州河暗渠工程为大型输水工程,均采用地埋式混凝土箱涵结构,工程总体布置中的纵断面布置是体现设计特点的主要部分,较为详细地介绍了该布置优化设计中的制约条件、工程技术特点、优化设计步骤和优化设计中的关键点。
天津引滦入津工程始建于1981年, 1983年竣工通水。工程始于大黑汀水库,经引水隧洞和黎河进入于桥水库,再由于桥水库经州河和引滦专用明渠到达天津市区。受当时时间和资金所限,引滦入津工程采取了"先通后畅、逐步完善"的方针,以最快速度解决了天津市用水的严重困难。
引滦入津水源保护工程就是在原有工程基础之上,根据新的社会环境和水质环境变化,对天津区域内的引滦入津工程,进行配套修改完善,遏制水质进一步恶化的趋势,保证城市饮用水的用水安全。该工程由于桥水库水源保护工程、州河暗渠工程和引滦专用明渠治理工程3部分组成,线路总长124 km,工程总投资24亿元。
其中的州河暗渠工程自于桥水库至引滦专用明渠,线路总长34 km,设计最大引水规模50 m3/s,总投资约15亿元。
州河暗渠是解决利用原43 km的天然河道(州河、洵河)进行输水的替代工程措施,其目的是恢复这些天然河道原有泄洪、排沥、排污和蓄水灌溉的功能,解决引滦输水长期占用天然河道而造成的与原河道已有功能之间的矛盾,解决日益频繁的突发性水质污染问题,保证水质安全、供水安全,降低水量损失。
该工程的建设也是《海河流域水污染防治规划》中先期实施的一部分。州河暗渠工程2005年8月建成并通水,并一直运行至今。
引滦入津州河暗渠工程设计方案比较了从于桥水库直接引水和于桥电站尾水引水的技术经济可行性,比较了各类型管道的技术经济性,在此基础上确定了从于桥电站尾水引水和采用箱涵管道的设计方案。以下仅对设计总体方案的纵断面布置优化进行重点介绍。
州河暗渠工程总体布置概述州河暗渠工程位于天津境内的蓟县和宝坻区内,线路选择是结合当地村镇发展规划和工程经济性等比选工作确定的。
该工程由渠首枢纽工程、调节池、出口闸、6座检修闸、2座大型倒虹吸、9座通气进人孔、30km暗渠箱涵、3条铁路穿越和4条公路穿越等建筑物组成,还包括自动化安全监测系统,其中,箱涵过流断面尺寸为单联3孔4.3 m×4.3 m。线路布置见图1所示。
图1州河暗渠工程线路布置水利水电工程设计 本段工程处于人口密集和农业经济比较发达的地区,采用暗渠的输水方式可以最大限度地避免对地面交通系统、农田灌排系统以及防洪排涝系统等的干扰,对环境的保护具有积极意义。
由于受已有工程水力条件限制,暗渠的纵断面布置是本工程总体布置中的关键,为适应或不影响已有水利工程正常运行和效益发挥,设计中对暗渠纵断面布置的型式进行了大量分析比较和优化工作,采用了前段无压流和后段有压流的布置型式,纵断面布置见图2。
图2州河暗渠工程纵断面布置图2 暗渠纵断面布置需适应的现有水力条件暗渠工程起始于于桥电站尾水,电站依照用水调度采用"发电服从引水"的原则,分别采用1,2, 3台机组发电放水,下泄流量分别为16.3,32.6, 50 m3/s。在供水期间运用1台或2台机组发电供水,在为海河补水期间, 3台机组共同发电放水,因此,电站大部分时间采用1台和2台机组发电放水,电网调峰时采用2台,其他情况下采用1台机组。
白天和夜间电站运行台数不同,造成暗渠工程的水力运行条件变化多和频繁。为此,在本工程设计中,要求必须考虑不抬高电站各种运行工况下的尾水位并适应电站运行现状。其设计工况下的最大可利用水头为5.4 m,现有水力条件见表1。
暗渠纵断面布置需考虑的其他外在因素该地区农业经济比较发达,各类灌排渠系完备、密集且系统性强,基本与暗渠线路形成垂直交叉,其交叉形式选择使工程投资和灌排渠系运用之间形成对立,经过在经济、技术、运行管理方面的综合分析,确定了对大型河道暗渠工程以倒虹吸的方式穿越,对小型河道暗渠皆在底部穿越的原则。
这种布置形式需要暗渠必须有较大的埋置深度,同时,箱涵本身需要有足够的结构截面来承受较大的外部荷载,因此,结构设计中需要对不同形式的内外压力工况组合下的控制情况进行逐一分析,以确保箱涵结构不仅安全而且经济。
暗渠纵断面布置初拟及技术分析暗渠纵断面布置初拟,是以进口和出口的直线式连接最为简单。设计首先对该布置方案进行水力计算分析,根据分析得出的主要结论是:输水全部采用有压流运行模式,因淹没要求,前段埋置深度较大,工程投资会大幅增加。
为保证全线有压流运行,也可采用下游闸门节制的方式来抬高进口水位,进口淹没进流。由于电站流量变化相对频繁和流量值的相对不确定性,为维持电站尾水现状,易造成闸门经常性控制,这种技术理论上可行,但实际运用中很难做到。如果暗渠不采取闸门节制,明满流过渡分界点将在暗渠10 km处左右的2.5 km范围内变化。
