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城市供水

上海市青草沙水源地原水工程

  一、项目基本情况
  为了改善饮用水原水水质, “十一五”期间上海市重点建设青草沙水源地原水工程。青草沙水源地原水工程设计原水输水规模为719万m3/d,建成后受益人口将超过1000万,是上海市重大民生工程之一。
  本项目属城市给水工程领域,包括青草沙水库工程、长江原水过江管工程、陆域输水管线工程三大主体工程,总投资160亿元。原水经青草沙水库出库,采用重力流输水方式,先由2×5500输水盾构至过江管长兴岛工作井后,经2×5840过长江输水盾构输送至浦东五号沟工作井,再经2×5500输水盾构到五号沟泵站。自五号沟泵站之后的陆域输水管线工程包括严桥支线(440万m3/d,27.07km,2根DN3600钢管)、凌桥支线(70.4万m3/d,19.10km,1根DN2200钢管)、金海支线(208万m3/d,8.7km, 2根DN2800钢管)、南汇支线工程(128万m3/d)和黄浦江上游改造工程(440万m3/d)。
  项目成果在实现项目建设、降低施工风险、避免运行事故、保障供水安全、提升资源集约等方面产生了显著的社会环境效益;与十余家设计、施工和建设单位以及中科院、高等院校和国家工程中心等单位紧密合作,成为产学研典范,带动了水力、土木、机械、材料和自动化等学科的交叉研究,促进了跨学科与跨行业技术的发展,全面提升了企业自主创新能力、技术设备集成化水平和在国内外的核心竞争力。

  图1 五号沟泵站工程全貌
  二、技术先进性
  针对城市供水大型输水工程系统安全运行要求高、能耗大、工程建设涉及地域广、用地紧张、环境约束多以及施工与风险控制难度大等难点,通过理论研究、科技攻关以及工程实践,重点研究了确保系统安全运行的水锤快速消除与控制技术、大型输水泵站集约布置与水力优化以及机组节能配置技术、深大输水泵站与非开挖大口径长距离管道结构安全以及风险可控的高效与精准施工技术。本项目形成4项核心技术,授权和申请专利21项(授权发明9项、实用新型4项)、工法1项、软件著作权3项、专著1部、论文27篇(EI收录13篇),并首次进行工程示范和推广应用。经国家一级科技查新咨询单位水平检索及查新,项目在输水水泵效率、输水泵站综合单位电耗、输水泵站单位建设用地指标、直径3.6m钢顶管完成小曲率半径顶进等方面优于同类国内外技术,总体技术达到国际先进水平,其中在大口径钢顶管小曲率半径曲线顶进等技术居国际领先地位。
  表1国内外同类研究、同类技术的综合比较对比

序号

本成果

国内外水平

1

提出了城市化地区平坦地势下以管道埋深设置单向稳压塔技术

仅有水利工程中利用高地势设单向稳压塔的案例。

2

大型输水泵站建设用地88m2/(万m3/d),低于行业标准《城市给水工程项目建设标准》(建标120-200955

行业标准《城市给水工程项目建设标准》(建标120-2009160 m2/(万m3/d)。

3

输水泵站综合单位电耗319kW·h/km3·MPa)低于2020年规划目标值10%,水泵装置效率87%。

建设部2020年综合单位电耗规划目标值350kW·h/km3·MPa)。经查新检索,《World Pumps》等混流泵效率最高不超过84%。

4

双向受压隧道采用单层衬砌,衬砌结构厚450480mm

埃及穿苏伊士运河工程与南水北调中线穿黄工程等国内外类似项目均采用双层衬砌有压隧道。国内外未见采用单层衬砌的双向受压隧道。

5

过江隧道一次性掘进7.2km,最高日推进28.5m,月推进652.5m, 贯通误差小于30mm

在中等直径盾构隧道范畴,一般隧道长度小于5km,未见与本工程项目类似文献报道

6

DN3600钢顶管曲线顶进曲率半径880m

经查新检索,国际上该口径曲线顶进的曲率半径,尚无工程实践。国外理论研究中DN3600的曲率半径最小为1140m

  依托本项目的科研成果“城市供水大型输水工程关键技术与示范应用”获得2014年度上海市科学技术奖一等奖,并先后获得中国施工企业管理协会2012-2013年度国家优质工程金质奖、国家工程建设质量奖审定委员会2013年度全国工程建设项目优秀设计成果一等奖。

  图2 长江原水过江管工程5500直径盾构内景

  图3 五号沟泵站工程132m×89m×27m超大超深基坑施工

  图4 严桥支线工程DN3600钢管顶管施工
  三、运行成效
  为满足城市供水持续、安全、稳定和经济运行的功能需要,围绕运行安全、运行能耗与设施占地、压力输水管道结构、超长距离大口径输水管道和深大输水泵房施工等核心问题,形成利用工作井的平原城市化地区单向稳压塔水锤快速消除与控制技术、数模与物模交互优化的大型泵站整体水力条件及设备配置优化关键技术等,显著提高可靠安全性,符合资源节约、节能减排的低碳要求,顺应高效化、集约化、产业化的行业发展趋势。
  提出了数值仿真和物理模型试验交互优化的理念和技术,以数模快捷有效地仿真,在可信精度内解决了快速确定泵站形式以及泵站总体和局部的布局初步优化。开发水泵配置和节能运行软件的计算分析,动态寻优投资与运行综合成本最优的方案,应用于设计和运行过程的设备配置和节能调度。采用ANSYS workbench遗传寻优算法从水力学方面优化了串联增压泵站母管管径,提出了较佳转弯角度、转弯半径。
  五号沟大型输水泵站建设用地88m2/(万m3/d),低于行业标准《城市给水工程项目建设标准》(建标120-2009)55%;水泵装置效率87%,综合单位电耗319kW·h/(km3·MPa)低于2020年规划10%;经过曲线顶进和线路优化,各支线设计优化后,减少41座顶管井,施工用地节省约3.7万m2,节省投资9900万元以上;管道串联增压应用于金海-南汇支线后年节电460万kW·h;优化南汇北之后的支线输水条件后,取消南汇泵站,年节电210万kW·h。

  图5 五号沟泵站物理模型