青年泵站及输水管线设计分析

费开轩

(广东水科院勘测设计院,广东 广州 510610)

1 工程概况

汕尾市区应急备用水源工程是为解决在发生特大干旱、突发水安全事件情况下汕尾市城区汕尾市区居民生活日常均值75%，以及工业、城镇公共正常情况30%的用水，从而进一步提升汕尾市城区的供水安全保障能力的跨流域调水工程。工程从海丰县青年水库尾水渠引水，经过青年泵站加压后输送至新地水厂原水池。该工程取水量为9.5万m3/d，折合设计引水流量1.1 m3/s，合计20 d的取水量为190.0万m3[1-3]。

工程供水对象为汕尾市城区，以青年水库为起点，新地水厂为终点，输水管线总长约该方案原水输水线路总长约26.7 km。根据工程按供水对象的重要性，确定本工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物为5级[4-6]。

2 青年泵站设计方案分析

该应急备用水源工程青年泵站初拟装机2用1备，单泵流量0.55 m3/s，设计扬程85 m，电机功率630 kW。泵站采用液控缓闭止回蝶阀断流。

2.1 枢纽高程

泵站枢纽位于小液河左岸，放水涵尾水渠右岸青年水库管理房厂区内。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(GB 50201—2017)与《泵站设计规范》(GB 50265—2010)的规定，青年泵站的防洪标准为30年一遇洪水设计、100年一遇洪水校核。泵站枢纽由进水前池、主泵房、检修间、压力箱、管理房、配电房等建筑物组成。泵站枢纽所处位置地面高程为5.0～5.3 m，建成后泵房水机层地面高程为5.5 m。泵房水下墙高程为5.5 m，满足规范GB 50265—2010，超高下限满足规范要求。

2.2 主、副厂房布置

主、副厂房的布置是在可研报告基础上及充分征求海丰县青年水库管理所意见的基础上进行优化布置，主泵房安装3台双吸离心泵(两用一备)，由下至上依次为水泵层、电机层。水泵层底板高程1.00 m，建基面高程-0.80 m，泵组安装高程2.16 m，机组间距4.80 m(机组中心距)，为节约用地，主、副厂房合并布置，泵房总占地为长×宽=24.05 m×12.90 m。混凝土水下墙顶高程5.50 m、6.60 m，主泵房设有1台50 kN单梁电动葫芦，轨顶高程10.20 m，泵房顶高程11.00 m，泵房顶高程不超过青年水库管理楼一层高度。

2.3 沉砂池布置

沉砂池进水口北侧，沿现有渠道布置，渠道为矩形断面，渠道底宽约8.0 m，底坡i=0.001。渠道水深按明渠均匀流计算。引水流量为1.1 m3/s时，渠道水深渠道拦沙坎高度为50 cm，糙率取0.025，求解得到明渠水深为0.271 m，流速0.507 m/s。在最小引水流量下，引水比K=Q引/Q渠=1.0。沉砂池段渠底高程为3.0 m，达到设计流量时，渠道水位为3.271 m。

2.4 拦沙坎设计

拦沙坎高度根据引水流量确定，根据工程布置，前池进水口尺寸为2.0 m×3.2 m，侧向进水结构。根据索科洛夫对无坝取水的经验总结，在含沙量较小的稳定河床中，拦沙坎高度可采用0.5～0.8 m。本工程从青年水库取水，放水渠渠底和侧壁均做过硬化处理，原水含沙量比较小。拦沙坎高度采用0.5 m是合适的。

根据《水力学》[7]按式(1)进行计算：

(1)

式中：Q为流量，m3/s;σ为淹没系数；ε为侧收缩系数；m为流量系数，取0.366；n为孔数，取2.0；b为孔宽，取3.2 m；H0为上游水位。

经计算，得出侧堰进口堰顶高程为2.6 m。

2.5 青年泵站监测设计

青年泵站为3级建筑物，主要布置变形和环境监测。

(1)变形监测。在泵站挡墙、闸墩分缝两侧及厂房四周布置10个垂直位移测点，采用精密水准法进行监测；建筑物变形影响区以外坚实基础上布置2个起测水准基点和1个校准基点进行校核。

(2)环境监测。在进水池布置1根水位标志和1根水位计，并在泵站枢纽区域布置1套百叶箱和1支雨量计。仪器电缆引致泵站管理中心。

3 输水管线设计方案分析

管材采用DN1000球墨铸铁管(钢管)，新建管线长度12 299 m，管道主要采用开挖沟槽方式铺设，管顶覆土厚度不小于1.0 m，大液河、小液河段管辖布置在堤防临水侧堤脚位置，其他河段布置在堤防背水侧。

3.1 跨涵结构

管道跨越段距离堤防排水涵出口较远位置采用跨河管桥结构。管桥段采用直径800 mm混凝土灌注桩，桩顶设置支墩(镇墩)，支墩间距参考《自承式给水管道附属构筑物》(07MS101-3)，7度地震区(0.10 g)的非保温管道，直径DN1000，单跨允许跨度17.1 m，双跨允许跨度17.1 m，本工程跨涵(小河)多为1跨和2跨结构。管桥均高于现状排水涵、闸的顶高程，不影响其功能。

管道结构距离涵闸较近位置，管道在涵闸顶部设置支墩跨越。支墩间距与管桥跨度一致。根据沿线钻孔柱状图，沿河段淤泥层最大厚度为13.6 m，上层填土厚度为1.4 m，管桥灌注桩长按穿透淤泥层并考虑一定的嵌固深度，管桥桩长为17 m。单桩竖向承载力特征值Ra=546.01 kN。

3.2 管槽开挖

3.2.1 陆地埋管段

根据管道沿线地层情况，管槽开挖主要有放坡开挖和钢板桩支护开挖两种形式。管槽开挖底宽计算式(2)如下：

B=D0+2(b1+b2+b3)

(2)

式中：B为管道沟槽底部的开挖宽度，mm；D0为管外径，mm，球墨铸铁管取1048 mm；b1为管道一侧的工作面宽度， DN1000管道取400 mm；b2为有支撑要求时，管道一侧的支撑厚度，取150～200 mm；钢板桩支撑时，槽钢采用C-400×100×10.5×18槽钢，厚度为100 mm；钢板桩采用SP-Ⅲ型，厚度125 mm，支撑厚度取值为225 mm；b3为现场浇筑混凝土或钢筋混凝土管渠一侧模板的厚度，无钢筋混凝土管道取值为0 mm。

3.2.2 顶管段

(1)黄江段顶管。黄江段顶管位于西闸上游，共设置1个顶管井，1个顶管井兼接接收井和1个接收井，顶管总长约561.17 m。顶管段管中标高-7.6 m。

(2)市区段顶管。市区段顶管段位于汕尾市区，1#顶管井位于汕尾大道北侧，2号接收井位于汕尾大道南侧，顶管线路横跨汕尾大道，与汕尾大道夹角为43°。顶管长约66 m；3#顶管井位于成业路西侧，4#接收井位于成业路东侧，顶管与成业路夹角45°。顶管长约60 m，顶管完工后顶管井和接收井均用粗砂回填密实。

3.3 管道接口

球磨铸铁管与球磨铸铁管之间采用“T”型承插接口，埋地钢管与球磨铸铁管之间采用承插短管连接，钢管与钢管之间采用焊接方式连接，球墨铸铁管及钢管与阀门连接部位均采用法兰连接。承插接口可以有一定的转角以便于借转，通常情况下，偏转角度不大于1°，借转角度也可根据厂家提供的参数进行偏转连接。管道接口模型见图1。

图1 管道接口模型

3.4 管道抗浮计算

(1)球磨铸铁管抗浮计算。DN1000球磨铸铁管单位重量为309.3 kg，覆土厚度1.0 m，填土浮容重11 kN/m3。按最不利空管工况进行计算：抗浮力：Gk=13.09 kN,浮力：F=7.85 kN,Gk/F=1.67≥Kf=1.10，因此，满足规范要求。

(2)沉管抗浮计算。DN1000钢管单位重量为299.48 kg，最小覆土厚度1.1 m，填土(石)浮容重11 kN/m3，同样按最不利空管工况进行计算：抗浮力：Gk=15.09 kN,浮力：F=7.85 kN,Gk/F=1.92≥Kf=1.10，因此，满足规范要求。

3.5 顶管计算

钢管顶管传力面允许的最大顶力计算如式(3)：

(3)

式中：Fa b为钢管允许顶力设计值，kN；φ1为钢材受压强度折减系数，可取1.00；φ3为钢材脆性系数，可取1.00；φ4为钢管稳定系数，取值0.40；fs为钢材受压强度设计值，Q235，抗压强度设计值215 N/mm2。

经计算Fa b=2522.59 kN。

顶管总顶推力可按下式(4)估算：

F0=πD1Lfk+NF

(4)

式中：F0为总顶推力标准值，kN；D1为管道外径，取1.024 m；L为管道顶推长度，取338 m；fk为管道外壁与土体的平均摩阻力，触变泥浆减阻时，fk取2 kN/m2；NF为顶管机的迎面阻力，kN。

经计算F0=2274.27 kN。

由上述计算可知，顶管总顶推力小于钢管最大允许顶力，管道不需要设置中继间。

3.6 输水管线监测设计

输水管为3级建筑物，主要布置水平位移监测、沉降监测、土压力内水压力监测与应力监测设施。

(1)水平位移监测。1#～4#顶管井布置4根测斜管，共计16根；在输水管线选取2个典型钢板桩支护断面在断面钢板桩外侧各布置1根测斜管，共设置4根；在泵站旁边的旧青年水库管理房布置2根斜侧管，管理楼进行位移监测。

(2)沉降监测。在1#～4#顶管井及顶管井之间的地面布置沉降节点，工布置10个垂直位移监测点，用于监测顶管井及管线经过地面的沉降情况。在顶管井及顶管变形影响区域以外设置水准起测点和基准点进行校核。观测点位移观测中误差不大于±1 mm。

(3)土压力监测。对1#～4#顶管井外侧及减压阀井钢板桩支护外侧各布置4支土压力计，共计20支土压力计，监测井壁外侧的土压力情况。

(4)内水压力监测。在输水管线沿程检修阀及量水间布置压力传感器和压力表，并布置2个监测点，用于监测管道内水压力。

(5)应力监测。对1#～4#顶管井内衬墙处选择应力较大位置各布置8只钢筋计，共计32只钢筋计，用于监测内衬墙内的钢筋状态；针对减压井布置4只钢板计，用于测量钢板桩的状态 。

4 结 论

(1)广东省汕尾市区应急备用水源工程项目从青年水库引水，解决汕尾市区的应急备用水源问题，进一步提升汕尾市城区的供水安全保障能力。

(2)汕尾市区应急备用水源青年泵站与输水管线和设计方案满足相应规范要求，工程技术可行、施工可操作性强、经济性比较合理。

(3)应急备用水源的建设，提高了渠道输水稳定性与安全性，改善汕尾市水利基础设施，对地区经济可持续发展有积极的现实意义。