生态补水管道接入输配水系统方案及优化

杨长青，李娜

（1.焦作市引沁灌区管理局，河南 焦作 454002；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；3.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

0 引言

随着生态文明理念的深入人心和水生态文明建设国家战略的持续实施推进，生态补水逐渐成为生态文明建设不可或缺的一个重要内容。生态补水是充分利用再生水或者调配其他类型水资源，向无法满足需水量的河流调水，旨在改善、恢复河流生态系统的功能、结构以及自我调节能力，进一步提升水生态环境。生态补水管道作为生态补水的主要实现方式，因其具有降低土地资源利用、提升水资源利用效率、方便管理等优点，近年来受到人们的广泛关注。但补水管道大多采用管线接入主干渠地下长距离输水模式，其管道接入方式的可靠性是其效益发挥的关键，同时应对管材选型、管径设计、穿越工程设计及施工安全等予以重视，力求做到在投资少、易实施、效益优的基础上，保证补水管道的安全性、可靠性。

文章以大沙河接入南水北调中线工程生态补水管道建设为例，对管道接入方案进行了技术经济比选，分析确定了管材类型、管径及穿越工程设计方案，提出了工程施工中的关键技术措施，为类似补水管道工程的设计及施工提供理论和技术参考。

1 工程概况

1.1 南水北调中线焦作段概况

水利部在2019 年6 月召开的南水北调工程管理工作会议上提出“加强南水北调工程生态补水常态化研究，持续开展丹江口水库洪水资源化利用，向北方受水区生态补水”。近年来，南水北调中线工程为沿线城市河、湖、库进行生态补水发挥了重要作用，自通水以来已累计向河南省供水180 亿m3，其中2017-2019 年分别向焦作市生态补水180 万m3、4 460 万m3和87.80 万m3，极大缓解了焦作市人民群众生产生活用水紧张局面。南水北调中线总干渠贯穿整个焦作市，城区内线路全长9.91 km。为充分利用南水北调生态补水，提高焦作市南水北调生态水利用率，结合焦作市城区河、湖水网布局及南水北调中线工程分水条件，拟修建南水北调与城市水系连通工程。其中大沙河生态补水工程是从南水北调中线总干渠27号分水口门取水，利用现有府城水厂配套管线输水至府城泵站控制阀井下游侧位置接入，汇入大沙河。该工程为焦作市城市发展、水资源合理利用、水生态文明城市建设等提供了重要支撑。

南水北调中线总干渠27号分水口门位于焦作市西南府城村，设计分水流量为4 m3/s，年均分配水量9 600 万m3，配套建设府城水厂向焦作市提供生产生活用水。在南水北调配套管线桩号0+408.372 处新建府城泵站1 座，装机5 台，设计扬程28.53 m，设计供水流量3.40 m3/s。大沙河生态补水工程管道总长2 475 m，为地埋管道自流输水，管道比降3.03‰，近期设计流量1.30 m3/s，远期设计流量0.35 m3/s，设阀井16座，支墩20座，镇墩4座。管道沿程下穿晋新高速，结合焦武路由高速路桥下埋管下穿，以管道倒虹吸形式下穿新河，并埋管下穿大沙河左堤防。

1.2 工程区地形地质条件

工程区位于太行山山前黄卫冲积平原，地形较平坦，地势总体上西高东低。拟建补水管道多位于耕地中，局部位于道路侧。边坡岩性主要由重粉质壤土、轻粉质壤土组成，局部有素填土和细砂。场区内地下水水化学类型为HCO3-Ca 型，地下水对混凝土、钢筋混凝土结构中钢筋及钢结构具弱腐蚀性。场区勘察期间地下水埋深约0.80～1.60 m，高于管道拟开挖建基面高程。

2 接入方案比选

大沙河生态补水管道采用从配套管线上单管道取水方案：一是避免工程实施对南水北调安全造成不利影响，避免影响已建府城泵站正常运行；二是由于南水北调27 号口门至大沙河补水管道主要向大沙河补充生态水量的功能，为间歇供水，有时间进行维修养护，供水保证率低。

2.1 线路比选

根据现场条件拟定两条接入线路：一是连接工程管道接入点位于府城泵站2#控制阀井下游约30 m 处，采用三通阀门接入府城水厂配套管线，沿府城泵站围墙内侧向西约100 m后折向南沿生产路至晋新高速北侧焦武路桥下；二是连接工程管道起点位于府城泵站2#控制阀井下游约90 m 处，采用三通阀门接入府城水厂配套管线，向南出焦作市园林局苗圃中心后折向西穿越现状2 条生产路后再沿生产路向南至晋新高速北侧焦武路桥下。

从技术经济性及运行管理等因素对输水管道接入线路进行进一步优化比选认为第一种方案合适，工程线路水头损失较第二种方案小0.207 m，投资小，控制阀及流量计均位于府城泵站管理区内，便于统一调度管理及后期维护。

2.2 连接方式

管道连接方式拟考虑采用开敞式（两工程间有自由水面）连接或直连接（管道直连）两种方式。其中开敞式连接方案从府城泵站2#控制阀井下游约30 m处采用三通阀门接入府城水厂配套管线，在连接工程接入点下游62.75 m处新建高位水池1 座，形成自由水面，后接自动控制蝶阀和电磁流量计控制输水流量，配套管线输水至大沙河；直连接方案从府城泵站2#控制阀井下游约30 m处采用三通阀门直接接入府城水厂配套管线，后接自动控制蝶阀和电磁流量计控制输水流量，下游直接埋管入大沙河。

管道接入方式主要从安全可靠性、技术经济性及施工便捷性等方面予以考虑。安全可靠性方面，两种方案中均能够保障配套工程的稳定运行；技术经济性方面，两方案技术可行，但开敞式连接方案增加了一个高位水池，工程部分投资较直连接方案增加28.40 万元，永久占地增加0.01 hm2；施工便捷性方面，开敞式连接方案新增的高位水池，高位水池顶高程与府城泵站进水池相同，施工难度相对较大，对府城泵站管理区影响大。综合分析认为，采用直连接方案既能保证配套工程及府城泵站运行安全，也便于统一管理。

3 管道设计优化

3.1 管材选型

由于此工程涉及城市生活用水，因此对管材环保性、耐腐蚀性及安全可靠性等方面要求较高。从接口型式、防渗漏性能、抗老化性、耐腐蚀、重量、同管径同压力下输水能力、承受内压范围及使用寿命等方面对目前常用的预应力钢筋混凝土管、钢筒混凝土管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管输水管进行了对比分析认为：球墨铸铁管耐腐蚀、绝缘性优异，管材重量相对较轻，安装快捷方便、费用低，施工速度快，抗锈蚀及输水能力相对较强，糙率较低，工作压力在0.40～3.00 MPa，使用寿命可达70年以上，大管径价格较其他管材相差不大。

经比选确定，输水管道采用厚为15.30 mm的K9级球墨铸铁管，下穿新河管道采用厚18.70 mm的K11级球墨铸铁管，下穿大沙河左岸堤防采用K9级球墨铸铁管外包C25混凝土。

3.2 管径选择

3.2.1 计算工况

补水管道为有压流，设计压力为0.40 MPa，上下游设计水位分别为105.82、102.80 m，出水口管顶高程为102.40 m，设计流量为1.30 m3/s。

3.2.2 管径复核

考虑该工程的实际情况，在满足输水要求的情况下，尽量选用断面较小管道，以降低运行成本。输水管道确定经济管径的计算公式如下：

式中：μc—管道流量系数；A—管道面积，m2；g—重力加速度，m/s2；H—有效水头即总水头损失或上下游水位差，m。

在管道允许流速0.60～3.00 m/s内对管径进行试算，最终确定补水管道管径为1 200 mm，满足过流要求。

4 穿越工程方案优化

4.1 新河穿越方案

生态输水管道与新河上游交叉，采用管道倒虹吸形式下穿新河。新河段现状河道已完成生态治理，考虑到新河河道断面为宽浅式，属于季节河道，采用直接开挖埋管穿越，穿新河处管道埋深按河底以下2.50 m控制。为便于检修，在穿河段进口处布置有检修阀井，在上游起点与下游终点处均设排气阀，以保证穿河段管道的安全运行。

4.2 大沙河左岸堤防穿越方案

大沙河河道断面较大且非汛期河道内常年有水，管道穿越大沙河左岸2级堤防对顶管施工、明挖埋管2种方案进行比选分析可知，明挖埋管方案需挖断河道堤防，虽然土方挖填工程量及环保压力较大，但施工简单投资较小，采取可靠措施后不会形成渗流通道。

4.3 晋新高速穿越方案

管线下穿晋新高速段总长50 m，工程采用套管浅埋暗挖方式下穿晋新高速，以降低工程造价，减少对高速公路的不利影响。该段管道采用内径1.80 m的Ⅲ级钢筋混凝土管，管顶净埋深按地面以下0.20 m 控制，管沟总开挖深度为2.58 m，沟底宽度控制为2.60 m，垂直边坡开挖。

4.4 道路工程穿越方案

南水北调27号口门至大沙河输水管道共需穿越现有县级公路2处。因道路车流量较小，采用开挖直埋施工，施工时修建临时辅道，待施工完毕后，按原规模恢复原道路，同时拆除辅道。

5 施工关键技术

5.1 管道连接

供水管道接口紧密与否是影响补水管道效益发挥的关键，设计比选后采用接口简单、安装方便、密封性能好的T 型接口。管道安装前，分段进行了压水试验；在铺设管道之前，将每节管道的承插口连接部位擦拭干净再进行对接。

5.2 施工降排水问题

补水管道场区地下水埋深高于管道拟开挖建基面高程，存在施工降排水问题。针对该问题，施工前中重新对地下水位进行了复核，并采取真空井点降水。

5.3 施工导流问题

新河内常年有水，存在施工导流问题。施工中修建围堰拦断河床，明渠导流，并制定了科学合理的施工度汛方案。

5.4 接合部碾压问题

补水管道在穿越新河、大沙河左岸堤防和道路时，采用直接开挖埋管，需注意土体与管道接合部回填不密实问题。施工回填时回填土料来源于原开挖料，采用分层碾压，对于碾压不到或难以压实的地方采取人工对称回填，确保接合部碾压密实。

另外，需注意以下几点：开挖前，需充分考虑各种因素可能对管道产生的影响；开挖时，做好基础面清基处理工作，并根据作业条件采取适宜的支护措施；施工时将输水管道敷设的具体位置与堤防、河道、道路及各类管线等保持适当的距离；穿越施工时，应加强路面沉降观测；土方开挖尽量减少对环境的影响，做好水污染、生态破坏、土壤污染、大气污染、噪声污染等防治措施，加强施工人员的防疫、检疫，并注意开挖作业区后期地表植被的恢复。

6 结论

以大沙河生态补水管道工程为例，在对生态补水管道接入连接南水北调配套管线的线路比选、连接方式方案经济技术比选基础上，确定了管道直连的最优方案，同时分析确定了管材选型及满足配水流量的管径指标，阐述了管道穿越新河、大沙河左岸堤防、晋新高速及道路等交叉工程的具体方式，总结和论述了管道施工技术问题，为类似工程的设计施工提供借鉴。同时需注意到，完善的施工现场管理体系也是保证工程顺利完成和效率发挥的关键。