左安垠，趙 寅，孫曙鴻

（1.永勝縣林業(yè)和草原局紅星橋木材檢查站，云南麗江 674200；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明 650051；3.永勝縣天然林保護(hù)工程管理辦公室，云南麗江 674200）

1 論文背景

程海湖位于永勝縣中部，原屬金沙江水系并與金沙江連通，300年前與金沙江水系隔絕形成內(nèi)陸封閉高原深水湖泊。是云南省九大高原湖泊之一，湖東、西、北三面環(huán)山，南北地勢(shì)平坦。流域面積318.3km2，多年平均入湖水量約1.62億m3，湖面海拔1 501m，南北長(zhǎng)19 km，東西平均寬5.4 km，平均水深25.7m，最大水深35.1m。水面面積77.2 km2，蓄水量19.2億m3。

環(huán)湖截污、引水補(bǔ)水、生態(tài)修復(fù)是搶救性保護(hù)程海湖三大措施，如何通過(guò)生態(tài)修復(fù)的手段來(lái)改善與創(chuàng)造一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境，是近年來(lái)程海湖生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在生態(tài)修復(fù)綠化過(guò)程中如何提高植物成活率及保存率，是目前面臨的難題之一。2018年以來(lái)，實(shí)施了程海湖生態(tài)修復(fù)省級(jí)重大工程項(xiàng)目，包括植物工程、河門口治理工程、灌溉引水工程、生態(tài)管護(hù)廊道工程、防護(hù)網(wǎng)工程、土壤改良工程六大部分，其中二期灌溉引水工程工程范圍為灌溉區(qū)長(zhǎng)度27.9km，寬度30m一級(jí)保護(hù)區(qū)條帶，水源工程設(shè)計(jì)范圍為灌區(qū)至取水點(diǎn)直線長(zhǎng)度6km，經(jīng)工程區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查及分析研究，做出了科學(xué)設(shè)計(jì)。本文的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工建設(shè)等內(nèi)容可為類似生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀分析

2.1 自然及土壤現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)處于低緯高原區(qū)，具有較獨(dú)特的高原山地季風(fēng)氣候特點(diǎn)，干濕季分明，冬春多旱，旱季長(zhǎng)達(dá)9-10個(gè)月，輻射強(qiáng)，蒸發(fā)量大。多年平均降雨量為935.4mm，蒸發(fā)量為2 173.6mm，多年平均氣溫13.5℃，極值最高32.3℃，最低-11.2℃，平均相對(duì)濕度68%，日照2 403.6h，多年平均風(fēng)速2.5m/s，多年平均最大風(fēng)速為11.3m/s，歷年最大為18.0m/s。受局部地形影響，年降雨量空間分布極不均勻，多集中于斷陷盆地四周的山坡一帶；降雨量時(shí)間分布不均勻，主要集中在夏季7-9月，降雨量約占全年降雨量的85%以上。土壤堿性、砂礫石含量高，保水性差。由于程海湖為堿性水且嚴(yán)禁取水，周邊無(wú)水源，水源缺乏。

2.2 引水高程、地形地貌等條件

水源點(diǎn)至供水點(diǎn)直線距離6km，取水點(diǎn)地面高程1 740m，高位水池地面高程1 740m，供水點(diǎn)灌區(qū)地面最高高程1 533.3m，最低高程1 501m。均為山地地貌。

3 設(shè)計(jì)策略

從能滿足供水需求的水庫(kù)引水灌溉；選擇高效節(jié)水灌溉方式；建高位水池、壓力調(diào)節(jié)池等解決海拔差大產(chǎn)生的管道高壓及蓄水滿足灌溉用水。

4 灌溉設(shè)施及水源工程設(shè)計(jì)

4.1 灌溉方式選擇

由于植物設(shè)計(jì)為喬、灌、草結(jié)合的自然式種植，采用節(jié)省用水量、提高水利用率、灌溉均勻的固定噴灌結(jié)合部分微灌的灌溉方式。

4.2 水源選擇

本工程以水庫(kù)作為水源，可利用水源有羊坪水庫(kù)、崀峨水庫(kù)和馬場(chǎng)坪水庫(kù)。

羊坪水庫(kù)總庫(kù)容3 997萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為3 247萬(wàn)m3；崀峨水庫(kù)總庫(kù)容為1 220萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為1 085萬(wàn)m3；馬場(chǎng)坪水庫(kù)總庫(kù)容598萬(wàn)m3，興利庫(kù)容539萬(wàn)m3。

根據(jù)項(xiàng)目需水量要求以及供水水源就近原則，選擇馬場(chǎng)坪水庫(kù)作為本項(xiàng)目供水水源。

4.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)保證率取83%-95%；管道水利用系數(shù)取0.95；灌溉水利用系數(shù)0.85。

4.4 灌溉定額

生態(tài)修復(fù)條帶內(nèi)種植灌木、喬木、草，種植比例為5∶4∶1。

4.4.1 最大灌水定額計(jì)算

（1）灌水定額計(jì)算公式

式中：mmax—最大灌水定額（mm）；γ—土壤容重（g/cm3）；z—土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（cm）；p—土壤濕潤(rùn)比（%）；θmax—適宜土壤含水率上限（重量百分比）（%）；θmin—適宜土壤含水率下限（重量百分比）（%）。

（2）灌水定額設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

灌水定額計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)灌水定額表

4.4.2 設(shè)計(jì)灌水周期

（1）計(jì)算公式

Tmax=mmax/Ia；T＜Tmax

公式中：Ia—耗水強(qiáng)度；mmax—設(shè)計(jì)灌水定額；Tmax—最大灌水周期。

（2）計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)灌水周期計(jì)算表

4.4.3 設(shè)計(jì)灌水定額（m）

（1）設(shè)計(jì)灌水定額計(jì)算公式

m=T×Ia

m—設(shè)計(jì)灌水定額 T—灌水周期 Ia—日耗水量

（2）設(shè)計(jì)灌水定額計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

4.4.4 灌溉制度設(shè)計(jì)

項(xiàng)目總灌溉面積1 250.4畝，根據(jù)灌區(qū)及周邊情況，沿灌溉條帶設(shè)置了10個(gè)灌溉水池。每個(gè)水池控制一個(gè)片區(qū)，水池出水管接至沿湖布設(shè)的灌溉支管，灌溉支管沿左右延伸，覆蓋經(jīng)過(guò)區(qū)域的植物灌溉，接入點(diǎn)左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)蝶閥。

4.5 灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量

4.5.1 計(jì)算公式

灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量由調(diào)整后的灌水率確定。

式中：Q—灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量（m3/h）；ai—第i種作物種植比例；mi—第i種作物灌水定額；Ti—第i種作物灌溉周期；A—設(shè)計(jì)灌溉面積；td—系統(tǒng)日工作小時(shí)數(shù)；η—灌溉水利用系數(shù)；e—灌溉作物種類數(shù)。

表3 灌水定額計(jì)算表

4.5.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算得灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為329.35m3/h。項(xiàng)目范圍內(nèi)種植喬木33 658株，灌木14 422株，藤本和地被植物293 831m2，原生地被培育470 115m2。經(jīng)過(guò)計(jì)算每天總需水量為4 700m3。管護(hù)期用水量為423萬(wàn)m3，（按照每年供水10個(gè)月計(jì)算）。

4.6 微噴灌設(shè)計(jì)

結(jié)合區(qū)域自然情況，固定噴灌能有效節(jié)省人工，提高灌水效率，選用固定噴灌結(jié)合部分微灌的灌溉方式。噴灌、微灌面積比為8∶2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，使用WPX120-200旋轉(zhuǎn)微噴頭。噴頭噴嘴直徑6mm，工作壓力0.20MPa，射程4m，設(shè)計(jì)流量0.12m3/h。系統(tǒng)配水水干管采用焊接鋼管，耐壓不低于2.0MPa。支管采用符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范的高密度聚乙烯（HDPE）或硬聚氯乙烯（PVC-U）管，耐壓不低于0.63MPa。經(jīng)系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算，確定干管、支管分別為DN150、DN32。噴頭連接豎管采用PVC-U管，管徑DN25mm（1.25MPa）。

4.7 灌溉系統(tǒng)總體方案布置

設(shè)計(jì)在壩箐河程海生態(tài)應(yīng)急補(bǔ)水工程輸水渠道旁新建一座取水口，通過(guò)管道引水至高位水池。再?gòu)母呶凰亟虞斔芤裂睾荚O(shè)的調(diào)節(jié)水池。輸水主管至沿興仁村附近分別向東、西岸灌區(qū)輸水，東岸灌區(qū)引水主管從輸水主管旁接進(jìn)入東1#減壓池，減壓后沿環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)通道布設(shè)連通至一期管網(wǎng)，沿途分別輸水至東3#調(diào)節(jié)水池、東2#調(diào)節(jié)水池、東1#調(diào)節(jié)水池。西岸灌區(qū)引水主管從輸水主管旁接后沿環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)通道布設(shè)至西1#減壓池，減壓后再沿湖布設(shè)連通至一期管網(wǎng)，沿途分別輸水至西7#調(diào)節(jié)水池、西6#調(diào)節(jié)水池、西5#調(diào)節(jié)水池、西4#調(diào)節(jié)水池、西3#調(diào)節(jié)水池、西2#調(diào)節(jié)水池、西1#調(diào)節(jié)水池。各個(gè)調(diào)節(jié)水池再設(shè)置一根出水管，出水管布置至湖邊后，與沿湖輸水主管平行布置向控制灌區(qū)供水，灌區(qū)內(nèi)設(shè)置微噴灌系統(tǒng)。總體布置方案如圖1、圖2所示。

圖1 灌溉系統(tǒng)總體方案布置圖

圖2 灌溉系統(tǒng)總體方案布置圖

4.8 管道設(shè)計(jì)

4.8.1 管材選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件、管道材料性能、接口性能，管道工作壓力及安全性等因素進(jìn)行選擇，焊接鋼管施工靈活、方便，不受地形影響，承壓能力強(qiáng)，價(jià)格適中、質(zhì)量穩(wěn)定，運(yùn)行維護(hù)方便，項(xiàng)目輸水主管采用Q235B焊接鋼管，配水主管采用Q235B焊接鋼管。

4.8.2 管徑選擇

（1）計(jì)算公式

式中 D—管道直徑（m）；Q—管道設(shè)計(jì)流量（m3/s）；V經(jīng)—管道經(jīng)濟(jì)流速（m/s）。

（2）管徑選擇計(jì)算結(jié)果

管徑選擇計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 管徑選擇表

4.9 水力學(xué)計(jì)算

4.9.1 管道總水頭損失計(jì)算公式

式中：Hz—管道總水頭損失（m）；Hy—管道沿程水頭損失（m）；Hj—管道局部水頭損失（m）。

4.9.2 管道沿程水頭損失計(jì)算公式

式中：Hf—沿程水頭損失（m）；L—管道長(zhǎng)度（m）；V—管內(nèi)流速（m/s）；C—謝才系數(shù)，；R—水力半徑，對(duì)于圓管，R=D/4（m）；n—糙率，鋼管取0.012，PE管0.008；D—管道內(nèi)徑（m）。

4.9.3 管道的局部水頭損失計(jì)算公式

式中：ζ—管道局部水頭損失系數(shù)。

4.9.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上各式及參數(shù)對(duì)輸水管道進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

4.10 管道承壓計(jì)算

4.10.1 鋼管壁厚計(jì)算公式

式中：t—鋼管計(jì)算管壁厚度（mm）；P—設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力（N/mm2），包括凈水壓力與水擊壓力；[σ] —鋼管材料的允許應(yīng)力（N/mm2），取0.55σs；σs—鋼材屈服點(diǎn)強(qiáng)度，當(dāng)管壁厚度小于16mm時(shí)，σs=235N/mm2；當(dāng)管壁厚度為16-40mm時(shí)，σs=225N/mm2；φ—焊縫系數(shù)，取0.9。

表5 鋼管分段水力計(jì)算

鋼管加工偏差按壁厚±10%計(jì)算，管壁抗腐蝕附加厚度取2mm。

鋼管管壁最小厚度，除滿足結(jié)構(gòu)分析要求外，還需考慮制造工藝、安裝、運(yùn)輸?shù)纫?，保證必需的剛度，因此鋼管最小厚度不應(yīng)小于下式計(jì)算值。

t≥D/800+4

式中：D—鋼管直徑（mm）。

水擊壓力按下式計(jì)算：

△P=2σ/（2-σ）*Hγ

式中：σ=v0*L/gHT；v0—水擊發(fā)生前管道內(nèi)的流速（m/s）；L—管道長(zhǎng)度（m）；g—重力加速度（m/s2）；H—管道閥門處的靜水頭（m）；T—閥門關(guān)閉時(shí)間（s）；γ—水容重（T/m3）。

4.10.2 鋼管各分段及鋼管壁厚計(jì)算結(jié)果

鋼管各分段及鋼管壁厚計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 鋼管分段壁厚計(jì)算

4.11 管道敷設(shè)

工程項(xiàng)目管道主要為淺埋管敷設(shè)，少部分管道采用深埋保護(hù)敷設(shè)。當(dāng)輸水管線跨過(guò)現(xiàn)有道路溝渠時(shí)，管道全段采用鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩全包裹，以保證管道能承受后期上部車輛或堆渣等荷載。埋設(shè)鋼管水平或豎直轉(zhuǎn)角超過(guò)15°時(shí)設(shè)置鎮(zhèn)墩。

4.11.1 鎮(zhèn)墩

鋼管在平面及立面轉(zhuǎn)彎點(diǎn)設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩主要承受水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力，靠其自身重量保持穩(wěn)定。鎮(zhèn)墩型式根據(jù)每個(gè)彎段轉(zhuǎn)彎點(diǎn)特性、地形地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)置，采用C25混凝土進(jìn)行澆制，其體積根據(jù)鎮(zhèn)墩所受作用力按滿足鎮(zhèn)墩穩(wěn)定條件進(jìn)行推求，詳見(jiàn)下式：

式中：KC—鎮(zhèn)墩抗滑安全系數(shù)，一般取1.5；Fc—鎮(zhèn)墩與地基間摩擦系數(shù)，根據(jù)各鎮(zhèn)墩處地質(zhì)條件進(jìn)行取值，采用0.2-0.3；∑Y—作用于鎮(zhèn)墩上的垂直合力；∑X—作用于鎮(zhèn)墩上的水平合力；G—鎮(zhèn)墩自身重量（包括鎮(zhèn)墩內(nèi)管道重量和水重）。

根據(jù)上述公式推求出所需鎮(zhèn)墩體積，根據(jù)鎮(zhèn)墩體積，再初擬鎮(zhèn)墩輪廓尺寸，進(jìn)行鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力驗(yàn)算。由于明鋪鋼管受溫度影響較大，因此兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié)，以減小鋼管因溫度變化引起的應(yīng)力。為減小伸縮節(jié)的內(nèi)水壓力和便于管道安裝，伸縮節(jié)布置在管道上游鎮(zhèn)墩下游側(cè)。

4.11.2 支墩

支墩設(shè)置在鎮(zhèn)墩之間，其作用主要是承受鋼管及水在豎向的分力，以減小鋼管軸向及切向應(yīng)力，支墩允許鋼管在軸向自由移動(dòng)，以保證鋼管應(yīng)溫度變化自由伸縮。鋼管支墩間距根據(jù)鋼管應(yīng)力進(jìn)行分析求得。

4.11.3 管道連接

管道連接主要采用焊接連接。

4.11.4 管道防銹、防腐設(shè)計(jì)

工程所有管道均采用外防腐加強(qiáng)保護(hù)：明鋪管段，先進(jìn)行表面除銹處理，刷紅丹防腐底漆一道，綠色醇酸磁漆兩道；埋地段鋼管外壁采用2布3油防腐處理，鋼管防腐先進(jìn)行表面除銹處理，涂抹一層環(huán)氧煤瀝青漆后，纏裹一層玻纖布，然后再涂抹一層環(huán)氧煤瀝青漆。待干后，再涂抹一層環(huán)氧煤瀝青漆，纏裹一層玻纖布，表面再均勻完整的涂抹一層環(huán)氧煤瀝青漆。

4.11.5 輸水管閥門設(shè)置

輸水管道低凹處設(shè)置泄水、沖砂閘閥，管道隆起處設(shè)置排氣閥。泄水、沖砂閘閥直徑為管道直徑的1/4-1/5，排氣閥直徑為管道直徑的1/8-1/10。輸水主管高差間隔100m設(shè)置減壓閥，每個(gè)水池進(jìn)水管末端設(shè)置減壓閥。

4.12 水池設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及工程布置情況，取水口處設(shè)置一座高位水池，管道沿線每個(gè)村建一個(gè)水池，共10個(gè)，滿足附近區(qū)域灌溉用水，水池參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 水池特性表

5 示范段管道試壓及結(jié)果

5.1 示范段管道試壓方法

（1）水壓試驗(yàn)壓力為各段輸水管線設(shè)計(jì)工作壓力+0.5MPa，且不低于1.0MPa。

（2）預(yù)試驗(yàn)階段：將管道內(nèi)水壓緩緩地升至試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓30min。期間如有壓力下降可注水補(bǔ)壓，但不得高于試驗(yàn)壓力；檢查管道接口、配件等處有無(wú)漏水、損壞現(xiàn)象；有漏水、損壞現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)停止試壓，查明原因并采取相應(yīng)措施后重新試壓。

（3）主試驗(yàn)階段：停止注水補(bǔ)壓，穩(wěn)定15min；當(dāng)15min 后壓力下降不超過(guò)0，將試驗(yàn)壓力降至工作壓力并保持恒壓30min，進(jìn)行外觀檢查若無(wú)漏水現(xiàn)象，則水壓試驗(yàn)合格。

（4）管道升壓時(shí)，管道的氣體應(yīng)排除；升壓過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)彈簧壓力計(jì)表針擺動(dòng)、不穩(wěn)，且升壓較慢時(shí)，應(yīng)重新排氣后再升壓。

（5）分級(jí)升壓，每升一級(jí)應(yīng)檢查后背、支墩、管身及接口，無(wú)異?，F(xiàn)象時(shí)再繼續(xù)升壓。

（6）水壓試驗(yàn)過(guò)程中，后背頂撐、管道兩端嚴(yán)禁站人。

（7）水壓試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)禁修補(bǔ)缺陷；遇有缺陷時(shí)，應(yīng)做出標(biāo)記，卸壓后修補(bǔ)。

5.2 示范段管道試壓結(jié)果

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求對(duì)試驗(yàn)段管線進(jìn)行管道試壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本項(xiàng)目輸水管道設(shè)計(jì)值與實(shí)際運(yùn)行工況相符，管道試壓結(jié)果詳見(jiàn)表8所示。

表8 示范段管道試壓結(jié)果

6 結(jié)論

（1）對(duì)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目（二期）一級(jí)保護(hù)區(qū)寬30m、長(zhǎng)27.8km灌區(qū)及至取水點(diǎn)6km，灌溉管網(wǎng)制安、高位水池、調(diào)節(jié)池等設(shè)計(jì)，主要是確保工程區(qū)內(nèi)植物正常生長(zhǎng)，攔截污染、改善入湖水質(zhì)具有重要的作用和意義。

（2）通過(guò)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目（二期）灌溉引水工程現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)查分析，根據(jù)灌溉系統(tǒng)總體方案布置設(shè)計(jì)及各引水管道起點(diǎn)至終點(diǎn)地面高程、流量等計(jì)算，做出了設(shè)計(jì)策略，選擇了灌溉方式及水源、總體方案布置，確定了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)灌溉方式及水源、總體方案布置、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)灌溉定額、灌水周期、灌水制度、水流量、水力學(xué)、管道承壓、鎮(zhèn)墩承壓等計(jì)算，得出管道敷設(shè)、管徑選擇、管道壁厚、減壓池設(shè)置等結(jié)論及設(shè)計(jì)。

（3）示范段成果試壓結(jié)果表明：管道設(shè)計(jì)承壓與試壓承壓一致，示范段灌區(qū)經(jīng)使用無(wú)爆管管網(wǎng)損毀、無(wú)灌溉水源不足現(xiàn)象。