錫伯提水庫冬季引水管道工程設計綜述

唐明建，張曉葉

(沈陽億鑫設計咨詢有限公司，沈陽 110006)

1 工程概況

錫伯提水庫是錫伯提河上的一座小(Ⅰ)型平原注入式水庫，位于新疆兵團第九師一六六團境內。水庫總庫容500萬m3，死庫容40萬m3，有效庫容460萬m3。錫伯提水庫建成于1992年，但由于庫盤滲漏，壩基不均勻沉降造成壩體裂縫，使水庫無法正常蓄水，成為病險水庫。2015年該水庫徹底除險加固后恢復其設計庫容500萬m3，水庫控制著下游灌區2186.67hm2灌溉面積。

錫伯提水庫通過大錫伯提渠首引水，明渠輸水進入水庫，但是在每年的冬季(12-3月份)，因為嚴寒，引水渠產生凍脹，河水結冰流通不暢等原因，冬閑水無法引入水庫，水資源無法得到充分利用，水庫引水渠的引水量達不到設計庫容，無法滿足下游灌區的灌溉用水量。該工程通過新建一條冬季引水管道，將無法利用的冬閑水引入錫伯提水庫，增加水庫的供水量，以緩解下游灌區耕地灌溉用水量不足的問題，工程的建設將會使灌區有限的水資源得到充分利用，對項目區增產增收意義重大。

2 管線總體布置

錫伯提水庫冬季引水管道設計流量0.8m3/s，管道總長5966m，采用DN700玻璃鋼管，共配套建筑物16座，其中閘閥井10座,消能井1座，丁壩5座。管道從大錫伯提渠首下游改建的消力池取水，管道末端設消能井，水流經過消能后，溢流進水庫進水渠，注入錫伯提水庫。管道沿線每隔1km左右設一座排氣井，在管道逆坡處最低點設排水井，最高處設排氣井。管道0+240-0+620段管線位于錫伯提河左岸河床邊緣，為防止洪水將管道沖出，該段沿線共設置丁壩5座(丁壩間距95m)，丁壩頂寬1m，壩長8m，邊坡1∶1.5，壩高1.5-2.0m，丁壩及管道護坡上下游10m范圍均采用雷諾護墊護砌。為保證管道在冬季運行時能夠足量引水，在每年入冬前需將渠首處做清淤處理[1]。

3 管道水力計算

通過經濟技術比選，確定本工程管材選用玻璃鋼管。管道管徑按通過的流量確定，為使管道具有較穩定的工作壓力，較少管道的磨損，管道設計水力坡降小于地面坡降，管道流速≤2.5m/s。

輸水管道水頭損失按下式計算：

沿程水頭損失：

hf=fQmL/db

(1)

局部水頭損失：

hw=ξ×v2/2g或hw=10%·hf

(2)

式中：L為管長，m ；Q為流量，m3/h；d為管道內徑，mm；m為流量指數，1.77；b為管徑指數，4.77；ζ為局部阻力系數；v為管道流速,m/s；g為重力加速度，9.8m2/s；f為管材摩阻系數，玻璃鋼管取91500/。

通過計算，管道首端至末端高差為90.74m，當管徑為700mm時，管道最大工作壓力為70.76m，水流流速為2.08m/s，滿足經濟流速要求，由此確定管道采用DN700玻璃鋼管，承壓等級0.4-1.0MPa[2]。

4 縱橫斷面設計

4.1 橫斷面設計

當地最大凍土深度為1.2m，為保證管道冬季運行，設計管溝深按最大凍土深度+20cm考慮，因此設計管頂以上埋深≥1.4m。管溝斷面采用梯形，根據現場踏勘情況及地質勘察報告，管道0-064-5+032段為砂礫石基礎，設計溝底寬1.3m，開挖邊坡系數1∶0.5，需在管道底部鋪設20cm細砂墊層，并一次性整平。

管道5+032-5+900段臨近錫伯提水庫庫區，經實地勘察，該段管線基礎為濕陷性黃土，濕陷系數0.045，屬中等非自重濕陷性土。該段管溝設計溝底寬1.5m，開挖邊坡系數1∶0.75，為消除管溝基礎濕陷性的影響，基礎采用換填墊層法。管溝開挖后對基礎進行翻松灑水并輔以人工夯實，翻夯影響深度≥30cm，壓實度≥0.93，另鋪設30cm厚3∶7灰土墊層，灰土換填后承載力應達到170kPa。處于該管段范圍內的所有閘井、消能井等建筑物基礎均采用該措施處理。

4.2 縱斷面設計

管道縱剖面設計的主要內容是確定管道在立面上的位置。管道應短而直，應盡量使管道在立面上順直，但要避免大量開挖，在管道沿線地面起伏較大時，地埋管道也可隨地面起伏，同時要避免山峰狀隆起。在起伏的管道上，隆起的部位要設置進排氣閥，低谷的部位要設泄水閥。本次管道最大設計縱坡0.1520，最小設計縱坡0.0002，共設排氣井6座，排水井4座。

5 管道附屬設備

設計管道僅為輸水管道，中間不分水，故管道附屬設備僅包括進排氣閥和排水閥。

5.1 進排氣閥

進排氣閥設置在管道系統的駝峰處，輸水長度大于1km時應增設1個，其作用一是在管道輸水過程中排出管內空氣，防止管內積氣發生氣蝕和影響管道過流能力；二是在管內產生負壓時吸入空氣，避免產生負壓以保證系統安全運行。進排氣閥的口徑與所處位置和與其連接的管道口徑有關，參考《城市供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》(CECS193: 2005)，推薦兼有注氣、排氣兩種功能的排氣閥，公稱直徑宜取主管道直徑的1/8-1/5，本工程進氣、排氣閥的大小按不小于管路管徑的1/4確定。本工程選定排氣閥規格為DN200，共設6處。

5.2 排水閥

管道非運行季節(夏季采用渠道引水時)，應排除各級管道內的積水，排水閥設于管道較低處，及管道逆坡的最低處，本工程共設排水閥4處。

6 管線防凍措施

為保證管道進水口能在冬季正常運行，需將大錫伯提渠首的消力池段進行改建。根據氣象資料，當地最大冰凍厚度為0.9m，即冰面0.9m以下的水流不結冰，由此可確定管道進水口高程。加高現狀消力池，在消力池末端增設一道潛孔式閘門作為節制閘，在消力池右岸擋土墻上增設一道潛孔式閘門，閘門后接輸水管道?？紤]管道冬季運行時需保溫，封閉渠首開敞段，并覆土50cm，管道附屬閥門井、消能井等均采用此措施保溫。管道進水口剖面詳見圖1。

圖1 管道進水口剖面圖(單位：cm)

7 消能井

管道地形坡差較大，管道末端工作壓力達到70.76m，靜水壓力達到90.74m，若直接將管道水注入水庫進水渠，會對渠道產生極大的破壞，且水流流態極不穩定，因此在輸水管道末端設置深筒式消能井，降低水頭，使水流平穩的溢流進入渠道，最終注入水庫。消能井分為進水池、出水池和溢流渠三部分，進水管采用多孔鋼管，通過多孔出流將巨大水能減小，進水池四周和底板內壁設置鋼板，防止水流對池壁和池底造成損傷。

設計深筒式消能井特點是利用射流對池壁的沖擊來消能。消能井結構尺寸按以下步驟確定：

根據進水管直徑D=0.5m、設計流量Q=0.8m3/s，尾渠允許波高h=0.025m，計算消能井參數〔Q2/(gD2)〕1/2=1.45，h/D=0.05。選擇深寬比d/b，d/b=1.0-2.0較妥，一般取d/b=1.5。根據以上參數由圖2查得b/D=3.2,從而可得井寬b=1.6m，井深d=2.4m。參考當地已建成的規模與本工程相當的消能井，本次取井寬b=2.0m，井深d=3.95m。消能井剖面詳見圖3。

圖2 d/b-〔Q2/(gD2)〕1/2關系曲線圖 圖3 深筒式消能井剖面圖(單位：cm)

8 結 語

工程已于2016年完成施工并驗收合格，運行至今狀態良好。管道未出現過因冰凍而斷水的情況，說明管道進水口在最大冰凍層以下取水是可行的，在閘井、消能井等建筑物頂部覆土保溫能夠取得較好效果。濕陷性黃土區管線基礎未發現明顯沉降，管線完好，說明對承載能力要求不高的建筑物基礎采取翻夯+換填灰土的措施能夠較好的減小土壤濕陷性，滿足工程需求。管道末端消能狀況良好，未出現沖刷現象，說明深筒式消能井在小流量、高水頭的管線工程中消能效果較好。