□ 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。