山区灌区输水线路的输水方式比选

王康三，刘雁翼，彭 武

(中铁水利水电规划设计集团有限公司,江西 南昌 330029)

0 引言

水资源用途广泛且不可替代,是人类社会赖以生存和发展的重要资源,然而我国水资源相对匮乏且分布不均。灌区作为水资源消耗量最大的地方,对地区农业可持续发展具有重要的应用价值,在发展高效农业、保障粮食安全中发挥着越来越重要的作用。由于山区灌区地形地貌差异较大,无压输水沿地势布置线路较为曲折,而有压方案线路平面布置不受地形影响,更为顺直,但相较于无压方案,纵剖面起伏更多,无压及有压输水均各有利弊。因此需要对输水线路的输水方式进行无压与有压比选。在灌区工程设计中合理的输水系统方案有利于节省工程投资、加快工程推进等从而发挥灌区最大效益。

1 工程概况

项目区位于永胜县片角镇,片角镇位于永胜县南端,东南两面与大理州宾川县接壤,西与鹤庆县相邻,北与本县涛源镇、鲁地拉镇隔江相望,素有永胜“南大门”之称。片角镇幅员面积382 km2,是典型的农业大镇。片角镇属高原河谷燥热山地季风气候,年平均气温18.7 ℃,年平均降雨量441 mm。主要工程任务是向永胜受水区(片角镇)提供灌溉用水。到2040年水平年年引水总量为0.216 6亿m3,均用于农业灌溉,灌溉面积约3 066.67 ha。工程从海稍水库东大沟分干线乌龙位处取水,输水线路由东大沟分干线、卜甲支线、卜甲分支线、热河支线组成,其中东大沟分干线已纳入海稍水库扩建工程建设范围(见图1)。

根据受水灌区分布情况,基本确定了工程布置。卜甲支线自达旦河右岸东大沟分干线19号分水口取水,受水灌区为达旦河左岸卜甲村委会灌区,输水线路需跨越达旦河河谷,自其右岸输水至左岸,采用管道有压输水较为合适,到达达旦河左岸后,采用无压渠道输水或采用有压管道输水均可满足灌区用水需求;卜甲分支线自卜甲支线输水至达旦河左岸后向南布置沿途分水给附近卜甲村委会灌区,输水线路采用无压渠道输水或采用有压管道输水均可满足灌区用水需求;热河支线自东大沟分干线22号取水口取水,受水灌区为达旦河左岸热河村委会灌区,输水线路需跨越达旦河河谷,自其右岸输水至左岸,采用管道有压输水较为合适,到达达旦河左岸后,采用无压渠道输水或采用有压管道输水均可满足灌区用水需求[1]。

2 输水方式比选

2.1 输水方式比选思路

有压输水具有缩小过水断面、优化运行管理条件等优点,在水头富裕、不影响自流输水的条件下,需要对有压输水及无压输水方式进行比较。穿越城区低平地带,考虑管道输水可有效保证水质、运行管理方便及对周边影响小等因素,目前穿低平坝子地段的输水线路采用管道输水方式;沿线地形起伏较大的山地部分,需基于同一水面线成果,进行有压和无压输水方式比选,确定地形起伏较大山地部分输水线路的输水方式。

2.2 输水方式比选原则

1)管线比选方案都应满足水资源配置确定的供水任务、供水范围,具备条件且技术经济比较相差不大的优先采用自流供水。2)管线方案的布置应基于前期线路比选无压输水方案界定的供水特征点及供水分配原则进行。3)除工程投资比较外,还需从地质条件、施工环境条件、运行管理及工程安全等方面进行综合比较[2]。

2.3 有压输水及无压输水方式比选

2.3.1 比选方案的拟定

卜甲支线主要为卜甲村委会灌区输水,卜甲村委会灌区位于达旦河左岸,输水线路自东大沟分干线取水后,需要穿越达旦河至左岸。穿越达旦河最大高差约230 m,不适合采用渡槽跨河,选用管道有压输水。穿越达旦河至左岸灌区后,有压及无压输水方式均可布置。同理,热河支线为热河委会达旦河左岸灌区输水,需要穿越达旦河至左岸。穿越达旦河最大高差约190 m,选用管道有压输水。穿越达旦河至左岸后,有压及无压输水方式均可布置。

由于卜甲分支线沿线地形凌乱,无压输水沿地势布置线路较为曲折,而有压方案线路平面布置不受地形影响,更为顺直,但相较于无压方案,纵剖面起伏更多;因而无压及有压输水均各有利弊,利用此段进行无压及有压比选具有代表性。因此选择卜甲分支线进行无压与有压输水方式的比选。两方案线路布置见图2。

卜甲分支线有压输水方案(方案1)工程布置:支线自卜甲支线卜甲输水管末端通过阀门取水,设计流量0.15 m3/s,有压输水管道,线路大致沿等高线向西南布置,线路落点卜甲村西南侧三岔箐。支线线路全长2.71 km,采用DN 500螺旋焊接钢管,全线主要采用埋管布置,局部纵剖较陡部位采用明管布置。沿途共设置3个分水口,末端设出水池并兼做分水口满足灌溉需求。

卜甲分支线无压输水方案(方案2)工程布置:自卜甲支线卜甲输水管末端取水,设计流量0.15 m3/s,以无压渠道输水为主,线路大致沿等高线向西南布置,线路落点卜甲村西南侧三岔箐。支线线路全长3.91 km,其中,线路含渠道3座,渠道内断面尺寸为0.6 m×0.7 m,渠道总长3 767 m,占96.3%;含渡槽1座,渡槽总长36 m,占0.9%;含倒虹吸1座,采用DN500螺旋焊接钢管,倒虹吸总长107 m,占2.7%。

2.3.2 方案比选分析

根据上述比选方案的拟定情况,分别从工程布置、地质条件、施工条件以及征地移民等各方面进行比选论证,见表1。经综合分析,方案2投资比方案1约多14.7%,且方案2线路长,永久占地多,施工工期长。通过进一步的现场踏勘并且与建设单位和当地政府充分沟通,由于无压输水方案永久占用较多基本农田,从减少对基本农田的永久占用方面考虑,且为减少因永久征地带来的社会稳定问题,有压管道沿途设置一定数量的分水阀室及相应分水建筑物来满足输水线路沿线的灌溉分水需求,这样既解决了灌溉分水问题,亦对基本农田进行了避让,同时减少永久占地面积从而节省了工程投资[3]。故卜甲分支线本阶段推荐投资更省的方案1,即有压输水方案。与卜甲分支线类似,卜甲支线末端线路及热河支线末端线路亦采用有压输水方案。

表1 有压输水及无压输水方案比选表

3 管材、管径比选

考虑地形地质条件、管道内水压力、管径、施工安装条件、安全耐久性、抗渗性、防腐性、对水的污染程度等各方面因素,本工程管道的管材可采用钢管、球墨铸铁管及PCCP管[4],三种管材的价格见表2。

表2 管材价格比较表

从表2中可以看出,根据本工程选用的管径范围内的输水管道,PCCP管单米价格最高,并且其承压能力一般最大不超过2.0 MPa,并且该种管材对于小管径其单米造价尤其较高,故本工程不选用PCCP管。

钢管与球墨铸铁管比较来看,钢管单米价格略高,但由于本工程线路沿线地形条件复杂多变,管道转弯较多,球墨铸铁管道弯头为定型产品,对于转角的适用范围较小,若为匹配工程实际情况单独定制各种弯头,相应的制造费用会加大;若弯头采用定型产品,则安装时管节间需要借转以达到相应的设计转角,安装难度增加。而钢管道弯头为现场焊接,安装更为便利,且本工程最大设计静水头达2.8 MPa,水头较大,从工程安全运行角度考虑,钢管强度高、力学性能好、焊接性能优越且具有不透水性及良好的韧性,可适应地形复杂的地段。因此,综合考虑,本工程管道推荐采用螺旋焊接钢管。

输水管道根据规划成果,设计流量0.15 m3/s～0.38 m3/s,各条输水线路取水点及受水区落点的高程已经确定,在满足过流能力的情况下选择最小管径来达到工程投资最优的目的,结合水力计算确定了每条输水管道管径[5]。选择的管径成果见表3。

表3 管径、管材及流速选择表

4 结语

针对地形凌乱、起伏较大的山区,无压输水方案主要采用渠道,局部跨沟箐段采用渡槽或倒虹吸,沿地势布置线路较为曲折且开挖支护量较有压输水方案大;有压输水方案采用有压管道随地势起伏较多,故需要的镇墩工程量及放空、补排气阀较多。

考虑灌溉输水线路采用无压输水方式更有利于沿线取水,但永久占用较多基本农田较多;有压管道沿途设置一定数量的分水阀室及相应分水建筑物可以满足输水线路沿线的灌溉分水需求。山区型灌区设计应结合工程实际情况,从投资、施工、征地以及环水保等各方面综合考虑,选择最优输水方案。