楊長青，李娜

（1.焦作市引沁灌區(qū)管理局，河南 焦作 454002；2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南鄭州 450003；3.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

隨著生態(tài)文明理念的深入人心和水生態(tài)文明建設國家戰(zhàn)略的持續(xù)實施推進，生態(tài)補水逐漸成為生態(tài)文明建設不可或缺的一個重要內(nèi)容。生態(tài)補水是充分利用再生水或者調(diào)配其他類型水資源，向無法滿足需水量的河流調(diào)水，旨在改善、恢復河流生態(tài)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)以及自我調(diào)節(jié)能力，進一步提升水生態(tài)環(huán)境。生態(tài)補水管道作為生態(tài)補水的主要實現(xiàn)方式，因其具有降低土地資源利用、提升水資源利用效率、方便管理等優(yōu)點，近年來受到人們的廣泛關(guān)注。但補水管道大多采用管線接入主干渠地下長距離輸水模式，其管道接入方式的可靠性是其效益發(fā)揮的關(guān)鍵，同時應對管材選型、管徑設計、穿越工程設計及施工安全等予以重視，力求做到在投資少、易實施、效益優(yōu)的基礎上，保證補水管道的安全性、可靠性。

文章以大沙河接入南水北調(diào)中線工程生態(tài)補水管道建設為例，對管道接入方案進行了技術(shù)經(jīng)濟比選，分析確定了管材類型、管徑及穿越工程設計方案，提出了工程施工中的關(guān)鍵技術(shù)措施，為類似補水管道工程的設計及施工提供理論和技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 南水北調(diào)中線焦作段概況

水利部在2019 年6 月召開的南水北調(diào)工程管理工作會議上提出“加強南水北調(diào)工程生態(tài)補水常態(tài)化研究，持續(xù)開展丹江口水庫洪水資源化利用，向北方受水區(qū)生態(tài)補水”。近年來，南水北調(diào)中線工程為沿線城市河、湖、庫進行生態(tài)補水發(fā)揮了重要作用，自通水以來已累計向河南省供水180 億m3，其中2017-2019 年分別向焦作市生態(tài)補水180 萬m3、4 460 萬m3和87.80 萬m3，極大緩解了焦作市人民群眾生產(chǎn)生活用水緊張局面。南水北調(diào)中線總干渠貫穿整個焦作市，城區(qū)內(nèi)線路全長9.91 km。為充分利用南水北調(diào)生態(tài)補水，提高焦作市南水北調(diào)生態(tài)水利用率，結(jié)合焦作市城區(qū)河、湖水網(wǎng)布局及南水北調(diào)中線工程分水條件，擬修建南水北調(diào)與城市水系連通工程。其中大沙河生態(tài)補水工程是從南水北調(diào)中線總干渠27號分水口門取水，利用現(xiàn)有府城水廠配套管線輸水至府城泵站控制閥井下游側(cè)位置接入，匯入大沙河。該工程為焦作市城市發(fā)展、水資源合理利用、水生態(tài)文明城市建設等提供了重要支撐。

南水北調(diào)中線總干渠27號分水口門位于焦作市西南府城村，設計分水流量為4 m3/s，年均分配水量9 600 萬m3，配套建設府城水廠向焦作市提供生產(chǎn)生活用水。在南水北調(diào)配套管線樁號0+408.372 處新建府城泵站1 座，裝機5 臺，設計揚程28.53 m，設計供水流量3.40 m3/s。大沙河生態(tài)補水工程管道總長2 475 m，為地埋管道自流輸水，管道比降3.03‰，近期設計流量1.30 m3/s，遠期設計流量0.35 m3/s，設閥井16座，支墩20座，鎮(zhèn)墩4座。管道沿程下穿晉新高速，結(jié)合焦武路由高速路橋下埋管下穿，以管道倒虹吸形式下穿新河，并埋管下穿大沙河左堤防。

1.2 工程區(qū)地形地質(zhì)條件

工程區(qū)位于太行山山前黃衛(wèi)沖積平原，地形較平坦，地勢總體上西高東低。擬建補水管道多位于耕地中，局部位于道路側(cè)。邊坡巖性主要由重粉質(zhì)壤土、輕粉質(zhì)壤土組成，局部有素填土和細砂。場區(qū)內(nèi)地下水水化學類型為HCO3-Ca 型，地下水對混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。場區(qū)勘察期間地下水埋深約0.80～1.60 m，高于管道擬開挖建基面高程。

2 接入方案比選

大沙河生態(tài)補水管道采用從配套管線上單管道取水方案：一是避免工程實施對南水北調(diào)安全造成不利影響，避免影響已建府城泵站正常運行；二是由于南水北調(diào)27 號口門至大沙河補水管道主要向大沙河補充生態(tài)水量的功能，為間歇供水，有時間進行維修養(yǎng)護，供水保證率低。

2.1 線路比選

根據(jù)現(xiàn)場條件擬定兩條接入線路：一是連接工程管道接入點位于府城泵站2#控制閥井下游約30 m 處，采用三通閥門接入府城水廠配套管線，沿府城泵站圍墻內(nèi)側(cè)向西約100 m后折向南沿生產(chǎn)路至晉新高速北側(cè)焦武路橋下；二是連接工程管道起點位于府城泵站2#控制閥井下游約90 m 處，采用三通閥門接入府城水廠配套管線，向南出焦作市園林局苗圃中心后折向西穿越現(xiàn)狀2 條生產(chǎn)路后再沿生產(chǎn)路向南至晉新高速北側(cè)焦武路橋下。

從技術(shù)經(jīng)濟性及運行管理等因素對輸水管道接入線路進行進一步優(yōu)化比選認為第一種方案合適，工程線路水頭損失較第二種方案小0.207 m，投資小，控制閥及流量計均位于府城泵站管理區(qū)內(nèi)，便于統(tǒng)一調(diào)度管理及后期維護。

2.2 連接方式

管道連接方式擬考慮采用開敞式（兩工程間有自由水面）連接或直連接（管道直連）兩種方式。其中開敞式連接方案從府城泵站2#控制閥井下游約30 m處采用三通閥門接入府城水廠配套管線，在連接工程接入點下游62.75 m處新建高位水池1 座，形成自由水面，后接自動控制蝶閥和電磁流量計控制輸水流量，配套管線輸水至大沙河；直連接方案從府城泵站2#控制閥井下游約30 m處采用三通閥門直接接入府城水廠配套管線，后接自動控制蝶閥和電磁流量計控制輸水流量，下游直接埋管入大沙河。

管道接入方式主要從安全可靠性、技術(shù)經(jīng)濟性及施工便捷性等方面予以考慮。安全可靠性方面，兩種方案中均能夠保障配套工程的穩(wěn)定運行；技術(shù)經(jīng)濟性方面，兩方案技術(shù)可行，但開敞式連接方案增加了一個高位水池，工程部分投資較直連接方案增加28.40 萬元，永久占地增加0.01 hm2；施工便捷性方面，開敞式連接方案新增的高位水池，高位水池頂高程與府城泵站進水池相同，施工難度相對較大，對府城泵站管理區(qū)影響大。綜合分析認為，采用直連接方案既能保證配套工程及府城泵站運行安全，也便于統(tǒng)一管理。

3 管道設計優(yōu)化

3.1 管材選型

由于此工程涉及城市生活用水，因此對管材環(huán)保性、耐腐蝕性及安全可靠性等方面要求較高。從接口型式、防滲漏性能、抗老化性、耐腐蝕、重量、同管徑同壓力下輸水能力、承受內(nèi)壓范圍及使用壽命等方面對目前常用的預應力鋼筋混凝土管、鋼筒混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管輸水管進行了對比分析認為：球墨鑄鐵管耐腐蝕、絕緣性優(yōu)異，管材重量相對較輕，安裝快捷方便、費用低，施工速度快，抗銹蝕及輸水能力相對較強，糙率較低，工作壓力在0.40～3.00 MPa，使用壽命可達70年以上，大管徑價格較其他管材相差不大。

經(jīng)比選確定，輸水管道采用厚為15.30 mm的K9級球墨鑄鐵管，下穿新河管道采用厚18.70 mm的K11級球墨鑄鐵管，下穿大沙河左岸堤防采用K9級球墨鑄鐵管外包C25混凝土。

3.2 管徑選擇

3.2.1 計算工況

補水管道為有壓流，設計壓力為0.40 MPa，上下游設計水位分別為105.82、102.80 m，出水口管頂高程為102.40 m，設計流量為1.30 m3/s。

3.2.2 管徑復核

考慮該工程的實際情況，在滿足輸水要求的情況下，盡量選用斷面較小管道，以降低運行成本。輸水管道確定經(jīng)濟管徑的計算公式如下：

式中：μc—管道流量系數(shù)；A—管道面積，m2；g—重力加速度，m/s2；H—有效水頭即總水頭損失或上下游水位差，m。

在管道允許流速0.60～3.00 m/s內(nèi)對管徑進行試算，最終確定補水管道管徑為1 200 mm，滿足過流要求。

4 穿越工程方案優(yōu)化

4.1 新河穿越方案

生態(tài)輸水管道與新河上游交叉，采用管道倒虹吸形式下穿新河。新河段現(xiàn)狀河道已完成生態(tài)治理，考慮到新河河道斷面為寬淺式，屬于季節(jié)河道，采用直接開挖埋管穿越，穿新河處管道埋深按河底以下2.50 m控制。為便于檢修，在穿河段進口處布置有檢修閥井，在上游起點與下游終點處均設排氣閥，以保證穿河段管道的安全運行。

4.2 大沙河左岸堤防穿越方案

大沙河河道斷面較大且非汛期河道內(nèi)常年有水，管道穿越大沙河左岸2級堤防對頂管施工、明挖埋管2種方案進行比選分析可知，明挖埋管方案需挖斷河道堤防，雖然土方挖填工程量及環(huán)保壓力較大，但施工簡單投資較小，采取可靠措施后不會形成滲流通道。

4.3 晉新高速穿越方案

管線下穿晉新高速段總長50 m，工程采用套管淺埋暗挖方式下穿晉新高速，以降低工程造價，減少對高速公路的不利影響。該段管道采用內(nèi)徑1.80 m的Ⅲ級鋼筋混凝土管，管頂凈埋深按地面以下0.20 m 控制，管溝總開挖深度為2.58 m，溝底寬度控制為2.60 m，垂直邊坡開挖。

4.4 道路工程穿越方案

南水北調(diào)27號口門至大沙河輸水管道共需穿越現(xiàn)有縣級公路2處。因道路車流量較小，采用開挖直埋施工，施工時修建臨時輔道，待施工完畢后，按原規(guī)?；謴驮缆?，同時拆除輔道。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 管道連接

供水管道接口緊密與否是影響補水管道效益發(fā)揮的關(guān)鍵，設計比選后采用接口簡單、安裝方便、密封性能好的T 型接口。管道安裝前，分段進行了壓水試驗；在鋪設管道之前，將每節(jié)管道的承插口連接部位擦拭干凈再進行對接。

5.2 施工降排水問題

補水管道場區(qū)地下水埋深高于管道擬開挖建基面高程，存在施工降排水問題。針對該問題，施工前中重新對地下水位進行了復核，并采取真空井點降水。

5.3 施工導流問題

新河內(nèi)常年有水，存在施工導流問題。施工中修建圍堰攔斷河床，明渠導流，并制定了科學合理的施工度汛方案。

5.4 接合部碾壓問題

補水管道在穿越新河、大沙河左岸堤防和道路時，采用直接開挖埋管，需注意土體與管道接合部回填不密實問題。施工回填時回填土料來源于原開挖料，采用分層碾壓，對于碾壓不到或難以壓實的地方采取人工對稱回填，確保接合部碾壓密實。

另外，需注意以下幾點：開挖前，需充分考慮各種因素可能對管道產(chǎn)生的影響；開挖時，做好基礎面清基處理工作，并根據(jù)作業(yè)條件采取適宜的支護措施；施工時將輸水管道敷設的具體位置與堤防、河道、道路及各類管線等保持適當?shù)木嚯x；穿越施工時，應加強路面沉降觀測；土方開挖盡量減少對環(huán)境的影響，做好水污染、生態(tài)破壞、土壤污染、大氣污染、噪聲污染等防治措施，加強施工人員的防疫、檢疫，并注意開挖作業(yè)區(qū)后期地表植被的恢復。

6 結(jié)論

以大沙河生態(tài)補水管道工程為例，在對生態(tài)補水管道接入連接南水北調(diào)配套管線的線路比選、連接方式方案經(jīng)濟技術(shù)比選基礎上，確定了管道直連的最優(yōu)方案，同時分析確定了管材選型及滿足配水流量的管徑指標，闡述了管道穿越新河、大沙河左岸堤防、晉新高速及道路等交叉工程的具體方式，總結(jié)和論述了管道施工技術(shù)問題，為類似工程的設計施工提供借鑒。同時需注意到，完善的施工現(xiàn)場管理體系也是保證工程順利完成和效率發(fā)揮的關(guān)鍵。