水利水电工程毕业论文-Y村灌区节水配套改造工程设计

-引言Y村灌区是运城市黄河引水多级灌溉渠，也是山西省重点中小型灌区之一。核心区的一级站位于黄河小北干流区Y村村西侧的黄河两岸。1974年开始建设，1990年代实施了东扩项目，后陆续进行了扩建项目。技术骨干泵站污水处理厂的运营规模为七个级别和七个站点，其中一条主干渠长6.784公里，两条南北干渠长7.768公里，两条南北干渠长19.418公里，22条支渠，全长58.848km，设计方案总面积10.97平方公里，地形水泵总扬程236.1m，安装23台发电机组，年总发电量10685kW。收益包括4个镇的34个自然村，灌溉区建成投产45年以来，极大地提高了当地农业生产水平，提高了农业保障能力，促进了灌溉区种植结构的调整。灌区居民收入显着增加，生活水平得到明显提高，农村集体经济获得了快速发展的态势，农业，畜牧业和社会发展的转型是社会发展的关键。但由于灌区农村农业快速发展，种植结构不断调整，农民用水积极性空前高涨，但是灌区泵站提水流量偏小，骨干渠道输水能力偏低，部分骨干渠道也需要轮灌运行，致使灌区效益得不到充分发挥。因此为改善灌区的输水系统和管理不良的状况，进行灌区续建配套和节水改造，是提高区经济和社会效益的重要途径。工程概况自然地理情况地形条件灌区位于峨嵋台塬上，表层土质由第四纪黄土(亚粘土)组成，地形由西北向东南倾斜，地面高程为450～580m，地面平均坡度为1/150～1/500。大多数土地平坦开阔，土壤肥沃，具有较好的光热土地资源，适宜农作物生长，发展农业生产前景广阔。气象条件该地区是干旱、半干旱的大陆性季风气候。全年受季风气候活动的影响。年平均降水量520毫米，年降水量极不均匀。6月至9月的降雨量占年降水量的60％～70％。年平均温度为11.5°C，最高温度为45°C，最低温度为-11.5°C。每年的蒸发量约为2000mm，无霜期天数约为210天。冻土层深度为0.45〜0.6m；干旱是灌区中最常见最严重的自然灾害。水资源情况灌溉区没有地表水可利用且地下水非常稀缺。地下水埋深在180～300m之间。它从东北流向西北。单井的涌水量约为25m³/h，仅能满足人类和动物的日常用水量以及少量的农业灌溉需求。近年来，由于每年的干旱，当地的地下水位平均每年下降1.5m，地下水已被严重过度开采。根据《水资源评价报告》，峨眉台地地下水可采量为7104万m³/年，目前开采量为7527万m³/年，利用率为106％，这是在过度开发。黄河流经灌溉区的西部，是灌溉区唯一可用的水资源。工程地质情况一至三级干渠及四级站地质Y村灌区枢纽一级站位于Y村西的黄河小北干流左岸，一级输水渠桩号0+000-0+560段底层为粘土层上，红黄色微白，呈坚硬半胶结状态，内含钙质结核，并混有轻亚粘土上部为人工填筑粉土；桩号0+0560-0+961段二级输水渠处于黄河一二级台地，地层为砂壤土与亚粘土层，砂层中有厚度不等的亚粘土层，色呈淡黄色、棕红色。三级输水渠地处峨嵋台地，为黄土地基。四级站位于G村以西150m，场地均为非自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为I级(轻微)。在自然地面以下15.0m范围内未见地下水。基坑开挖时临时坡比建议采用1∶0.3；永久边坡建议采用1∶0.75。地基处理采用原状土夯实法或换填垫层法，压实系数不小于0.95。天然建筑材料（1）砼粗骨料工程所用砼粗骨料场选在永济市城东涑水河谷内(永济粗骨料场)，有“永济～临晋”二级公路通过，交通便利。该料场正在开采中，岩性为花岗岩及变砾岩，岩性坚硬，属河流冲洪积块石、卵砾石经人工加工而成，岩性坚硬，质量很好。沿涑水河河谷宽约500m，长约5km，厚度4～5m左右，储量满足设计要求。（2）砼细骨料砼细骨料场选在下朝砂料场。该料场位于嵋阳镇下朝村北，沿公路通过，交通便利。砂料属涑水河冲洪积物，位于河流二级阶地上，料场面积8600㎡，上覆淡黄色砂壤土层，厚10～11m，目前正在开采中。砂层厚8～10m，上部2m厚左右颗粒较细，为细砂，中下部为中砂，颗粒均匀，砂质纯净，总储量为7.74万m³。料场质量符合要求。（3）块石料永济块石料场位于永济市城南的中条山脚下，主要通过沿公路运输，交通便利。岩性为花岗岩及变质岩，岩性坚硬，强度满足要求，储量丰富。（4）土料场工程建设所需的土料，可就近从工程附近的高垣处采取。灌区经济状况和发展规划社会经济情况该工程项目的受益包括L县的4个镇34个村庄。农业机械主要由大型拖拉机，三轮车和水稻收割机组成。原设计方案灌溉面积为5.87万亩，扩建后的工程设计方案灌溉面积为10.97万亩。Y村灌区各乡镇社经情况表见表2-1。近年来，随着农村产业布局的调整，农作物种植比例不断扩大，农民人均纯收入逐步增加。到2004年底，灌区人均收入约为6326元。区域发展规划灌溉区为L县主要粮棉和新鲜水果生产基地，L县又是全市的农业生产制造大县。运城市以占不足山西省七分之一的农业用地，却提供着全省50%以上的小麦，70%以上的棉花和60%以上的新鲜水果。L县占居着全市71.9%的农业人口数量，要完成小康社会的总体目标，最压根的是要发展趋势农业生产制造。在全市的农业灾害中以旱灾灾难比例最大。世界各国实践经验证明，发展趋势农业灌溉是抵抗大旱的最有效对策之一。Y村灌区改造的必要性及可行性工程建设的必要性由于水利工程是农业的基础设施建设，它能够为农业的现代化进程给予基础性支撑条件，为农业产品质量档次的提升和结构优化提供物质保障。随着社会发展的发展趋势，农作种植结构不断调整，经济发展高效率的农作物种植占比逐渐增加，规定适度适当灌溉才可以确保农作物商品的品质和生产量。而灌区地表水资源储藏量十分有限，已不能满足农作物灌水的需求。工程建设的可行性水源有保证黄河小北干流上游修建了多座多年调节的梯级水库，基本上控制黄河上的径流下泄，多年平均径流总量为271.9亿m³。枯水期多发生在12月份和翌年1月，最枯流量53.2m³/s。近年来，虽然黄河主流西移，一级站脱流距离达5～6km，但是该站斜上游修建引水渠10km，建设了零级二级浮船站，完全满足提水流量需求。电源有保证随着电力事业的发展，电力资源满足供应，泵站直接由专用变电站供电，保证程度高，且枢纽站与灌区提水点电源一致，提水和配水灵活方便。工程现状及现存问题Y村四级站始建1974年，安裝3台机组，在二十世纪八十和九十年代对污水处理厂的一部分机器设备进行技术改造和设备更新，灌区获得了很大发展趋势，供水市场持续增长，导致提出水量偏小，因此管理办自筹经费在厂房外临时搭建工棚，安裝1台2100m³/小时机组，可是目前工程设备已运作30很多年，提水设备、灌溉设备老化失修比较严重，水流量偏小，电力能源单耗较高，影响灌溉效益的正常发挥。此外，灌区2000年实施了东伸工程，一至三级干渠输水能力偏低，灌溉经济效益不能充分发挥，农作物灌溉得不到保证，达不到人民群众的用水要求，严重制约着灌区的发展。工程改造设计水土资源平衡分析灌溉水资源量灌区无地下水，地下水极其匮乏，第二次《水资源评价报告》峨嵋台地地下水可开采量为7104万m³/a，而现阶段开采量已达7527万m³/a，处在超采情况。黄河从灌区的西面穿过，据黄河龙门水文站数据分析，很多年均值总流量为609.5m³/s，主汛期多产生在7～8月份，主汛期较大洪峰流量21000m³/s(1967年8月11日)，一般年份洪峰流量4710～16400m³/s，枯水期多发生在12月份和第二年1月，最枯总流量53.1m³/s(1978年6月28日)，1986年～2006年平均径流量总产量为191.76亿m³。伴随着上游万家寨等多个梯阶水利枢纽的完工运作调节黄河水量，枯洪流量的峰值将有一定的调整，完全能达到该站提水和输水量的要求。灌溉设计保证率该灌溉工程所在地区属缺水地域，关键粮食作物以麦子、棉花和水果为主导，依据《灌溉与路面工程设计标准》GB50288-99中第3.1.2条的要求，灌溉设计方案保证率应是50～75%，充分考虑所在地区缺水比较严重，且为粮棉生产基地，而且伴随着乡村产业布局的调节和脱贫致富共同致富的要求，水果及农作物种植总面积持续扩大，对农作物的灌溉规定越来越高，则灌溉设计方案保证率取75%。灌溉水利用系数发展节水灌溉是设计方案的基本原则。灌溉渠系设干、支、斗三级固定渠道，各级灌溉渠系均采用砼衬砌防渗，田面采用小畦浇灌。依据灌区的管理能力和《节水灌溉技术规范》SL207-98中的第5.0.3条要求，渠系水利系数取0.76，田间水利用系数取0.85，灌溉水利用系数为0.65。作物种植比例灌区主要农作物以小麦、棉花、玉米和果树为主，随着农作物种植结构的调整，果树和经济作物的种植面积逐年增大。经现场调查统计，种植比例为：小麦25%、棉花30%、水果45%、复播15%。灌溉制度的确定灌溉制度包括灌水定额、灌水时间和灌水次数。根据运城市农业发展规划和全面建设小康社会的要求，灌区作物产量确定为：小麦400kg/亩，棉花60kg/亩、玉米450kg/亩、水果2000kg/亩。依据确定的作物产量，参考灌区现有的灌溉制度，结合当地群众的灌溉习惯和节水灌溉的措施，确定各灌区灌溉制度见表4-1。表4-1灌区P=75%灌溉制度表作物名称种植比例（%）灌水次数生长阶段灌水定额（m³/亩）灌溉日期（月、日）灌水天数（天）净灌水率（m³/s/万亩）始灌终灌小麦251冬浇5011.2012.18300.0482返青602.193.10200.0873灌浆554.205.10200.080合计16575棉花301播前503.013.15150.1162开花554.215.20300.0643吐絮507.208.13250.069合计15549水果451越冬5011.1012.8300.0872花前603.114.15350.0893花后505.015.24250.1044膨大507.168.04200.130合计21063玉米复播151播前456.106.19100.0782灌浆458.058.14100.078合计9020综合115合计198165灌溉用水量根据灌水过程计算设计工况下灌溉用水量，P=75%灌区灌溉制度指标见表4-2。表4-2P=75%灌溉制度指标表名称净灌水率m³/s/万亩净灌溉定额（m³/亩）年净灌水量（万m³）毛灌水率m³/s/万亩毛灌溉定额（m³/亩）年毛灌水量（万m³）数值0.24819821720.3813053345根据作物灌水时段的灌水率和灌溉面积，求灌区的设计流量。灌区设计灌溉面积10.97万亩。式中：Q=ΑQ—灌溉设计流量Α—灌溉面积q毛—计算得灌溉设计流量为4.18m³/s。灌溉规划灌区种植的作物如果要保持正常用水，请参考《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)中的第6.1.4条的规定。万亩以上灌区的干渠、支渠应按续灌方式设计，斗渠、农渠应按轮灌方式设计，必要时支渠也可按轮灌方式设计。轮灌组数宜取2～3组，各轮灌组的供水量宜协调一致。按照群众灌水习惯，灌溉方式采用总干渠对分干实行续灌，总干和分干对支渠实行续灌，支渠对斗渠、农渠均按分组轮灌，据此，确定各泵站基本情况详见表4-3。表4-3各泵站基本情况表站名控制面积（万亩）设计流量（m³/s）地形扬程（m）装机功率（KW）船坞水源站10.975.023.8424一级站10.974.1831.51540二级站10.974.18154.97020三级站10.974.1817.38870四级站8.223.1310.52740东伸一级站2.851.0915.9260东伸二级站1.830.7012.19185小计10.974.18248.3911168工程等别和标准本次改造一二级输水渠和三级总干渠改造2.58km，四级站拆除重建，提高灌区运行保证率。工程等别及建筑物级别根据《泵站设计规范》GB/T50265-97中第2.0.2条中的有关规定见下表：表4-4灌溉排水泵站分等指标泵站等别泵站规模分等指标装机流量（m³/s）装机功率（104KW）Ⅰ大（1）型≥≥Ⅱ小（2）型200～503～1Ⅲ中型50～101～0.1Ⅳ小（1）型10～20.1～0.01Ⅴ小（2）型<2<0.01泵站等别为III等，规模为中型，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物级别为5级。设计标准灌溉设计保证率为75%。根据《中国地震动峰值加速区划图》(GB18306-2001)，该工程地震烈度按VII度设防。防洪标准根据《泵站设计规范》GB/T50265-97中第3.1.1条的规定，泵站工程防洪标准为30年一遇设计，100年一遇洪水标准校核，渠道工程按10年一遇洪水标准设计。泵站改扩建工程泵站主要参数泵站主要参数见表4-5。表4-5泵站主要参数表参数站名泵站设计流量(m³/s)进水池水位(m)出水池水位(m)地形扬程(m)设计扬程(m)备注四级站3.13540.8552.9410.5212.79进出水管路水泵进出水管道的直径按《泵站设计规范》GB/T50265-97中规定的经济流速（进口处流速宜取0.8～1.0m/s，出口流速不应大于1.5m/s）确定。截面面积=流量÷流速，再根据截面面积求得管道直径。管道直径及长度见表4-6。表4-6管道直径及长度表站名泵型D吸（㎡）L吸（m）D出支（㎡）L出支（m）D并（㎡）L并（m）备注四级站20-SH287207.55256140019小泵800S-22B7207.58009大泵800S-22B10007.58005大泵机泵选型1、水泵电机性能参数见表4-7。表4-7水泵电机性能参数表泵型流量Q（m³/s）扬程H（m）效率η（%）转速N（转/分）轴功率N(KW)允许气蚀余量(hsm)配套电机备注型号功率N(KW)20-SH280.5612.880970886.3JS117-6115小泵800S-22B1.3115857402546.0Y500-8315大泵2、水泵工作点计算根据选择水泵的性能曲线和需要的扬程曲线求得各站工作点参数见表4-8。表4-8水泵工作点参数表运行方式流量Q（m³/s）扬程H（m）轴功率N（KW）泵效率η(%)装置效率（%）备注并联20SH-280.5712.79897970小800S-22B1.3526184.574.32大由表4-8知，实施后设计流量满足要求，装置效率符合规范要求。水泵安装高程和各部高程确定确定水泵安装高度，根据下列公式计算:H=式中：HS—为水泵在20ℎ吸—V12P大气γ表4-9不同海拔的当地大气压水头表海拔（m）−6000100200300400500600700Ha（m）11.310.3310.210.110.09.89.79.69.5海拔（m）800900100015002000300040005000Ha（m）9.49.39.28.68.17.26.35.5L县当地的海拔高程为360～400米，取最大值400米，大气压力取9.8mH2O。P气γ—水泵所抽液体温度的汽化压力。按夏季水温40表4-10不同水温时的汽化压强表水温（°C）5102030405060708090100Pe/γ（m）0.090.130.240.430.751.262.023.184.837.1510.33水温40°C时，取汽化压强0.75mH2O。据上式计算的水泵允许安装高度，应考虑到黄河水含砂量较大，为防止含砂水流影响水泵性能产生形成气蚀，保证水泵运行良好，考虑一定富裕。计算结果详见表4-11。表4-11水泵安装高程表单位：m泵站泵型允许吸上真空度(NPSH)r允许安装高度H允安实际安装高度H实安进水池水位水泵安装高程

四级站20SH-285.35.150.827540.8541.627800S-22B4.03.851.122540.8541.922工程设计（1）机组布置四级站现状厂房跨度为6.5m，长12m，机坑长10.5m，原安装20SH-28型水泵2台，20SA-22J型水泵1台，机组间距3.5m。本次将1#、2#机组更换成大机组，提水流量达到3.13m³/s，水泵选型为800S-22B型，电机为Y500-8型，功率为315kw。根据水泵机组尺寸，原厂房不能满足机组布置，为此考虑拆除重建。但是受地形限制，3台设备一列式布置，机坑高程为540.622m，水泵安装高程为541.922m，厂房总长27.5m，其中基坑长14.4m。进水池仍为侧向进水，出水池位置不变，侧向出水。（2）厂房主厂房为砖混结构，内外墙面均做水泥砂抹面，内墙仿瓷涂料，外墙普通外墙涂料，屋面采用SBS防水，红色大瓦覆盖。基础采用钢筋砼条形基础，下部为450㎡厚3:7灰基层。（3）压力管四级站将1#、2#机组更新为2台大流量机组，三台机组均并联后，经计算需安装一根φ1400㎡压力管，长19m，考虑管坡较陡，选用钢管。渠道改造工程设计一至三级输水渠和三级总干渠2.58km的改造，本次仍选用U型断面，采用现浇C20砼防渗。U型断面优点主要有：eq\o\ac(○,1)水力条件好，挟沙能力强，适于输含砂石水流。eq\o\ac(○,2)在冻胀性和湿陷性地基上有一定的适应地基不均匀变形的能力。eq\o\ac(○,3)渠口窄，不会增加占地。eq\o\ac(○,4)整体性强。渠道输水能力根据明渠均匀流公式计算:Q=ωC式中：Q—流量（m³/s）；ω—过水断面的面积(㎡)；C—谢才系数，C=R1/6，n为糙率；R—水力半径，R=ωi—渠道纵坡。计算得成果见表4-12。表4-12干渠尺寸及水力要素表渠道名称一级输水渠二级输水渠三级干渠桩号0+000~0+9310+000~0+4261+060~2+2902+290~3+640长度（m）931426123013502850结构形式U型渠U型渠U型渠U型渠半径R（cm）120120120120渠深H（cm）200200220210口宽B（cm）339339358349倾角α°20202525糙率n0.0150.0150.0150.015纵坡I1/10001/10001/25001/2500设计工况流量（m³/s）4.184.184.183.68水深（m）1.451.451.711.59流速（m/s）1.591.591.111.08加大工况流量（m³/s）5.005.005.004.40水深（m）1.561.561.881.76流速（m/s）1.631.631.161.12施工组织设计施工条件工程项目主要建设内容：1、一级输水渠加固改造961m；二级输水渠加固改造476m；三级总干渠改造2.58km；2、四级站拆除重建。气象条件本区属干旱半干旱大陆性气候季风，多年平均降水为500㎡，多年平均气温13°C,年平均最低气温-7°C，每年冬季长三个月(12—2月)，一月份天气最冷，多年平均风速3.1m/s，多年平均无霜期221.5天，最大冻土深0.45m。水、电、路及通讯施工用水可由四级站技术供水井或附近村灌溉井取水。施工用电由各级站或附近村接线。施工期间对外交通有“运—风”高速，“运—侯”高速和“运城—孙吉”的二级公路等，村级油路、机耕路和通往各级站的泥结石道路相互贯通，交通十分方便，施工期间通讯可利用各级站的程控电话机、对讲机和施工企业自备的通讯设备。建筑材料（1）主要建筑材料钢材、木材、汽油、柴油等主要材料可从运城购买，平均运距90km，水泥从河律市禹门口购买，平均运距70km。（2）地方材料建筑用的碎石、块石从永济市城南2～3的中条山脚下购买，平均运距85km，砂及其它地方材料可由当地购买，平均运距10km。施工有效工作日分析根据《L县地面气候资料》及《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303-2004)中的停工标准，本工程施工有效工作日为:土方工程:从2月中旬～12月中旬，全年有效施工天数267天左右。砼及浆砌石工程:从3月中旬～11月下旬，全年有效施工天数210天左右。施工组织措施施工管理机构本次改造工程的建设单位为Y村扬水工程管理处，根据目前国内建设领域的形势和发展趋势，建设单位必须成立项目法人，采用招投标方式确定施工企业，委托有资质的水利专业的监理公司负责工程改造的监理，以确保工程“投资、进度、质量”的控制得当，保证工程按时完成。施工队伍为保证工程质量，主体工程应由水利专业施工企业承担，并面向社会公开招标，择优选取施工队伍。主体工程施工四级站拆除和重建，一至三级输水渠和三级总干渠的翻新改造工程以及大型机组设备安装。施工时，严格按有关规范进行。土方工程以机械开挖为主，机械运输，机械压实。砼工程拌合采用0.4m³砼搅拌机，小平车运输，插入式振捣器振捣，模板采用组合式钢模。厂内机电设备的拆除和安装在吊车的配合下进行。施工进度计划及施工质量施工布置根据本工程特点，工程总工期一年，在保证工程质量和工期的前提下，充分发挥投资效益，按照施工均衡，全线开工，衔接合理，干扰少的原则安排施工进度。施工进度安排改造工程计划从2020年9月开工，到2021年8月全部完工。2020年9月前应做好施工准备，完成招标、“三通一平”工作。由于本工程属改造工程，为了不影响或少影响浇地，建议采取以下措施：在上水浇地期间，积极备品备科，做好施工准备工作，抓紧停水间隙，快速、高标准施工。扩大施工工作面，停灌期间，全面开工，以保证按期完成。工程分段，责任到人，做到有奖有罚，充分调动施工人员的积极性。工程质量、安全监督工程质量是工程施工管理中最主要的工作，没有精心施工、合理设计是达不到预期效果的，严把质量关，必须从材料入场抓起，一个工序，一个环节地检查验收。质量检查科必须制定成套的质检检测制度，并严格执行，确保工程质量。施工单位必须制定自检制度和各个工序的质检程序，注意与建设单位的质检机构的配合，共同为工程质量负责。施工安全是施工期间的一项重要工作，它包括施工现场的操作，用电，交通车辆，交叉作业，土石方坍等安全，注意雨情预报，施工期间必须建立安全操作规范流程，建设单位要制定安全检查制度和施工单位共同把好施工安全关。结论与建议结论Y村灌区提水设备、灌溉设备老化失修比较严重，水流量偏小，电力能源单耗较高，影响灌溉效益的正常发挥，因此，本文结合当地经济发展状况，研究并设计了Y村灌区节水配套改造工程，具体包括水土资源平衡分析、泵站改建工程设计、渠道改造工程设计。（1）通过分析现状条件下和项目实施后灌区的水土平衡，得到一、二级输水渠的灌溉设计流量为4.18m³/s，三级总干渠的灌溉设计流量为3.68m³/s。（2）对灌区的渠道和主要建筑物进行了改造设计，改造后渠道断面直径为2.4m，并且对渠道防渗衬砌也进行了改进设计，采用C20砼进行防渗。（3）对四级站厂房进行了扩建，扩建后厂房总长27.5m，原机组更换成大机组，增大了提水量，提水流量达到3.13m³/s。（4）项目区属地下水严重超采区,水资源平衡遭到较大破环,本工程以节水为目标,工程实施后每年可节约水量284.39万m',通过引入过境黄河水,可有效减少地下水的开采量,节约地下水资源,改善地下水漏斗情况。（5）渠道衬砌后,可加快水流流速,缓解灌区内上下游用水的紧张局面,农业用水纠纷将明显减少；引入信息化管理系统,加快灌区现代化进程,使水资源得到优化配置