乡宁县管头镇提水灌溉主体工程设计分析

2021-09-06武云飞

山西水利 2021年4期

武云飞

（乡宁县水利局，山西乡宁042100）

1 项目概况

乡宁县管头镇提水灌溉工程位于乡宁县城东的管头镇，项目区为石山森林区地貌，煤炭资源较为丰富，交通公路有临吉高速和309国道横贯而过。

工程向石窑、袁家村、管头、井上、燕家河、长镇、东团、胡村、樊家坪、上善、下善等11个村庄的耕地提供灌溉用水，灌区规划总灌溉面积约1 200 hm2，泵站总装机容量1 625 kW，其中一期工程规划灌溉面积为433.33 hm2。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252－2000），按灌溉面积确定工程等别为Ⅴ等，按泵站装机功率确定工程等别为Ⅲ等，本工程任务为农业灌溉，综合考虑确定工程等别为Ⅴ等，主要建筑物泵站、输水管道等建筑物级别为5级。输水管道洪水标准为10年一遇洪水设计；施工导流洪水标准为5年一遇设计。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），确定建筑物抗震设防烈度为Ⅶ度。

工程主要建设内容是从宋家沟水库引水，利用地形高差，先自流至泵站前池，再经泵站提水到1号、2号、3号蓄水池，最后通过蓄水池采用重力流分别向管头镇鄂河两岸的石窑、袁家村、管头、井上等11个村庄耕地灌溉供水。

2 工程规划布置

2.1 水源取水方式

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）中第3.1.2条，干旱地区或水资源紧缺地区灌溉设计保证率取50%～75%，由于本灌区灌溉水源为宋家庄水库，鉴于水库库容较小，来水量相对有限且不够稳定，综合多方面因素，本灌区灌溉设计保证率取50%。

本工程灌溉供水区最大灌水率为2.865 m3/s·万hm2，一期工程灌溉面积433.33 hm2，灌溉水利用系数按0.8考虑，计算泵站提水流量为0.16 m3/s，一期工程需水量为107.5万m3。宋家沟水库总库容为137万m3，死库容30万m3，满足一期工程433.33 hm2农田的灌溉需水量。

宋家沟水库涵洞最大泄水量7.8 m3/s，本工程引水流量0.16 m3/s，远小于涵洞的输水流量，高程也可满足引水要求，故借用水库已建的放水排沙涵洞取水。在涵洞下游坝后渠道进口新建一座节制闸、进水闸、进水池和流量计井，节制闸设在渠道上。

2.2 灌区规划布置

灌区规划设计分3个片区、1座泵站、连接输水管道、分水阀及田间给水栓等。泵站依据3个灌溉片区的高程分别布置3座出水池，厂房内共布置5台机组，其中1号机组给1号出水池供水，2、3号机组给2号出水池供水，4、5号机组给3号出水池供水。1号出水池向4个村庄灌溉供水。2号出水池向5个村庄灌溉供水。3号出水池向上善、下善2个村庄灌溉供水。1号出水池位于长镇村，控制高程1 260 m，2号出水池位于管头村，控制高程1 400 m，3号出水池位于下善，控制高程1 360 m，每个出水池控制灌溉面积均为433.33 hm2。

工程分两期实施，一期工程包括进水闸、泵站厂房、机组机电设备安装、1号出水池及他们之间的连接管道。二期工程包括2～3号出水池及连接管道等。

2.3 提水泵站布置

提水泵站位于高崖底村公路旁的平地内，地面高程1 139.0 m，厂区内布置进水池、泵站厂房、库房、办公及生活服务用房。泵站前设进水池。共设置5台机组，其中1号机组向1号出水池供水，1号出水池水位1 260 m，水泵型号KY550-75×2，电机型号Y355L2-2。

2号、3号机组向2号出水池供水，2号出水池水位1 400 m，水泵型号KDY250-100×4D，电机型号Y355L2-2。

4号、5号向3号出水池供水，3号出水池水位1 360 m，水泵型号KDY250-70×4D，电机型号Y355L1-2。

泵站紧邻管头镇公路，可由管头镇公路直接进入厂区。进厂道路长度20 m，路面为混凝土结构，宽度6.0 m。泵站厂区占地面积约1 hm2。

3 地基土湿陷性评价

3.1 本工程湿陷性计算参数的选取

本工程计算的湿陷量，取双线法的湿陷系数：基底下10 m以内采用200 kPa的双线法湿陷系数，根据设计院提供的各管道区段整平标高进行计算，本次详勘中各探井的饱和自重压力，为按此整平标高计算出的土样饱和自重压力。各探井中自重湿陷量，计算按饱和自重压力下实测的自重湿陷系数取值，具体取值见地勘报告。

3.2 湿陷类型

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）第4.4.1条，建筑场地的湿陷类型，按室内压缩试验计算的自重湿陷量判定。当Δzs＞70 mm时为自重湿陷性场地，室内计算自重湿陷量Δzs按下式计算：

式中：δzsi——第i层土，在上覆土饱和自重压力下，测得的自重湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm；

β0——因土质地区而异的修正系数，本场地取0.5。

3.3 湿陷等级

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004），总湿陷量Δs按下式计算：

式中：δsi——第i层土的湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm；

β——考虑地基土的侧向挤出和浸水机率等因

素的修正系数，基底下5 m深度内取1.5；5～10 m深度内，取1.0；基底下10 m以下至非湿陷性黄土顶面，在自重湿陷性场地可取β0=0.5。湿陷量计算值计算深度，自地平面以下1.5 m算起。

计算各探井的自重湿陷量和总湿陷量，综合考虑场地湿陷类型为非自重湿陷性场地，湿陷等级为I级。

3.4 天然地基土承载力评价

本次勘察各层地基土的承载力特征值fak系根据原位测试结果，并结合本地区建筑经验综合考虑确定的，结果详见表1。

表1 天然地基土承载力特征值一览表

3.5 地基均匀性评价

仅对泵站进行地基均匀性评价，根据本次勘察揭露的场地地层情况，泵站基础位于第（3）层卵石上，且该层所夹粉土层均位于基底之上，其力学性质较好，土质均匀，无软弱下卧层，据此判定该场地天然地基为均匀地基。

3.6 地基变形参数

地基变形计算压缩模量宜按实际压力段（土的有效自重压力至土的有效自重压力与附加压力之和段）取值，计算出相应的压缩模量Es，碎石土据动探击数提供变形模量E0，详见表2。

表2 地基各层土压缩模量、变形模量

3.7 场地稳定性、适宜性评价

根据本次勘察结果及区域地质资料，场地及场地附近无全新活动断裂，亦不存在滑坡、泥石流等不良地质作用，各地貌单元地层在平面和深度方向上分布基本连续稳定，故该场地属较稳定场地，地基土适宜本工程建设。

3.8 结论及建议

（1）本次勘探深度范围未发现地下水，地表水对钢结构、混凝土、钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

（2）拟建场地土对钢结构、混凝土、钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性评。

（3）本场区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15 g，设计地震分组为第二组。

（4）本场地类型为II类，属建筑抗震一般地段。（5）场地湿陷类型为非自重型，地基土湿陷性等级II级。

（6）根据本次勘察揭露地层情况可不考虑软弱土的震陷影响。

（7）拟建场地不存在全新活动断裂，亦不存在影响场地稳定性的不良地质作用。

（8）根据《建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ04-258-2008）附录G，本地区标准冻结深度为0.63 m。

4 工程主要建筑物

4.1 节制闸和进水闸结构设计

节制闸设在下游渠道上，尺寸为1.5 m×2.5 m（宽×高），高度和宽度与原渠道尺寸一致。进水闸与节制闸呈30°夹角，为矩形断面单孔闸，闸室段采用M7.5浆砌石结构，尺寸为5 m×0.6 m（宽×高），闸墩设手动螺杆启闭机，铸铁闸门。

为保证引水压力管道与渠道的连接（即满足管道进口压力），在进水闸后设一浆砌石进水池兼做消力池。

4.2 泵站进水池设计

进水池采用矩形C25钢筋混凝土结构，尺寸为5 m×26 m×4 m（宽×长×深），池底高程1 136.8 m，设计水位1 139.0 m，底板厚度为0.3 m，池壁厚度为0.3 m，进水管高程1 139.225 m，出水管高程1 137.425 m。

4.3 泵站厂房设计

泵站厂房分主厂房和副厂房。

主厂房为矩形厂房。厂房内单排布置5台机组，总长36 m。高度按厂房内最大设备能安全吊装的原则确定为6.5 m。

副厂房：长7.5 m，宽4.5 m，高5.4 m。副厂房因荷载较小，地面以下采用M7.5浆砌石条形基础，地面以上采用砖混结构，顶为C20钢筋混凝土，屋面结构同主厂房。地面采用20 cm厚C15混凝土。

厂区地基不存在湿陷性，基础处理采用砂卵石垫层厚300 mm，压实度不小于0.95。

4.4 出水池设计

1号、2号、3号出水池，既是泵站出水池，又是向各灌区供水的进水池，容积按出水池和进水池综合考虑。根据实际需要确定出水池尺寸为6.5 m×6.5 m，池深4.5 m。

出水池为C25钢筋混凝土结构，尺寸为6.5 m×6.5 m×4.5 m（宽×长×深），容积150 m3。底板厚度为0.3 m，池壁厚度为0.3 m。考虑运行安全，池壁设DN 400溢流管，管中心高程设在水池水位以上0.2 m，当池水位超过最高水位时，多余水量从溢流管排至附近天然冲沟，溢流管随池外地形铺设。

地质勘探资料显示，出水池地基土为粉土，具Ⅱ级湿陷性，但1号水池土层厚度为3.5 m，2号水池土层厚度为3.8 m，3号水池土层厚度为6.3 m，以下为基岩，水池地面以下埋深3 m，故将1号、2号水池基岩面以上土层全部开挖，回填砂卵石垫层至设计底高程，压实度不小于0.95；3号水池基坑开挖夯实后，回填1.0 m厚，压实度不小于0.95。