，操作方便快捷。

缺点：1、管道安装施工，对航道影响最大，手续复杂，制约因素较多，影响工期；2、河床下部因采砂造成地质的不均匀和不确定，对管基的稳定有很大的影响。

表2 原水管穿越中运河方案技术分析比较表

2.3.4 管线穿中运河方式的确定

综合比较，采用顶管+沉管施工，工程投资最低，顶管及沉管施工技术成熟，质量有保证；沉管采用水下钢管桩和土壤支撑，沉降小；管道埋设在河床内，不受河道航运和河流冲刷的影响；且施工期间对中运河航运无影响，相关外部手续简单，受外部制约因素少，施工工期易于保证。

结束语

随着越来越多的城市实施双水源供水，长距离管道输水工程建设也越来越多，工程建设的合理性和安全性引起各方面高度关注，掌握详细的基础资料和勘察资料，选择合理的设计参数和安全施工工艺，降低运行成本，减少安全隐患，是非常有必要的。