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濟(jì)源市王屋山水庫灌區(qū)改造方案

2014-08-20 03:26:02薛偉彬河南省中陸工程技術(shù)有限公司
河南水利與南水北調(diào) 2014年14期
關(guān)鍵詞:灌溉面積干渠管材

□ 薛偉彬(河南省中陸工程技術(shù)有限公司)

1 工程概況

濟(jì)源市王屋山水庫灌區(qū)位于濟(jì)源市西部山區(qū),始建于1975年,涉及王屋、下冶、大峪鎮(zhèn)等3個(gè)鎮(zhèn)89個(gè)行政村,項(xiàng)目區(qū)耕地面積5793.36 hm2。灌區(qū)光照充足,晝夜溫差大,目前灌區(qū)大面積種植優(yōu)質(zhì)煙草,已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的一項(xiàng)支柱產(chǎn)業(yè)。

灌區(qū)曾經(jīng)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和山區(qū)農(nóng)民生活水平提高發(fā)揮了重要作用。但由于建設(shè)時(shí)未作詳細(xì)規(guī)劃,灌溉面積僅有2066.68 hm2,實(shí)際灌溉面積僅666.67 hm2。目前,渠道坍塌滲漏嚴(yán)重,渠系建筑物年久失修、坍塌、老化等現(xiàn)象普遍存在,渠道基本上已經(jīng)廢棄,多年未進(jìn)行灌溉。并且由于灌區(qū)地形復(fù)雜,管理和維修難度較大,致使?jié)B漏損失大,輸水效率低,灌溉水利用率和灌溉保證率低,導(dǎo)致工程老化失修、破損嚴(yán)重,灌區(qū)有效灌溉面積不斷萎縮,尤其近年來渠系已是破爛不堪,嚴(yán)重制約著灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 灌區(qū)骨干工程運(yùn)行現(xiàn)狀

工程區(qū)位于山西高原向豫西山地的過渡部位之王屋山脈,西部為太行山系,區(qū)內(nèi)地勢北高南低。

灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有總干渠1條,總干渠起點(diǎn)位于王屋山水庫灌溉輸水洞口處,灌溉輸水洞底高程為660.50m,終點(diǎn)位于灌區(qū)中、東干渠交叉點(diǎn)處,全長16.60 km,為隧洞+明渠輸水,隧洞和明渠交替布置,其中,隧洞段總長8.25 km;明渠段總長8.35 km,已襯砌8.35 km,拱圈防護(hù)2.05 km。干渠3條,分別為西干渠、中干渠和東干渠,其中西干渠全長23.06 km,中干渠全長13.85 km,東干渠全長26.01 km;供水管道1條,全長15.60 km。從多年運(yùn)行的情況來看,沿線滲漏量較大,且明渠段兩岸山體宜發(fā)生塌坡,渠道多次被塌方堵死,渠道坍塌滲漏嚴(yán)重,渠系建筑物年久失修、坍塌、老化等現(xiàn)象普遍存在,渠道基本上已經(jīng)廢棄。

3 灌區(qū)改造技術(shù)方案確定

基于灌區(qū)目前現(xiàn)狀及所處的地形條件,對灌區(qū)改造方案提出渠道襯砌防滲(渠道恢復(fù))和鋪設(shè)壓力管道兩種方案。

方案一:渠道襯砌防滲方案(渠道恢復(fù))是在現(xiàn)有工程上加以改造,即對現(xiàn)有已襯砌混凝土破碎段進(jìn)行修繕,對未襯砌段渠道進(jìn)行襯砌防滲,對損壞的渠系建筑物進(jìn)行加固改造或拆除重建。

方案二:鋪設(shè)壓力管道方案利用原有渠道鋪設(shè)壓力管道,完全實(shí)行管道進(jìn)行灌溉。完成骨干工程共鋪設(shè)壓力管道94.81 km,管道沿線共設(shè)置壓力前池1座,各類閥件井190座,出水口158座,流量計(jì)13套,水表158個(gè),鎮(zhèn)墩741個(gè);新建蓄水池70座。

經(jīng)比較,方案二工程投資比方案一偏大,但方案二恢復(fù)灌溉面積大,工程效益好,施工工藝簡單,運(yùn)行管理方便,更符合國家節(jié)水型社會(huì)建設(shè)和實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度要求。從工程投資、控制灌溉面積、水資源節(jié)約、工程施工、工程效益及運(yùn)行管理等方面因素綜合考慮,方案二明顯優(yōu)于方案一,比較符合灌區(qū)當(dāng)前的實(shí)際情況,鋪設(shè)壓力管道作為本次推薦方案。2013年12月,該方案通過專家評審。

4 灌區(qū)管網(wǎng)輸水設(shè)計(jì)

4.1 流量推求

灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量應(yīng)滿足需水高峰期多種作物同時(shí)灌水的要求,可有灌水率圖確定。根據(jù)分析計(jì)算,灌區(qū)設(shè)計(jì)灌水率為3.64×10-4m3/(s·hm2)。則灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為:

式中:Q—灌溉設(shè)計(jì)流量,m3/s;A—設(shè)計(jì)灌溉面積,hm2。

管道分段設(shè)計(jì)流量由下向上逐段確定,即由末端分水口設(shè)計(jì)流量由下向上逐漸疊加確定。

4.2 管徑計(jì)算

長距離輸水工程管徑的確定,關(guān)系著輸水工程的合理性和工程的總造價(jià)。當(dāng)管路通過一定的流量時(shí),如果選用直徑較大,則管中流速小,運(yùn)行時(shí)管路水頭損失也較小,可節(jié)約能頭,但單位管長造價(jià)高,其維修管理費(fèi)也大。若管徑選擇較小,管中流速增大即增大了管路水頭損失,相應(yīng)的提高了能頭的消耗,但降低了管路的工程投資和管理費(fèi)用。壓力輸水管道的設(shè)計(jì)流速不宜>3m/s,不宜<0.6m/s。先根據(jù)允許流速νp初步按下式確定管道管徑。

根據(jù)各級管段的流量及初選管徑進(jìn)行水力計(jì)算,然后校核各管段壓力,最后確定各級管道實(shí)選管徑。

4.3 管材選擇

近年來隨著工程技術(shù)、新型材料的發(fā)展,加上大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備,為供水工程管道管材的選擇提供了更多的余地。目前用于供水的管材有球墨鑄鐵管(DIP)、預(yù)應(yīng)力混凝土管(PCP)、預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼夾砂管(RPMP)及鋼管(SP)等。對于供水管道管材的選擇,應(yīng)綜合考慮管材的安全可靠性、施工難易程度、工程造價(jià)、運(yùn)行維修以及壽命等因素。

4.3.1 安全可靠性

鋼管:根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),鋼管的安全性(抗震、承內(nèi)外壓)較好,但內(nèi)外防腐質(zhì)量影響使用壽命,故在施工時(shí)對防腐質(zhì)量要求十分嚴(yán)格。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管:兩種管材基本上不需要防腐(鋼筒接口處需作局部防腐處理),且預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管在防腐、防滲、耐壓等方面性能優(yōu)于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管,但在施工時(shí)需保證接口質(zhì)量。

球墨鑄鐵管:球墨鑄鐵管安全性較好,國內(nèi)已逐步廣泛使用。

玻璃鋼夾砂管:玻璃鋼管耐腐蝕性較好,無需防腐處理,重量輕、運(yùn)輸施工方便;但由于技術(shù)引進(jìn)時(shí)間不長,使用面尚在逐步擴(kuò)大。

4.3.2 施工條件

各種管材的現(xiàn)場土方量相差不多;現(xiàn)場運(yùn)輸、吊裝費(fèi)用,混凝土管工作量最大,鋼管、球墨鑄鐵管次之,玻璃鋼管最低。鋼管現(xiàn)場的內(nèi)、外壁防腐工作量較大,其他管材防腐工作量較少,玻璃鋼管對埋設(shè)條件要求較高。

4.3.3 管道運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用

由于玻璃鋼管內(nèi)壁光滑,粗糙系數(shù)較其他管材低,同管徑比較單位長度動(dòng)力消耗少,因此玻璃鋼管的運(yùn)行費(fèi)用最低。鋼管的日常維護(hù)費(fèi)較高,包括防腐層的定期修補(bǔ)、加強(qiáng)等費(fèi)用,其它管材的維護(hù)費(fèi)則較少。

4.3.4 管材選擇推薦性意見

由上述各管材綜合比較可以看出,預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管及玻璃鋼加砂管價(jià)格較為便宜,使用壽命長,安裝方便,特別適合于長距離輸水。硬塑料管造價(jià)最低,最適合田間低壓管道工程,鑒于本次工程干管為大落差重力式管道,而田間為低壓管道系統(tǒng)。因此,本次本著經(jīng)濟(jì)可行的原則,總干管、東、西干管均采用預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管,跨渡槽段采用鋼管,中干管、和平分干管及田間支管采用PVC管道。具體布置為總干管、東干管、西干管管材選用D1200~D600mm的預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管;中干管、和平分干管選用D400~D110mm的PVC-U管。

4.4 管網(wǎng)系統(tǒng)布置

4.4.1 管網(wǎng)總體布置

本工程項(xiàng)目區(qū)以王屋山水庫控制范圍為一個(gè)灌溉系統(tǒng),以東、西、中、和平干為主脈,在不改變現(xiàn)狀條田、林、溝、路的布局的條件下,按照原灌溉體系布置,即按照原渠線布置。

4.4.2 壓力管道縱斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)壓力管道布置方案,本次設(shè)計(jì)灌溉輸水管道縱向依據(jù)沿線地形條件,比降基本與管線地面坡降保持一致?,F(xiàn)狀渠道護(hù)砌段,管道埋深以現(xiàn)狀渠底高程進(jìn)行控制,其他需新開挖管溝段,管道平均埋深依沿線地形條件和以下公式計(jì)算確定。

管溝開挖深度H:H≥D+h凍+0.10

式中:B-管溝底部寬度,m;D—管道外徑,m;H—管溝開挖深度,m;H凍—最大凍土深度,0.60m。

經(jīng)過計(jì)算,管道頂部覆土厚度均按照1.20m控制,則開挖深度按2.00m控制。

4.4.3 管道基礎(chǔ)及橫斷面設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)總干管、東、西干管供水管道采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管,采用柔性接口,基礎(chǔ)采用粗砂墊層,管底砂墊層厚度為20 cm。管道敷設(shè)方式采用地埋方式,管道頂部平均覆土厚度1.20m。施工開挖邊坡設(shè)計(jì)為1:1。

在管道方向改變處、橫截面面積改變處或管路終端會(huì)產(chǎn)生推力,可能導(dǎo)致接口拉開,對這些部位加設(shè)鎮(zhèn)墩,這樣增加了接口圈和土壤之間的接觸面積,提高了摩擦力從而防止接口的移動(dòng)而造成滲漏。本次設(shè)計(jì)采用土質(zhì)溝槽鎮(zhèn)墩,鎮(zhèn)墩混凝土澆筑在開挖斷面內(nèi)滿填混凝土,土質(zhì)溝槽鎮(zhèn)墩后背必須為原狀土,并保證鎮(zhèn)墩和土體緊密接觸,鎮(zhèn)墩與管道間做沉降縫,縫內(nèi)墊20mm浸油木板。

4.5 水頭損失及水錘壓力防護(hù)

經(jīng)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)地勢高差能滿足水頭損失要求,且有富裕水頭,因此,本次設(shè)計(jì)干管及其支管可采用重力式供水方式。其中,西干管進(jìn)口所需壓力水頭為4m(以管道中心高程為基準(zhǔn)面)。

經(jīng)計(jì)算,閥門關(guān)閉歷時(shí)>15 s方可保證閥門前總水頭小于管道允許壓力值的1.30~1.50倍,為了安全起見,管網(wǎng)系統(tǒng)干管及其管上的閥門關(guān)閉歷時(shí)按>60 s進(jìn)行控制,

5 效益

本次節(jié)水配套改造工程實(shí)施后,可恢復(fù)灌溉面積2273.34 hm2,改善灌溉面積666.67 hm2,新增煙葉灌溉面積313.33 hm2,水利用系數(shù)達(dá)到0.80,灌溉保證率由現(xiàn)狀的不足10%提高到50%,新增節(jié)水能力489.21萬m3,新增糧食和煙葉生產(chǎn)能力1.02萬t,年新增總效益2202.95萬元。項(xiàng)目實(shí)施后為灌區(qū)農(nóng)作物適時(shí)灌溉、及時(shí)解決旱情提供保證,對改善灌區(qū)灌溉條件,增加作物單產(chǎn),提高農(nóng)民收入有重要的意義。

6 設(shè)計(jì)體會(huì)

王屋山水庫灌區(qū)利用原有渠道鋪設(shè)壓力管道,完全實(shí)行管道進(jìn)行灌溉。這在中型灌區(qū)中算是一個(gè)大膽的嘗試,從設(shè)計(jì)情況來看,與渠道灌區(qū)相比較而言,有以下幾個(gè)特點(diǎn):

一是山丘區(qū)灌區(qū)受地形條件的限制,明渠恢復(fù)難度較大,可發(fā)展灌溉面積小。由于灌區(qū)耕地較分散,不便于運(yùn)行管理,灌區(qū)上下游用水不均衡的問題不能得到解決,灌區(qū)缺水局面沒能得到很好的改善,而灌區(qū)采用鋪設(shè)壓力管道很好的解決了上述問題。

二是防滲效果好。管道輸水只要嚴(yán)格按照規(guī)范施工,控制好接口,滲漏量微乎其微。

三是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管有很好的耐久性及防滲性能,且管道鋪設(shè)相對施工工藝較簡單。

從控制灌溉面積、水資源節(jié)約、工程施工、工程效益及運(yùn)行管理等方面因素綜合考慮,緩解王屋山灌區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的局面,對提高人民生活質(zhì)量、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定以及構(gòu)建和諧社會(huì)具有十分重要的意義。因此,山丘區(qū)灌區(qū)采用鋪設(shè)管道具有較強(qiáng)的優(yōu)越性和實(shí)用性。

7 結(jié)語

王屋山水庫灌區(qū)采用管道輸水解決了灌區(qū)上下游用水不均衡的問題,可發(fā)展灌溉面積有了很大提高,且便于管理灌區(qū)缺水局面沒能得到很好的改善。為處理類似灌區(qū)改造提供了一條有效途徑,特別是對那種山丘區(qū)缺水嚴(yán)重的同類灌區(qū)而言,采用該技術(shù)具有較大的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益,具有很強(qiáng)的借鑒意義。

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