萇登侖

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著城市的不斷發(fā)展，城市生產(chǎn)、生活用水需求對(duì)水源地供水之間的問題日益凸顯。水源地供水量與下游用水量之間的不平衡，供水管線運(yùn)行維護(hù)、事故檢修與下游用水的矛盾，都對(duì)供水工程的水量調(diào)節(jié)、檢修維護(hù)等多種功能的應(yīng)用提出了一定的要求。調(diào)節(jié)池是調(diào)節(jié)產(chǎn)水量、供水量與用水量不平衡的建筑物，其合理的結(jié)構(gòu)布置型式，是實(shí)現(xiàn)多種功能、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

迪那河五一水庫(kù)工業(yè)供水管線工程位于新疆輪臺(tái)縣境內(nèi)，是五一水庫(kù)工程的配套工程，主要承擔(dān)向輪臺(tái)縣拉依蘇工業(yè)園區(qū)供水的任務(wù)。拉依蘇工業(yè)園區(qū)為自治區(qū)級(jí)重要的工業(yè)園區(qū)，主要以大型煤炭化工生產(chǎn)為主，用水日均變化量大，供水保證率高，為95%。迪那河為高泥沙河流，含沙量達(dá)8.61kg/m3，汛期水庫(kù)懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入管道，可能影響調(diào)節(jié)池安全運(yùn)行。本供水工程壓力管道水頭落差大，總靜水頭達(dá)253.6m，對(duì)管道運(yùn)行要求高。本工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水對(duì)建筑物安全產(chǎn)生不利影響。以上問題都對(duì)調(diào)節(jié)池在流量調(diào)節(jié)、保證管道檢修、保證自身安全運(yùn)行等多方面都提出了較高的要求，設(shè)計(jì)中采取何種策略進(jìn)行應(yīng)對(duì)，值得研究。

1 工程概況

迪那河五一水庫(kù)工業(yè)供水管線工程是從五一水庫(kù)引水，受水點(diǎn)為位于水庫(kù)以南約23km的自治區(qū)級(jí)拉依蘇工業(yè)園區(qū)，年引水量4000萬(wàn)m3，引水流量為1.62m3/s。本工程屬Ⅲ等中型[1]。本工程主要由取水口、輸水隧洞、輸水涵洞、前池、壓力管道、調(diào)節(jié)池、消能系統(tǒng)、放空系統(tǒng)等建筑物組成，其中輸水隧洞長(zhǎng)6.27km，調(diào)節(jié)池前供水管道長(zhǎng)11.898km，調(diào)節(jié)池后配水管道長(zhǎng)4.89km。本工程取水口、輸水隧洞、輸水涵洞、壓力管道、調(diào)節(jié)池等主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。主要建筑物設(shè)防烈度Ⅷ度。工程總投資為3.95億元。調(diào)節(jié)池平面圖如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)池平面圖

2 調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

(1)調(diào)節(jié)池規(guī)模確定。在城鎮(zhèn)和工業(yè)供水中，供水保證率至關(guān)重要。對(duì)于長(zhǎng)距離供水工程，若供水管道按照單根管道布置，為提高供水保證率，調(diào)節(jié)池應(yīng)具備多日調(diào)節(jié)的能力，需要調(diào)節(jié)池具有更大的調(diào)節(jié)容量，成為超大型調(diào)節(jié)池或調(diào)節(jié)水庫(kù)；若供水管道采用雙管布置，調(diào)節(jié)池的調(diào)節(jié)能力則相應(yīng)減小，其規(guī)?？纱蟠蠼档?。調(diào)節(jié)池規(guī)模的確定與供水保證率、工程投資及工程運(yùn)行安全等多種因素密切相關(guān)。

(2)調(diào)節(jié)池位置選擇。長(zhǎng)距離供水工程若通過取水口對(duì)供水流量進(jìn)行調(diào)控則存在遲滯效應(yīng)，調(diào)節(jié)建筑物應(yīng)盡量靠近受水點(diǎn)。但園區(qū)附近地形較為平坦，無設(shè)置調(diào)節(jié)池的有利地形。調(diào)節(jié)池位置的選取不但要滿足用水戶不同工況下最不利點(diǎn)水壓要求，同時(shí)還應(yīng)考慮如何降低揚(yáng)水設(shè)施規(guī)模甚至不設(shè)置揚(yáng)水設(shè)施。

(3)流量調(diào)節(jié)要求。水源地供水流量與下游用水流量存在差異，是需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的原因。水庫(kù)供水是按照恒定流量均勻供水，下游園區(qū)用水過程變動(dòng)較大，需采取措施滿足用戶各種工況下的用水需求。

(4)供水保證率要求。受水區(qū)為自治區(qū)級(jí)大型工業(yè)園區(qū)，用水保證率高。應(yīng)滿足在供水管道例行檢修和突發(fā)事故時(shí)，以及調(diào)節(jié)池自身檢修和沖沙排淤時(shí)，保證管線仍能夠運(yùn)行，滿足用戶用水需求。

(5)水質(zhì)改善。迪那河屬多泥沙河流，汛期水庫(kù)懸移質(zhì)泥沙隨水流進(jìn)入管線，降低了供水水質(zhì)，給水質(zhì)處理增加負(fù)擔(dān)，甚至可能會(huì)影響調(diào)節(jié)池運(yùn)行，減小調(diào)節(jié)池容積，造成降低調(diào)節(jié)能力等不利影響。

(6)地下水降排問題。調(diào)節(jié)池為半埋入式結(jié)構(gòu)，建基面低于地下水位。調(diào)節(jié)池存儲(chǔ)水量較大，若發(fā)生大的滲漏將抬升地下水位，尤其汛期洪水將導(dǎo)致地下水位顯著抬升，這些都可能造成調(diào)節(jié)池底板失穩(wěn)，危及建筑物安全。

3 調(diào)節(jié)池選擇影響因素研究

3.1 調(diào)節(jié)池規(guī)模選擇

本工程供水管線總長(zhǎng)16.92km，屬長(zhǎng)距離供水工程[2]，調(diào)節(jié)池的型式和規(guī)模對(duì)工程投資和運(yùn)行等影響均較大。調(diào)節(jié)池的規(guī)模與壓力管道布置形式密切相關(guān)，根據(jù)壓力管道單管布置和雙管布置兩種形式，調(diào)節(jié)池?cái)M定了兩種不同規(guī)模進(jìn)行比選。

(1)容積3.5萬(wàn)m3。供水管道壓力前池設(shè)置在出山口，根據(jù)管網(wǎng)壓力對(duì)調(diào)節(jié)池水位的要求，調(diào)節(jié)池設(shè)置在距前池11.898km的位置，調(diào)節(jié)池總?cè)莘e為3.5萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)為13.5h。調(diào)節(jié)池前供水管道采用兩根DN800鋼管平行布置，設(shè)計(jì)流量1.62m3/s，調(diào)節(jié)池后配水管道采用兩根DN900鋼管平行布置，最高日均流量1.782m3/s。

(2)容積(庫(kù)容)120萬(wàn)m3。供水管道起點(diǎn)設(shè)置在出山口，管道末端的調(diào)節(jié)池根據(jù)筑壩材料易于獲得的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，設(shè)置成為調(diào)節(jié)水庫(kù)。調(diào)節(jié)水庫(kù)壩型為復(fù)合土工膜砂礫石壩，全庫(kù)盤鋪設(shè)土工膜防滲，最大壩高8.3m，正常蓄水位1096.0m，死水位1090.80m，總庫(kù)容120萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容85萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)為6d。調(diào)節(jié)水庫(kù)前供水管道采用單根DN800鋼管，設(shè)計(jì)流量1.62m3/s，調(diào)節(jié)池后配水管道采用單根DN900鋼管，最高日均流量1.782m3/s。

經(jīng)綜合比選，因管道長(zhǎng)度相對(duì)較短，調(diào)節(jié)水庫(kù)的投資占比較大，投資增量大于少鋪設(shè)一根供水管道引起的減少量，投資較調(diào)節(jié)池方案增加2439萬(wàn)元。調(diào)節(jié)水庫(kù)的征地范圍、施工難度相對(duì)較大，運(yùn)行管理也相對(duì)復(fù)雜。因此，規(guī)模較小的調(diào)節(jié)池+供水管道雙管布置方案在短距離供水工程及相對(duì)較短的長(zhǎng)距離供水工程中更為適用。

對(duì)于設(shè)有高壓疏水的系統(tǒng)，在布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量讓暖風(fēng)器高位布置，使其疏水能自流到疏水箱，疏水箱的安裝高度還應(yīng)滿足疏水泵汽蝕余量的要求[8]，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)充分結(jié)合起來，才能從源頭上得以解決暖風(fēng)器的疏水問題。

3.2 調(diào)節(jié)池位置的選擇

供水管線敷設(shè)在山前沖洪積扇。根據(jù)地形特點(diǎn)，前段縱坡較陡，后段縱坡較小，總的落差較大。調(diào)節(jié)池可采用高位的布置形式(如水塔或高位水池)，也可采用低位的布置形式(如加壓泵站)[3]。采用全線自流和末端設(shè)置揚(yáng)水泵站兩種方案進(jìn)行比選。

(1)全線自流方案。要滿足管線全程自流，調(diào)節(jié)池應(yīng)布置于地形相對(duì)較高的位置，其作用相當(dāng)于高位水池。高位水池的最低運(yùn)行水位，應(yīng)滿足其供水范圍內(nèi)最不利用戶接管點(diǎn)和消火栓設(shè)置處的最小服務(wù)水頭要求(管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力值詳見表1)。調(diào)節(jié)池布置方案詳見本文3.1節(jié)。

(2)加揚(yáng)水泵站方案。前池設(shè)置在出山口，兩根平行布置的DN800壓力管道沿山前沖洪積扇向南敷設(shè)，到達(dá)工業(yè)園區(qū)后，在管線末端設(shè)置升壓泵站[4]。泵站由前池、主泵房、安裝間、副廠房組成。主泵房?jī)?nèi)設(shè)3臺(tái)560kW水平中開雙吸離心泵(一臺(tái)備用)，離心泵揚(yáng)程為50m，升壓水頭值為29.8m。泵房出水管道接入園區(qū)管網(wǎng)。

根據(jù)綜合比選結(jié)果，全線自流方案工程布置相對(duì)較為簡(jiǎn)單，施工難度較小，運(yùn)行管理相對(duì)較為方便，工程投資節(jié)省3507萬(wàn)元。因此選擇全線自流方案。

4 調(diào)節(jié)池的流量調(diào)節(jié)

4.1 調(diào)節(jié)池容積的確定

調(diào)節(jié)池的有效容積應(yīng)根據(jù)上游供水過程線、下游用戶用水量及消防儲(chǔ)備水量等因素確定，單獨(dú)設(shè)置的調(diào)節(jié)池有效容積采用最高日用水量確定[5- 6]。

工業(yè)園區(qū)年需水量為4000萬(wàn)m3。本工程采用全年均勻供水的方式，輸水管線設(shè)計(jì)流量為1.62m3/s。管線采用雙管輸水方式，單管流量按照70%設(shè)計(jì)流量，為1.14 m3/s。園區(qū)管網(wǎng)配水管采用雙管輸水方式，根據(jù)不同工況供水流量詳見表1。

表1 不同工況供水流量詳見

由表1可知，園區(qū)配水管流量按事故工況控制，其流量比上游供水管設(shè)計(jì)流量增大10%，可通過調(diào)節(jié)池對(duì)上、下游流量進(jìn)行調(diào)配。本工程調(diào)節(jié)池有效容積根據(jù)最高日用水量的20%計(jì)算[4]，為1.782 ×3600×24×0.2=30793m3。調(diào)節(jié)池實(shí)際有效容積為31131 m3，總?cè)莘e為3.5萬(wàn)m3。現(xiàn)行圖集04S803《圓形鋼筋混凝土蓄水池》提供的最大容積為2000m3，不能滿足要求，需單獨(dú)設(shè)計(jì)。

4.2 調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算

調(diào)節(jié)池的功能一方面體現(xiàn)在平衡上下游流量的差異，保證用戶用水需求，另一方面能在供水管線檢修維護(hù)和突發(fā)事故的情況下，按照事故流量向配水管供水。壓力管道事故流量為1.14 m3/s，為保持配水管流量不變，調(diào)節(jié)池需調(diào)節(jié)補(bǔ)充流量為0.642 m3/s。則經(jīng)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)，在管線檢修期間能夠延長(zhǎng)以設(shè)計(jì)流量向配水管供水的時(shí)間為31131/0.642/3600=13.5h，完全能夠滿足檢修需要[7]。

5 特殊工況下調(diào)節(jié)池應(yīng)對(duì)策略

(1)調(diào)節(jié)池應(yīng)對(duì)特殊工況策略

設(shè)計(jì)中的應(yīng)對(duì)策略為：在調(diào)節(jié)池中間設(shè)置一道隔墻，將調(diào)節(jié)池變?yōu)?、2號(hào)池兩個(gè)半池結(jié)構(gòu)，如圖1所示，但隔墻高度約為池身高度的一半，在兩個(gè)半池進(jìn)口段分別設(shè)置一個(gè)進(jìn)水管與上游管道相接，在兩個(gè)半池出口段也分別設(shè)置一個(gè)出水管與下游管道相接。調(diào)節(jié)池為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池半徑37m，邊墻高10m，池內(nèi)正常高水位1090.8m，對(duì)應(yīng)水深8.32m，池內(nèi)最低水位1083.48m，對(duì)應(yīng)水深7.32m。隔墻墻高4m，將調(diào)節(jié)池底部隔開，墻頂?shù)陀谡８咚?.32m，高于最低水位4m。

(2)特殊工況下調(diào)節(jié)池的運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)池池內(nèi)水位控制在正常高水位和最低水位之間，由兩個(gè)半池進(jìn)口的兩個(gè)閥門控制入池流量，由配水管道上的兩個(gè)閥門控制出池流量。

供水管道檢修或突發(fā)事故時(shí)，例如1號(hào)半池對(duì)應(yīng)供水管道檢修，則關(guān)閉1號(hào)半池進(jìn)口的閥門，保持一管進(jìn)池兩管出池。1號(hào)半池水位降至最低水位時(shí)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)配水管道末端的閥門，2號(hào)半池繼續(xù)以供水管事故流量1.14 m3/s向?qū)?yīng)配水管放水。根據(jù)前述計(jì)算，按照?qǐng)@區(qū)管網(wǎng)最高日均流量向下游放水時(shí)長(zhǎng)為13.5h。

調(diào)節(jié)池采用兩個(gè)半池輪換的方式進(jìn)行檢修。例如檢修1號(hào)半池，先關(guān)閉1號(hào)半池進(jìn)口閥門，調(diào)整2號(hào)半池進(jìn)水管流量至供水管事故流量1.14 m3/s；池內(nèi)水位降至隔墻頂高程后，調(diào)整2號(hào)半池對(duì)應(yīng)配水管流量至1.14 m3/s ；1號(hào)半池降低至最低水位時(shí)，關(guān)閉1號(hào)半池對(duì)應(yīng)配水管末端閥門，打開1號(hào)半池沖沙放空閥門，排空水后可進(jìn)行調(diào)節(jié)池的檢修。

6 改善水質(zhì)措施

調(diào)節(jié)池直徑74m，斷面面積達(dá)4300m2，水流流速小于1mm/s，懸移質(zhì)泥沙可得到有效沉積。調(diào)節(jié)池底板采用四周向中心放坡，并向集水池方向放坡，坡度均為1%。

調(diào)節(jié)池可在非高峰用水時(shí)段進(jìn)行周期性沖沙排淤，調(diào)節(jié)池此時(shí)的作用相當(dāng)于連續(xù)沖洗式沉砂池[8]。此種情況下，是利用調(diào)節(jié)池的有效容積進(jìn)行的，供水工程仍保持正常運(yùn)行。打開設(shè)置在集水池底部的沖沙放空管，排出調(diào)節(jié)池泥沙匯集至集水池。集水池設(shè)置在調(diào)節(jié)池出口段底板以下，為圓形斷面，直徑6m，深3.3m，被調(diào)節(jié)池中部隔墻分隔開，并分別位于調(diào)節(jié)池兩個(gè)半池，集水池共設(shè)置2根放水管和2根沖沙放空管。兩半池沖沙排淤可輪換進(jìn)行也可同時(shí)進(jìn)行。設(shè)計(jì)沖沙流量為0.5 m3/s。

為了徹底對(duì)池底淤泥進(jìn)行清理，調(diào)節(jié)池可在自身檢修時(shí)，利用設(shè)置在邊墻底部的半環(huán)形清淤放水管結(jié)合人工清理的方式進(jìn)行。每個(gè)半池設(shè)置一根清淤放水管，其進(jìn)口設(shè)置在調(diào)節(jié)池進(jìn)口閘室，將供水管道的高壓水適當(dāng)減壓后引入池內(nèi)，入池后清淤放水管沿邊墻底布設(shè)，管徑DN200，每隔5m設(shè)一個(gè)噴口。

7 地下水的降排策略

調(diào)節(jié)池基礎(chǔ)為第四系上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層，結(jié)構(gòu)密實(shí)，承載力300～350kPa，地下水埋深5～6.5m不等，高于調(diào)節(jié)池建基面0.5～2m，汛期地下水位升高或調(diào)節(jié)池若大量滲漏，基地?fù)P壓力易造成底板失穩(wěn)。為保證底板穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)池安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)策略為：防止調(diào)節(jié)池滲漏，同時(shí)降低地下水水位。

(1)調(diào)節(jié)池的止水設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)池邊墻、底板采用分離式結(jié)構(gòu)，邊墻采用扶壁擋墻，澆筑段長(zhǎng)10m，結(jié)構(gòu)縫采用B-P-280×10型橡膠止水帶止水。底板采用現(xiàn)澆混凝土板+土工膜防滲方式?；炷恋装搴?00mm，分塊邊長(zhǎng)3～4m。結(jié)構(gòu)縫迎水面填50mm厚聚氨酯砂漿，其下部設(shè)PZ膨脹止水條?；炷恋装逑虏荚O(shè)土工膜(一布一膜，膜厚0.6mm，布重200g/m2)，土工膜上鋪設(shè)細(xì)砂層厚300mm(粒徑<5mm)，土工膜下鋪設(shè)排水料厚300mm(粒徑<20mm)。土工膜錨固于扶壁擋墻底板、立柱基礎(chǔ)、隔墻底板等混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)面。土工膜是一種常用的具有較好防滲效果的防滲材料，常用于大型蓄水池工程[9]，但由于土工膜施工中的缺陷也可能引起滲漏[10]，因此施工中應(yīng)加強(qiáng)檢查和消缺。

(2)調(diào)節(jié)池的排水設(shè)計(jì)。在土工膜排水料下設(shè)PVC濾水花管，濾水花管埋置在排水槽底部，槽深0.5m，槽內(nèi)回填排水料(粒徑20～40mm)。環(huán)向?yàn)V水花管共4根，管徑DN150～DN200，水平鋪設(shè)；徑向?yàn)V水花管共10根，關(guān)于圓心對(duì)稱布置，管徑為DN150，坡度為1/500，坡向池心；排水總管為PVC管，管徑為DN200，坡度為1/500，從基底中心點(diǎn)濾水花管匯集處接出，將地下水導(dǎo)向下游放空渠道。

8 結(jié)語(yǔ)

迪那河五一水庫(kù)供水工程設(shè)置的大型多功能鋼筋混凝土調(diào)節(jié)池，實(shí)現(xiàn)了流量調(diào)節(jié)、保持管網(wǎng)壓力、保證管道檢修與處理突發(fā)事故、改善水質(zhì)等多種功能，同時(shí)調(diào)節(jié)池在自身檢修與沖沙排淤時(shí)能保證工程正常運(yùn)行，地下水的降排處理也保證了調(diào)節(jié)池自身的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)池這種獨(dú)特的建筑物型式，實(shí)現(xiàn)了多功能集于一身，保證了工程安全，節(jié)省了工程投資，方便了運(yùn)行管理。本文對(duì)設(shè)計(jì)研究成果進(jìn)行了總結(jié)，為相同工程提供了借鑒。