張生財(cái)

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆吐魯番市 838000）

1 前言

吐魯番地區(qū)托克遜縣是古絲綢之路重鎮(zhèn)之一，縣內(nèi)資源寶藏得天獨(dú)厚，素有“天然聚寶盆”之稱(chēng)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn) 33種，優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)有煤炭、膨潤(rùn)土、蒙皂石、大理石、花崗巖等，其中煤炭最為豐富，儲(chǔ)量在 50億噸以上；蒙皂石為世界罕見(jiàn)的貴重非金屬礦產(chǎn)品，屬?lài)?guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)；膨潤(rùn)土儲(chǔ)量為1.148億噸，是目前國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第二大礦。

托克遜縣能源重化工工業(yè)園區(qū)是 2006年經(jīng)自治區(qū)人民政府批準(zhǔn)設(shè)立的省級(jí)工業(yè)園區(qū)，工業(yè)園區(qū)是發(fā)展工業(yè)的重要載體，是推進(jìn)工業(yè)化的重要平臺(tái)，是托克遜縣招商引資的現(xiàn)實(shí)需要。通過(guò)工業(yè)園區(qū)的聚集效應(yīng)，發(fā)揮工業(yè)園區(qū)在政策環(huán)境、管理和基礎(chǔ)設(shè)施等方面的整體優(yōu)勢(shì)與功能，充分發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟(jì)，加速托克遜縣工業(yè)化建設(shè)步伐，實(shí)現(xiàn)其工業(yè)強(qiáng)縣的目標(biāo)，提高該縣全民經(jīng)濟(jì)實(shí)力。

2008年底，隨著縣域工業(yè)的發(fā)展，全部工業(yè)企業(yè)進(jìn)駐該工業(yè)園區(qū)。為改善園區(qū)供水狀況，加快園區(qū)供水步伐，決定從紅山水庫(kù)鋪設(shè)管道向工業(yè)園區(qū)供水。該項(xiàng)目的實(shí)施將為托克遜縣工業(yè)園區(qū)供水提供有力保障，此項(xiàng)目的建設(shè)符合吐魯番地區(qū)水資源可持續(xù)利用政策，也符合托克遜縣發(fā)展規(guī)劃。供水工程實(shí)施將促進(jìn)托克遜縣工業(yè)園區(qū)健康、快速發(fā)展，也為該縣工業(yè)強(qiáng)縣的總目標(biāo)提供水保障，因此本項(xiàng)目實(shí)施具有充分的必要性和重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 工程項(xiàng)目區(qū)域地理環(huán)境

托克遜縣北有博格達(dá)山，西為喀拉烏成山，東部?jī)A向艾丁湖，南部區(qū)域?yàn)楦稍锏膸?kù)魯塔格山，博爾托烏拉山的余脈覺(jué)羅塔格山橫切區(qū)域中部，因而區(qū)域內(nèi)形成吐魯番盆地的托克遜平原和庫(kù)米什盆地，總體地勢(shì)西、北、南三面高，逐漸向東傾斜，呈三面環(huán)山，東部低平的簸箕狀地形。

工程總體地貌表現(xiàn)為：引水渠道的工程地質(zhì)勘察，西起紅山水庫(kù)隧洞出口，東至托克遜縣工業(yè)園區(qū)，本次勘察根據(jù)路線經(jīng)過(guò)地段的地質(zhì)條件和地貌單元共劃分為以下五段：

（1）山區(qū)地段樁號(hào)0＋000～8＋500，該地段地質(zhì)為Ⅳ級(jí)階地邊緣與頂部地帶、Ⅴ級(jí)階地坡腳地帶，為沖積卵石層,厚 1.0-4.0m,鈣質(zhì)膠結(jié),中等密實(shí)，屬?gòu)?qiáng)透水層,承載力R＝0.30～0.35MPa，無(wú)地下水。

（2）戈壁灘地段樁號(hào) 8＋800～19＋900，該地段地質(zhì)為Ⅱ～Ⅳ級(jí)階地，階面平坦、開(kāi)闊，自然邊坡穩(wěn)定，局部地表覆蓋有風(fēng)積砂細(xì)砂,大部為沖積卵礫石層，鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，局部地表為鹽質(zhì)膠結(jié)，形成鹽殼，礫石層承載力R＝0.25～0.30Mpa，無(wú)地下水干擾。

（3）雅丹地貌段樁號(hào) 19＋900～22＋400，該段地質(zhì)為地勢(shì)較平坦、開(kāi)闊，風(fēng)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。巖性單一，為第四系粉土，厚度較大，土質(zhì)不均、無(wú)層理，搖振反應(yīng)中等，無(wú)光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中壓縮性、不飽和土，不具濕陷性。結(jié)構(gòu)中等密實(shí)，承載力 R＝0.16～0.18MPa,該段無(wú)地下水。

（4）綠洲段樁號(hào)22＋400～31＋300，該段地質(zhì)為農(nóng)田與草地，地勢(shì)較平坦、開(kāi)闊，附近有公路和簡(jiǎn)易公路，交通方便。地表為粉質(zhì)粘土，厚度 0.2～3.0m，土質(zhì)不均，中等密實(shí)。地基巖性為沖積細(xì)砂，中密，承載力R＝0.18～0.20MPa，地下水位埋深較淺，為0.6～2.8m。

（5）東部戈壁灘地段樁號(hào) 31＋300～工業(yè)園區(qū)，該地段地質(zhì)為Ⅲ級(jí)階地，階面平坦、開(kāi)闊，自然邊坡穩(wěn)定。該段巖性較單一，為沖積礫石層，鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，局部地表為鹽質(zhì)膠結(jié)，形成鹽殼，礫石層承載力R＝0.25～0.30Mpa。

從本工程沿線來(lái)看，地形表現(xiàn)為兩端高中間低，起始點(diǎn)（紅山水庫(kù)出口處）高程為358.50m，工程末端（水廠）高程為120.30m，中間最低點(diǎn)為 76.28m。起始點(diǎn)至末端高差為 238.2m，起始點(diǎn)至管線最低點(diǎn)高差為282.22m。

3 工程方案選擇

3.1 引水方式的選擇

引水方式比選：

紅山水庫(kù)至工業(yè)園區(qū)規(guī)劃水廠地形表現(xiàn)為兩端高中間低，起始端紅山水庫(kù)出水口高程為358.5m，末端規(guī)劃水廠高程為120.30m，中間最低點(diǎn)高程為 76.28m，該地形采用渠道明流無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故本工程采用壓力管道輸水。

3.2 線路選擇

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，初步確定兩條線路，兩條線路的基本情況如下：

第一條線路：供水從紅山水庫(kù)引出后，管線沿柯?tīng)枆A公路向東出紅山山區(qū)后，沿直線到達(dá)工業(yè)園區(qū)。該方案管線總長(zhǎng) 36.6km，須穿越托克遜縣作物主要種植區(qū)，侵占耕地254.9畝；且兩次穿越白楊河和一處村莊，該工程方案投資為4541.9萬(wàn)元。

第二條線路：供水從紅山水庫(kù)引出后，沿柯?tīng)枆A公路向東出紅山山區(qū)后，再向南直線穿越戈壁灘和托克遜縣草場(chǎng)區(qū)，然后向東南穿出托克遜縣博斯坦鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，再向東南直線到達(dá)規(guī)劃水廠處，該方案管線總長(zhǎng)38km，侵占耕地93畝，該工程方案投資為4318.2萬(wàn)元。

從工程投資、技術(shù)、施工及工期等方面綜合考慮，本工程推薦第二條線路。

3.3 管材選擇

本工程對(duì)混凝土預(yù)應(yīng)力管、球墨鑄鐵管，玻璃鋼管三種管材從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、運(yùn)行管理等方面進(jìn)行比較。詳見(jiàn)表1。

表1 管材綜合指標(biāo)比較表

根據(jù)分析，本工程推薦采用玻璃鋼管。

4 工程方案設(shè)計(jì)

4.1 工程規(guī)模

根據(jù)新疆伊泰資源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司于托克遜縣政府簽定的“托克遜縣工業(yè)園區(qū)供水工程項(xiàng)目協(xié)議書(shū)”，工程年引水量為3500萬(wàn)m3，水廠年凈化水量為300萬(wàn)m3。

4.2 工程設(shè)計(jì)

4.2.1 工程引水口設(shè)計(jì)

工程從紅山水庫(kù)新放水洞口引水，該放水洞為城門(mén)洞形無(wú)壓隧洞，放水洞出山體后改為明渠。本工程在引水口處采用明渠、管道雙層布置，管道埋設(shè)在明渠下方 0.8m處，園區(qū)引水由管道輸送，農(nóng)業(yè)灌溉用水從明渠輸送。

引水口處設(shè)一深度為 2m，長(zhǎng) 8m的前池，管道入口于前池聯(lián)通。因本工程冬季有過(guò)水需要，故將前池加設(shè)蓋板，為增加消力池處的抗凍效果，將前池后的 45m明渠改造為暗渠。為管道檢修方便，暗渠為分離式，

4.3 管道設(shè)計(jì)

紅山水庫(kù)至園區(qū)規(guī)劃水廠為壓力管道，總長(zhǎng)38km，本工程管徑取0.8m玻璃鋼管。

4.4 管道附屬建筑物設(shè)計(jì)

（1）控制閥

本段管道長(zhǎng)度為 38km，為檢修方便，在管線低洼處(平均距離5km）設(shè)一控制閥和排空管，控制閥為 DN800的手動(dòng)鋼制蝶閥；排空管為DN250PVC管道，排空管進(jìn)水口處設(shè)一 DN250手動(dòng)蝶閥。工程沿線地勢(shì)開(kāi)闊，排空管引出地面即可。

（2）進(jìn)排氣井

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS193－2005），壓力輸水管道上的隆起點(diǎn)及每隔 1km應(yīng)設(shè)一進(jìn)氣排氣閥；進(jìn)氣排氣閥的口徑為輸水管道直徑的 1/12～1/8。本段管道在管道隆起點(diǎn)及每隔800m處設(shè)一進(jìn)氣排氣閥，進(jìn)排氣閥口徑為100mm。

（3）穩(wěn)壓減壓閥

根據(jù)水廠水處理設(shè)備壓力需要和減少工程投資的目的，本工程在樁號(hào) 5+300、9+500、13+300、18+600和37+350五處設(shè)穩(wěn)壓減壓閥。

（4）鎮(zhèn)墩

為保證管道穩(wěn)定，在管道轉(zhuǎn)彎、控制閥及間隔 1km處設(shè)混凝土鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩應(yīng)包圍住管件。鎮(zhèn)墩采用C20三級(jí)配混凝土，鎮(zhèn)墩長(zhǎng)×寬×高為2.5m×3.0m×2.5m。

4.5 管道交叉建筑物設(shè)計(jì)

（1）穿越渠道

本段管道在樁號(hào) 1+041、19+538、19+902、20+176、23+550、23+850、24+882、27+060、29+209、29+792、30+685、32+050和 34+700九處穿渠道，穿越渠道時(shí)，應(yīng)在上述渠道無(wú)水時(shí)施工，拆除渠道襯砌，管道鋪設(shè)后，盡快恢復(fù)原渠。

（2）穿越道路

本工程在樁號(hào)24+882、27+944、29+209和30+685四處穿越公路，管道在穿越公路時(shí)，應(yīng)先修交通便道，以保證交通暢通，然后破穿道路。為保證公路段管道正常運(yùn)行和今后維修方便，此處管道加設(shè)套管。套管為內(nèi)徑 1.3m的鋼筋混凝土管，鋼筋混凝土管承受外壓60t，管道鋪設(shè)后，盡快恢復(fù)原路面。

（3）穿越坎爾井

本段管道在樁號(hào) 21+079、21+472、33+928三處穿越坎爾井，由于坎爾井埋深較大，本工程對(duì)坎爾井輸水洞無(wú)影響，但樁號(hào) 21+472處管線距坎爾井豎井口較近，需對(duì)豎井口加固處理。

（4）穿越河溝

本段管道在樁號(hào)32+050和34+700處穿越河道，由于河道深度不大，管道由河床下2m處通過(guò)，管道下游修建漿砌石防沖墻，防沖墻深度取2.8m。防沖墻采用重力式擋墻、漿砌卵石結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5m，底寬1.3m。

5 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 安全、可靠的線路保護(hù)設(shè)施

本工程的特點(diǎn)是輸水管線距離長(zhǎng)，地形起伏較大，且全線為有壓重力自流輸水，管線承受最大靜水壓力為282.22m，但輸水的起點(diǎn)和終點(diǎn)的有效作用水頭只有238.20m，這些不利因素對(duì)管線全線通水、安全運(yùn)行帶來(lái)諸多不利因素。針對(duì)這些不利因素采取以下技術(shù)措施予以消除：

管道中氣體的產(chǎn)生因素很多，管道在充水時(shí)留下的大量氣囊外，因壓力、溫度變化引起的水中溶解氣釋放，突然快速關(guān)閉閘閥引起管道局部真空致使管道從排氣閥吸氣等也造成管線集氣；常見(jiàn)的集氣產(chǎn)生在管道的凸起點(diǎn)，漸變段和折彎點(diǎn)及不全開(kāi)的閥門(mén)等處。管道內(nèi)存在空氣可能產(chǎn)生以下危害：降低過(guò)流量，在重力流管道中，極端情況下會(huì)導(dǎo)致輸水中斷；可能加劇水錘破壞；可能導(dǎo)致管道末端的供水壓力不足，輸水量降低；寄存的空氣可能導(dǎo)致管道或設(shè)備腐蝕，大大縮短了管道和設(shè)備的使用壽命。管道負(fù)壓通常是由于突然快速關(guān)閉閘閥和管道泄水引起，負(fù)壓對(duì)管道造成的破壞有時(shí)比正壓要大得多，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道吸癟。在管道上安裝自動(dòng)進(jìn)排氣閥是目前解決輸水管道進(jìn)排氣的有效手段。

5.2 安全可靠的工藝技術(shù)、新設(shè)備和新材料的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)泵站輸水，完全靠水源地和目的地之間的地形高差，本工程地形和地址條件較為復(fù)雜，全長(zhǎng)為38km，全線采用有壓重力自流輸水，由于輸水管線選線合理，管線保護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了管線的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的目的。

本工程在設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的輸水管段、排氣特點(diǎn)，安裝了共計(jì)約50個(gè)自動(dòng)進(jìn)排氣閥。通過(guò)對(duì)管線各種工況下可能產(chǎn)生的水擊和靜、動(dòng)水壓力分析，在不同位置安裝了5個(gè)穩(wěn)壓減壓閥，以確保管線安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

本工程是該縣工業(yè)園區(qū)的供水生命線，輸水管線所經(jīng)地質(zhì)條件復(fù)雜，坡度陡，這就要求供水管線管材具有較好彈性敷設(shè)性能且安裝方便，造價(jià)合理，因此經(jīng)過(guò)比選，選擇管材為玻璃鋼管。

5.3 交叉建筑物設(shè)施

輸水管線所經(jīng)地質(zhì)條件復(fù)雜，坡度陡、拐角多，穿越的河流、道路眾多，如何做好輸水管線的附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)工作，是確保其安全運(yùn)行、正常供水的關(guān)鍵。具體的交叉建筑物設(shè)計(jì)詳見(jiàn) 4.5節(jié)的設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論與建議

重力有壓輸水受地形條件的制約較大，線路走向選擇上應(yīng)避免管線靜壓過(guò)大，管線承壓過(guò)高；避免管線鋪設(shè)在水利迫降線以上，造成管線產(chǎn)生負(fù)壓。

管線在山區(qū)內(nèi)鋪設(shè)段，為滿足管線自然彈性鋪設(shè)要求，避免大開(kāi)挖，線路盡可能沿山間的洼地走，沿自然等高線鋪設(shè)。

有壓重力輸水工藝，管線承受的最大壓力為靜水壓力，因此在輸水線路選擇和管線材質(zhì)選擇中，靜水壓力是重要的考慮因素，因此為降低管線承受靜壓，降低管線造價(jià)，盡可能沿較高的等高線選線。

做好線路的附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)，保證管線的安全運(yùn)行，水錘防護(hù)，進(jìn)排氣保護(hù)。

1 王振業(yè). 淺談長(zhǎng)距離輸水管線在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題.中華建設(shè)科技, 2012,(2).

2 徐大偉, 彭怡. 長(zhǎng)距離大高差有壓重力流原水輸水管道改擴(kuò)建設(shè)計(jì).給水排水, 2012(10).

3 劉向榮, 輸水管設(shè)計(jì)中的負(fù)壓?jiǎn)栴}探討[J]. 山西建筑,2007(26).