1地質

工程穿越區地處內蒙古高原向華北平原的過渡帶，位于陰山山脈東段支系大馬群山和燕山山脈北側余支交匯部位，屬于冀西北山間盆地單元的火山巖及古老變質巖隆起形成的中、低山及沖蝕黃土峁、黃土臺地地貌小單元，山脈走向多呈北東向，山體多為渾圓型，個別呈陡峻的倒“V”型。表層覆蓋碎石土、黃土、黃土狀土、輕粉質壤土、植被土等地層。管道沿線溝谷山地相間，一般溝谷多呈“U”型，溝寬3～150m，相對溝深20～180m。地層巖性主要為：①太古界桑干群（Ars）；②太古界桑干群（Arh）；③燕山期花崗巖（γ25）；④侏羅系張家口組（J3z）；⑤第四系上更新統坡洪積（Q3dl+pl）；⑥第四系全新統坡洪積（Q4dl+pl）；⑦第四系全新統沖洪積（Q4al+pl）。工程穿越區主要跨越兩個Ⅳ級構造單元，為一級構造單元中朝準地臺（Ⅰ2）、內蒙臺背斜（Ⅱ12）、Ⅲ級構造單元分別為冀北陷斷的Ⅳ級構造單元驛馬圖—貓峪臺凸，以及山西臺背斜（II級）之冀西陷斷的宣龍復式向斜（IV62）的崇禮凸起。兩個II級構造單元的分界線以尚義—赤城深斷裂為界。工程穿越區屬溫帶大陸性季風氣候，常年風多雨少，氣候變化無常，多年平均降水量426.8mm，大部分集中在6～9月，多年平均氣溫7.5℃。管線沿路標準凍深1.5～2.3m，山陰坡局部地段最大凍深可達2.5m。

2工程設計

本工程供水對象重要性屬中等。根據SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》的規定，并根據工程的重要程度，確定工程等別為三等，相應的管線、泵站等建筑物確定為3級，其他的附屬構筑物和次要建筑物為4級，地震設計烈度為7°。

2.1取水口設計

工程取水自云州水庫，云州水庫位于張家口市赤城縣云州鎮北3km處，距赤城縣城20km，系潮白河主要支流白河上的一座以防洪為主，結合灌溉、發電的大（II）型水利樞紐工程。水庫大壩位于兩山中間，兩岸山勢陡峻。庫區呈“Y”字形，被中間山丘分隔成左（東）、右（西）兩個庫區。供水目標位于水庫以西，大壩右岸附近山勢陡峻，大壩上游600m以上右庫岸地勢相對平緩。結合云州水庫地形情況，取水口位置考慮3個方案。

2.1.1方案1

利用云州水庫主壩下部的發電輸水洞新設取水豎井，豎井內設置檢修閘門，供電站和工作閘門使用，豎井處地質為弱風化花崗巖。在豎井內閘門前的側壁上設洞口并開挖850m長隧洞引水至一級泵站，隧洞圍巖為弱風化花崗巖，級別為Ⅲ級。直接費1700萬元。工程布置相對復雜，需設置豎井與發電輸水隧洞連接，后再設引水隧洞。該方案投資小，受水庫水位及沖淤變化的影響小，施工條件相對便利，工期較短，且不需設置圍堰。但運行管理需與水庫調度管理交叉，管理不方便，且豎井位于右壩肩，豎井施工爆破對壩肩有一定影響。3.1.2方案2將取水口設在庫區內一沖溝匯入處，采用隧洞式取水口，泵站布置在岸邊，通過設置引水箱涵連接取水口和泵站前池，地層以碎石土為主。為施工方便，利用引水渠將泵站前池與庫區連通，先行施工泵站附近工程，利用泵站部分與庫區間的岸坡作為圍堰，待泵站主體工程完工后，再根據水位降落情況陸續開挖引渠。直接費2500萬元。該方案工程布置相對簡單，運行管理明確，與水庫管理交叉少。但取水口受水庫及沖溝淤積影響嚴重，且不具備沖沙條件，施工中受水位影響大，引水渠開挖和襯砌仍需布置圍堰，沖溝處水保措施復雜。

2.1.3方案3

將取水口設在庫區內，采用壓力墻式進水口，泵站布置在岸邊，通過開挖岸坡形成進口段，進口段與泵房間設進水室，進水室內設置檢修閘門、攔污柵及格網，地層以碎石土為主。為滿足施工要求，按正常蓄水位高度修筑施工圍堰。直接費2100萬元。該方案取水口避開沖溝，受淤積及沖溝洪水影響小；取水口結構簡單，施工難度小；工程區相對獨立，施工對水庫影響最??；運行管理單一，隸屬關系明確，管理方便等。最不利因素為圍堰填筑，但結合開挖可采用筑島圍堰法加快施工進度。經綜合比較，取水口確定為方案3，即岸邊式泵站。

2.2泵站級數確定

按照CECS193—2005《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》，當水泵加壓總揚程大于90m時，應通過技術經濟比較，選擇加壓級數。根據地形條件及總體布置，分水口位置高程1356.0m，與取水口最低水位1026.67m相比，揚水干管幾何高差329.33m，需設置多級泵站。揚水支管揚至滑雪場，末端高程2055.0m，與分水口高程相比，幾何高差699m，需設置多級泵站。單級泵站揚程根據管道現有技術條件、供水對象、運行情況等因素確定。根據現有技術條件情況，單級泵站揚程在100m左右是安全且經濟的。從供水對象上分析，干線泵站供水對象重要性及要求的安全系數相對較高。支管供水對象只有滑雪場，供水對象單一且為間歇引水，有充足的檢修時間，安全系數可相對低些，且幾何高差較高。從運行管理角度分析，泵站級數越少，管理越方便，泵站工程投資越少。同時，考慮運行檢修的方便及備品備件的綜合使用，多級泵站的揚程接近甚至一致是最利于運行管理的。綜合分析，結合工程線路選擇，并考慮泵站站址的局限性，確定干線設4級泵站，支線設6級泵站。

2.3隧洞布置

管道沿線需穿越幾個小分水嶺，若沿山體鋪設管道則會增加泵站揚程，且水錘作用大，不安全也不經濟。因此，在線路選擇時布置了3條隧洞，其中揚水干線布置2條，揚水支線布置1條?？紤]工程的運行安全和施工空間要求，均為無壓隧洞，縱坡為1/5000。隧洞采用城門洞型，為減少滲漏，過水斷面均采用鋼筋混凝土襯砌，標準斷面襯砌后隧洞寬1.8m。揚水干線兩條隧洞分別長6.02km和1.24km，揚水支線隧洞長0.92km。揚水干線1號隧洞最長，且山體高厚，隧洞布置成直線則不具備布置施工支洞的條件。根據多次踏勘，在樺嶺溝位置處有一沖溝，洞頂埋深小，具備布置施工支洞或出露地面的條件。為了加快施工進度，1號隧洞在進、出口間以折線布置，隧洞長5.9km，連接涵洞長120m。此布置雖使隧洞長度增加200m，但施工最長進洞長度由2.9km減小到1.5km，工期和施工費用大大減小。隧洞進、出口盡量選擇在了土體自穩條件較好、挖方量小、汛期安全的地段，并采用明洞、管棚等保護措施后進洞，同時采取洞臉噴錨和漿砌塊石護坡等加固措施，做好洞臉及地面排水、洞口防洪等設施。根據地形地質條件，經多次比選，除揚水干線1號隧洞進口為土洞外，其他洞口均為巖石洞口，洞口采用噴錨支護。

2.4調壓塔的設置

干線1號隧洞出口設計水位1279.51m，后接3053m長DN800mm管道至干線4級泵站，根據地形條件，水泵中心高程確定為1263.5m。為防止溢流并充分利用水頭，4級泵站內不再設置清水池，直接利用1號隧洞做為泵站的前池。由于吸水管長，類似于一個串聯泵站，根據GB50265—2010《泵站設計規范》中第9.1.8條“串聯運行的水泵，其設計流量應接近，串聯運行臺數不宜超過2臺，并應對第二級泵的泵殼進行強度校核。”的要求，經咨詢水泵廠家，泵殼吸水側最高承受的水頭為30m，經計算，停泵時吸水管內的最高壓力水頭大于允許值，因此，此種布置運行不安全。為了解決此問題，在干線4級泵站內設置了溢流式調壓塔，將吸水管長度變為60m，降低了吸水管內的水錘壓力，保證了水泵的安全運行。調壓塔為鋼筋混凝土矩形結構，尺寸為6m×8m×13.5m（寬×長×高），積600m，塔內設置溢流口，溢流水位1281.75m，溢流后的水通過DN800mm管道排至廠區外。

2.5水錘分析與防護

本工程的特點是長距離、高揚程，且地形起伏大，單級泵站揚程96～142m，因此，水錘分析與防護是工程設計中的重點和難點。設計中運用BentleyHammer水力計算軟件進行了全過程的水力過渡分析，對管道系統進行了突然停泵、啟泵、正常運行等工況的水錘計算。通過計算可知，停泵工況水錘影響最大，無水錘防護措施情況下，管道水錘升壓、管道負壓、水泵最大反轉數大于規范要求值，不滿足要求；且局部段管道存在發生斷流和斷流彌合水錘的可能。最終確定了由大容積立式內膽式水錘消除罐、多功能水泵控制閥及進排氣閥等組成的水錘防護系統。尤其是大容積立式內膽式水錘消除罐在我省水利工程中的使用尚屬首次。為保護水泵，泵后均安裝逆止閥。常用的有多功能水泵控制閥和液控蝶閥?？紤]水泵出口管道直徑較小，為DN300～DN500mm，液控蝶閥或液控偏心半球閥都存在著費用較高、需設液壓站及閥門尺寸大等缺點。綜合比較，泵后逆止閥采用多功能水泵控制閥。進、排氣閥采用氣缸式全壓高速進、排氣閥。立式內膽式水錘消除罐的用途是為了防止水錘壓力及水位波動對供水系統的危害，使輸水系統平穩地從一個狀態過渡到另一個狀態，當發生水錘輸水管內壓力升高時，罐內空氣被壓縮，起氣墊作用；當輸水管內形成負壓時，向管道補水。

由于大體積的產品國內目前不能生產，所以采用了從法國Charltte公司進口的內膽式水錘消除罐，單體的部件包括鋼制罐體；內置的丁基橡膠制成的內膽（符合飲用水標準）；內膽防護格柵，通過法蘭與管道連接。特點為密閉容器，無污染，無需人工管理和維護。運行過程為：①罐內預充氣體，其初始壓力符合水錘計算結論（可使用壓縮空氣或壓縮氮氣）。在此階段橡膠內膽的內部容積為零。②當連通閥開啟后，水進入罐內同時壓縮罐內空氣的體積，直至罐內壓力與管道壓力達到平衡。③在發生停泵水錘時，橡膠內膽中儲存的水必需立即在橡膠彈力的作用下快速注入管道，以避免管道內形成負壓。④在水錘的第二階段，水在管道內倒流時，內膽式水錘消除罐會在罐內氣壓和橡膠內膽彈力的緩沖下，以合理較慢的速度吸入管道內的水，吸收管道內回流水柱的能量，防止出現回流水柱沖擊管道或止回閥，造成管道內發生瞬間壓力大幅度躍升的事故工況。⑤根據水錘分析報告和水錘消除方案選定內膽式水錘消除罐的預設壓力、罐內容積和橡膠內膽的彈力，以保證在水錘事故工況下防護方案的充分有效，避免發生水錘事故破壞泵站，管道及其他設備。⑥由于泵站突然斷電的事故不可預知，水錘消除罐會實現免維護性能，即無需日常維修維護，并可以直接通過外置壓力監測設備檢查其是否處于正常工作狀態。

3結語

（1）云州水庫供水對象為灌區和電站，一般年份有棄水。本工程選用云州水庫作為崇禮縣滑雪場用水和張家口市區、東溝的補水水源，既解決了受水區的水源短缺問題，又提高了云州水庫水的利用效率。同時，作為滑雪場地的一項基礎設施，對2022年冬奧會的申辦具有重要作用。（2）工程位于張家口赤城縣和崇禮縣境內山區，地形、地質條件復雜，路由選定難度大，經多次沿線實地查勘，通過技術、經濟、運行管理及施工難易等多方面的比較，從5個方案中確定了最優方案。通過10級泵站和有壓管道、自流隧洞的有效組合，實現了將水提升1029m高的目的，工程布置經濟合理。同時也實現了河北省水利工程一個新突破，泵站級數之多，總揚程之大，在我省尚屬首例，在長距離、高揚程引調水工程設計中也具有一定的代表性。（3）通過內膽式水錘消除罐、調壓塔等新技術的使用，有效解決了高揚程、多起伏山區泵站的水錘防護問題，為類似工程提供了借鑒經驗。

作者：楊建中 單位：河北省水利水電第二勘測設計研究院