锡伯提水库冬季引水管道工程设计综述

唐明建，张晓叶

(沈阳亿鑫设计咨询有限公司，沈阳 110006)

1 工程概况

锡伯提水库是锡伯提河上的一座小(Ⅰ)型平原注入式水库，位于新疆兵团第九师一六六团境内。水库总库容500万m3，死库容40万m3，有效库容460万m3。锡伯提水库建成于1992年，但由于库盘渗漏，坝基不均匀沉降造成坝体裂缝，使水库无法正常蓄水，成为病险水库。2015年该水库彻底除险加固后恢复其设计库容500万m3，水库控制着下游灌区2186.67hm2灌溉面积。

锡伯提水库通过大锡伯提渠首引水，明渠输水进入水库，但是在每年的冬季(12-3月份)，因为严寒，引水渠产生冻胀，河水结冰流通不畅等原因，冬闲水无法引入水库，水资源无法得到充分利用，水库引水渠的引水量达不到设计库容，无法满足下游灌区的灌溉用水量。该工程通过新建一条冬季引水管道，将无法利用的冬闲水引入锡伯提水库，增加水库的供水量，以缓解下游灌区耕地灌溉用水量不足的问题，工程的建设将会使灌区有限的水资源得到充分利用，对项目区增产增收意义重大。

2 管线总体布置

锡伯提水库冬季引水管道设计流量0.8m3/s，管道总长5966m，采用DN700玻璃钢管，共配套建筑物16座，其中闸阀井10座,消能井1座，丁坝5座。管道从大锡伯提渠首下游改建的消力池取水，管道末端设消能井，水流经过消能后，溢流进水库进水渠，注入锡伯提水库。管道沿线每隔1km左右设一座排气井，在管道逆坡处最低点设排水井，最高处设排气井。管道0+240-0+620段管线位于锡伯提河左岸河床边缘，为防止洪水将管道冲出，该段沿线共设置丁坝5座(丁坝间距95m)，丁坝顶宽1m，坝长8m，边坡1∶1.5，坝高1.5-2.0m，丁坝及管道护坡上下游10m范围均采用雷诺护垫护砌。为保证管道在冬季运行时能够足量引水，在每年入冬前需将渠首处做清淤处理[1]。

3 管道水力计算

通过经济技术比选，确定本工程管材选用玻璃钢管。管道管径按通过的流量确定，为使管道具有较稳定的工作压力，较少管道的磨损，管道设计水力坡降小于地面坡降，管道流速≤2.5m/s。

输水管道水头损失按下式计算：

沿程水头损失：

hf=fQmL/db

(1)

局部水头损失：

hw=ξ×v2/2g或hw=10%·hf

(2)

式中：L为管长，m ；Q为流量，m3/h；d为管道内径，mm；m为流量指数，1.77；b为管径指数，4.77；ζ为局部阻力系数；v为管道流速,m/s；g为重力加速度，9.8m2/s；f为管材摩阻系数，玻璃钢管取91500/。

通过计算，管道首端至末端高差为90.74m，当管径为700mm时，管道最大工作压力为70.76m，水流流速为2.08m/s，满足经济流速要求，由此确定管道采用DN700玻璃钢管，承压等级0.4-1.0MPa[2]。

4 纵横断面设计

4.1 横断面设计

当地最大冻土深度为1.2m，为保证管道冬季运行，设计管沟深按最大冻土深度+20cm考虑，因此设计管顶以上埋深≥1.4m。管沟断面采用梯形，根据现场踏勘情况及地质勘察报告，管道0-064-5+032段为砂砾石基础，设计沟底宽1.3m，开挖边坡系数1∶0.5，需在管道底部铺设20cm细砂垫层，并一次性整平。

管道5+032-5+900段临近锡伯提水库库区，经实地勘察，该段管线基础为湿陷性黄土，湿陷系数0.045，属中等非自重湿陷性土。该段管沟设计沟底宽1.5m，开挖边坡系数1∶0.75，为消除管沟基础湿陷性的影响，基础采用换填垫层法。管沟开挖后对基础进行翻松洒水并辅以人工夯实，翻夯影响深度≥30cm，压实度≥0.93，另铺设30cm厚3∶7灰土垫层，灰土换填后承载力应达到170kPa。处于该管段范围内的所有闸井、消能井等建筑物基础均采用该措施处理。

4.2 纵断面设计

管道纵剖面设计的主要内容是确定管道在立面上的位置。管道应短而直，应尽量使管道在立面上顺直，但要避免大量开挖，在管道沿线地面起伏较大时，地埋管道也可随地面起伏，同时要避免山峰状隆起。在起伏的管道上，隆起的部位要设置进排气阀，低谷的部位要设泄水阀。本次管道最大设计纵坡0.1520，最小设计纵坡0.0002，共设排气井6座，排水井4座。

5 管道附属设备

设计管道仅为输水管道，中间不分水，故管道附属设备仅包括进排气阀和排水阀。

5.1 进排气阀

进排气阀设置在管道系统的驼峰处，输水长度大于1km时应增设1个，其作用一是在管道输水过程中排出管内空气，防止管内积气发生气蚀和影响管道过流能力；二是在管内产生负压时吸入空气，避免产生负压以保证系统安全运行。进排气阀的口径与所处位置和与其连接的管道口径有关，参考《城市供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》(CECS193: 2005)，推荐兼有注气、排气两种功能的排气阀，公称直径宜取主管道直径的1/8-1/5，本工程进气、排气阀的大小按不小于管路管径的1/4确定。本工程选定排气阀规格为DN200，共设6处。

5.2 排水阀

管道非运行季节(夏季采用渠道引水时)，应排除各级管道内的积水，排水阀设于管道较低处，及管道逆坡的最低处，本工程共设排水阀4处。

6 管线防冻措施

为保证管道进水口能在冬季正常运行，需将大锡伯提渠首的消力池段进行改建。根据气象资料，当地最大冰冻厚度为0.9m，即冰面0.9m以下的水流不结冰，由此可确定管道进水口高程。加高现状消力池，在消力池末端增设一道潜孔式闸门作为节制闸，在消力池右岸挡土墙上增设一道潜孔式闸门，闸门后接输水管道。考虑管道冬季运行时需保温，封闭渠首开敞段，并覆土50cm，管道附属阀门井、消能井等均采用此措施保温。管道进水口剖面详见图1。

图1 管道进水口剖面图(单位：cm)

7 消能井

管道地形坡差较大，管道末端工作压力达到70.76m，静水压力达到90.74m，若直接将管道水注入水库进水渠，会对渠道产生极大的破坏，且水流流态极不稳定，因此在输水管道末端设置深筒式消能井，降低水头，使水流平稳的溢流进入渠道，最终注入水库。消能井分为进水池、出水池和溢流渠三部分，进水管采用多孔钢管，通过多孔出流将巨大水能减小，进水池四周和底板内壁设置钢板，防止水流对池壁和池底造成损伤。

设计深筒式消能井特点是利用射流对池壁的冲击来消能。消能井结构尺寸按以下步骤确定：

根据进水管直径D=0.5m、设计流量Q=0.8m3/s，尾渠允许波高h=0.025m，计算消能井参数〔Q2/(gD2)〕1/2=1.45，h/D=0.05。选择深宽比d/b，d/b=1.0-2.0较妥，一般取d/b=1.5。根据以上参数由图2查得b/D=3.2,从而可得井宽b=1.6m，井深d=2.4m。参考当地已建成的规模与本工程相当的消能井，本次取井宽b=2.0m，井深d=3.95m。消能井剖面详见图3。

图2 d/b-〔Q2/(gD2)〕1/2关系曲线图 图3 深筒式消能井剖面图(单位：cm)

8 结 语

工程已于2016年完成施工并验收合格，运行至今状态良好。管道未出现过因冰冻而断水的情况，说明管道进水口在最大冰冻层以下取水是可行的，在闸井、消能井等建筑物顶部覆土保温能够取得较好效果。湿陷性黄土区管线基础未发现明显沉降，管线完好，说明对承载能力要求不高的建筑物基础采取翻夯+换填灰土的措施能够较好的减小土壤湿陷性，满足工程需求。管道末端消能状况良好，未出现冲刷现象，说明深筒式消能井在小流量、高水头的管线工程中消能效果较好。