南水北调中线一期穿黄工程南岸Ⅰ标施工排水系统设计

□孟庆亮（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1 概述

1.1 工程概况

南水北调中线一期穿黄工程南岸Ⅰ标（以下简称穿黄Ⅰ标）位于郑州市以西约30km处，明渠起点为河南省荥阳市王村乡王村化肥厂南，终点为黄河南岸退水洞，全长约5 km。穿黄Ⅰ标为典型的深挖方渠道，开挖深度20～50 m，沿线地下水位均高于渠底板，需采取人工降水措施。

穿黄Ⅰ标工程地貌特征为邙山黄土丘陵台地，由于黄河的侧向侵蚀作用，邙山北坡陡南坡缓，北侧临黄河一面自然坡度一般在40°左右，而南侧自然坡度一般在2°～3°。邙山岭南为宽广平缓的冲积平原区，地面高程130～140 m，平均自然坡降2%～4%，呈由西北向东南逐渐降低趋势。

1.2 排水通道调查

现场查勘、走访后分析认为，受征地、赔偿、地方政府配合等方方面面条件限制，水流排向东、西、南3个方向的可能性不大，可供选择的方位就是北侧的黄河。而工程区域内地形呈由西北向东南逐渐降低趋势，向北自流排水不可能，以动力的方式泵抽输水成为唯一的选择。

沿工程征地线朝西北方向铺设管道将水直接输入黄河的途径因提水扬程高（40m高差）、邙山北坡管道铺设困难、水流出口消能费事费力而被放弃。通过调查及对灌区干渠测量资料分析发现：李村灌区的干渠、渠首泵站可作为排水通道。

2 排水方案比选

2.1 沿线集水方案比选

2.1.1 明沟集水

石化路以东段地势平缓，总高差约7 m，可分别在渠道两岸K0+500～1+950及K2+000～3+000段修筑排水明沟，地下水自流至明沟端头的集水井，泵送入主泵站内（主渠道与李村南干渠交出处）；

本方案的特点在于：运行维护简单，能兼排雨水；需在石化路以东段设置中转泵站，增加运行成本；对下基坑道路布置有一定影响。

2.1.2 压力管道集水

在渠首处设泵站，沿石化路以东段渠道两岸敷设压力钢管道，间隔20～30 m设进水口，泵送主泵站内。

本方案的特点在于：管道长达3 km，水头损失大，运行费用高。系统运行复杂，可靠度略低。降水井水泵向管道内排水时需带压注水，扬程增加。需另外修建排雨设施。

2.1.3 无压管道集水

沿石化路以东段渠道两岸安装0～8 m高的支架，并架设PVC管道，间隔20～30 m设进水口，自流入主泵站内。

本方案的特点在于：自流速度低，需使用较大直径管道，前期投资大。运行稳定可靠，费用低廉。施工干扰大，需另外修建排雨设施。

经综合比较，认为明沟集水方案全寿命费用较低，运行简单可靠，采纳为设计方案。

2.2 主排水通道比选

2.2.1 方案1

在南干渠与石化路交点的西侧起，沿西北走向紧邻征地线一侧暗敷输水钢管至北干渠，将南干渠内的积水抽排至北干渠。北干渠内壅水高度超过0.20 m后，即倒流至分水口，后流入西干渠，通过敷设的输水钢管将水导入南干渠检查井，最终经南干渠隧洞、李村电灌站泄入黄河。

2.2.2 方案2

自南干渠与石化路交点的西侧起，沿南干渠敷设钢管至南干渠隧洞出口，泵压水至南干渠隧洞内，经李村提灌站自流排入黄河。

两个方案的主要技术经济指标比较如表1所示：

表1 主排水通道方案比较表

由表1可见，方案1的总体费用高于方案2；方案1施工难度较小，人为干扰因素小，可靠性比较高。考虑到本工程对排水可靠性的特殊要求，推荐方案1。

3 排水设施设计

3.1 设计排水量

3.1.1 施工降水

假定干扰井单井标准出水量为2m3/h，按沿渠两岸布置降水井，井间距20m计算。渠道全长约5km，降水井总出水量约1000 m3/h，考虑到渠道施工有一定的先后次序，以及干扰井出水量随抽水历时延长而逐渐减小等因素，降水井出水量可按800m3/h估算。

3.1.2 生产、生活废水

生活营地设计高峰期人数约800人，以综合人均用水量120 L计算用水量，考虑不均衡系数后，每小时污水排放量约10 m3。生产废水主要为混凝土养护用水和拌合站清洗废水两类，考虑不均衡系数后，每小时污水排放量约20 m3。两项合计，高峰时段小时排水量约30 m3。

3.1.3 雨水

按小流域面积公式计算，以单次降雨量100 mm计，径流系数按非铺砌土地面取值为0.30，则径流总量约6万m3。降雨产生径流具有历时短，流量大的特点，为此修建大流量排放通道并不经济，可利用渠道分段施工特点，在渠道内短时间蓄水。以暴雨发生后的4～5 d内排除为准计算，暴雨后每小时排水量约500～625 m3。

以上三项合计，每小时排水量为1330～1455 m3/h，设计排水量应确定为1500 m3/h。

3.2 输水干管

输水干管南起主泵站，北至李村北干渠，管道全长约1.73 km，设计输水量约为1500 m3/h，沿征地线暗敷，最小覆土厚度约0.40 m。

3.2.1 经济管径

经济管径根据管道基建投资和运行费用两个方面确定，首先按经验公式计算管径。

式中：D：输水钢管直径；Q：水泵设计流量，m3/h。

同时，选取管径为500 mm和600 mm进行比较，比较结果见表2。

表2 经济管径比较表

由于输水系统运行时间长达3.50 a，运行费用远远超出管路投资。经综合经济分析比较，最终选定管径为600 mm。

3.2.2 管壁厚度

按明敷钢管在事故停机管内出现真空情况下，使用经验公式计算最小厚度。

由于输水钢管符合低扬程、长管道、大管径的条件，而且本工程属临时设施，参照当地李村电灌站的运行经验，最终确定管壁厚度为3.50 mm。经焊缝验算，符合要求。

3.3 水泵

3.3.1 扬程计算

H=Hst+Hg+Hc

各泵站设计扬程计算结果如表3。

表3 水泵设计扬程计算成果表

3.3.2 水泵选型

1#、2#泵站具有低扬程，大流量的特点，选择混流泵比较适宜，为避免单台机出现故障后对系统运行造成严重影响，每个泵站配置2台同型号水泵。主泵站扬程较高，流量分阶段逐步增加，选配4台离心泵，其中1台备用，并配置真空泵，以便于快速启动。水泵选型结果见表4。

表4 水泵选型成果一览表

4 结论

穿黄Ⅰ标施工排水系统自2006年初投入运行以来，系统运行稳定可靠，满足工程施工需要，可为同类工程所借鉴。汛期降雨产生的径流水质较浑，容易淤积渠道及泵房进水池，还没有一个较好的解决办法，需要对系统进行改进。挖方型渠道、公路施工时，应妥善设置工区排水系统，在保证运行可靠的前提下，应比永久工程设计有所简化。