山地小集鎮(zhèn)大高差原水輸水管安全輸水設(shè)計(jì)

沈 權(quán)，施永生，王 琳，常新強(qiáng)

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650224）

大理州洱源縣喬后鎮(zhèn)集鎮(zhèn)供水工程近期（2020年）供水總規(guī)模為 2 000 m3/d，遠(yuǎn)期（2030年）供水總規(guī)模為3 000 m3/d；該工程水源為山箐水，位于羅坪山花椒箐，取水點(diǎn)高程2 767 m，集鎮(zhèn)水廠位置高程1 942 m，取水點(diǎn)至水廠高差有825 m；原水輸水管為DN150球墨鑄鐵管，長8 586 m。

1 原水輸水管管材選擇

原水輸水管線投資占據(jù)給水工程中很大一部分，同時(shí)也是事故多發(fā)部分，許多停水事故通常是由于管材選擇不合理引起的。此外，不同材質(zhì)的管材其水力特性也不盡相同，單位水頭損失的值也不相同，因此，在設(shè)計(jì)過程中合理選擇管材是保證輸水管網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行和穩(wěn)定的關(guān)鍵[1-5]。

由于該工程取水點(diǎn)位置高，管線高差大，針對(duì)這一主要特點(diǎn)，其管材比較見表1、表2。

1.1 管材技術(shù)性能必較

表1 管材技術(shù)性能比較Tab.1 Comparison of Technical Performance of Pipes

由表1可知（1）球墨鑄鐵管具有抗壓強(qiáng)度高、耐壓性能、耐腐蝕、韌性好、密封性能好；（2）千米水損中球墨鑄鐵管最高，達(dá)到55.7 m，可以有效地將沿程管路中富余水頭消耗掉，從而達(dá)到降低管路中動(dòng)壓的目的，使管路處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，提高輸水安全可靠性。

1.2 管材經(jīng)濟(jì)比較

表2對(duì)各管材進(jìn)行了比較。

表2 管材經(jīng)濟(jì)比較Tab.2 Economic Comparison of Pipes

由表2可知在相同條件下，球墨鑄鐵管的造價(jià)最低，比鋼管節(jié)約130.14萬元，比鋼絲網(wǎng)骨架PE復(fù)合管節(jié)省20.62萬元。考慮到該輸水工程高差大，須設(shè)穩(wěn)壓池，該輸水管材采用球墨鑄鐵管既徑濟(jì)又安全輸水的原則。

2 原水輸水管安全輸水設(shè)計(jì)

2.1 原水輸水管管徑確定

（1）水力計(jì)算公式的選擇

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013—2006）[6]，該工程原水輸水管道沿程水頭水力計(jì)算采用海曾—威廉（A.Hazen，G.S.Wi11iaIIla）公式：

式中hf——沿程水頭，m；

hj——局部水頭，m；

Q——流量，m3/s；

L——管長，m；

C——系數(shù),塑料管C=150，新球墨鑄鐵管C=130，混凝土管C=120，舊球墨鑄鐵管和舊鋼管C=100；

D——管徑，m。

（2）原水輸水管管徑比選

由表3得知（1）DN150管的水頭損失最大，總水頭損失達(dá)到526.32 m，比DN200管多消耗水頭409.21 m，在滿足輸水能力情況下，優(yōu)先選擇小管徑，以降低輸水管風(fēng)險(xiǎn)性。（2）在同等條件下，DN150球墨鑄鐵管造價(jià)要比DN200 球墨鑄鐵管節(jié)省53.28萬元。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后該工程原水輸水管管徑全程采用DN150。

表3 管徑比選Tab.3 Comparison and Selection of Pipe Diameter

2.2 穩(wěn)壓池與調(diào)節(jié)水池的設(shè)置

無論采用DN150球墨鑄鐵管還是DN200球墨鑄鐵管，其最后到達(dá)水廠前的富余水頭都超過200 m，從安全輸水角度考慮，采取分段減壓，在沿途設(shè)置穩(wěn)壓池與調(diào)節(jié)水池。

為了充分利用水源水頭，采用全重力輸水，根據(jù)地形起伏高差，經(jīng)過相關(guān)水力計(jì)算后，最終確定分別在管樁號(hào) K0+914、K1+862、K2+764、K4+725、K5+652、K6+634處以及管樁號(hào) K7+442位置設(shè)置7座 50 m3穩(wěn)壓池；在管樁號(hào)K3+753位置設(shè)置1座100 m3調(diào)節(jié)水池（見圖1），該方案可以大大降低管路中靜水壓力和動(dòng)水壓力（見表4），保證管道的正常運(yùn)行。

2.2.1 穩(wěn)壓池設(shè)計(jì)

由圖1和表4可知設(shè)穩(wěn)壓池后 K0+000至K8+586各管段最大靜壓值降為0.92 m，最大動(dòng)壓值減為0.38 m，每一管段的靜壓值都不超過1.0 MPa，設(shè)計(jì)中采用承壓值相對(duì)較小的球墨鑄鐵管就可以滿足安全輸水要求，這樣不僅可以節(jié)約管材成本而且可以提高安全輸水性。

該工程中采用鋼混結(jié)構(gòu)的方形穩(wěn)壓池（見圖2），占地面積少。該穩(wěn)壓池頂板上設(shè)有通風(fēng)帽、通風(fēng)管可以與大氣連通。穩(wěn)壓池的設(shè)計(jì)尺寸為3.9 m×3.9 m×3.3 m，進(jìn)水管距離池底2.45 m，水墊厚1.45 m，距頂板0.85 m，池壁厚250 mm。

圖1 原水輸水管水力坡降圖Fig.1 Hydraulic Gradient of Raw Water Conveyance Pipeline

表4 設(shè)穩(wěn)壓池前后主樁號(hào)處水壓值對(duì)比Tab.4 Comparison of Pressure Values for Main Tubular Pile before and after Setting Water Pressure Regulating Tank

2.2.2 調(diào)節(jié)水池設(shè)計(jì)

由于該輸水工程屬于單管線輸水、部分管道明管敷設(shè)以及一些不確定的因素?？紤]其輸水安全性，在K3+753處設(shè)置一座調(diào)節(jié)水池。該水池不僅可以起到減壓作用，而且同時(shí)可以起到調(diào)節(jié)水量作用，可進(jìn)一步提高輸水的可靠性。其結(jié)構(gòu)與穩(wěn)壓池設(shè)計(jì)相同（見圖2），設(shè)計(jì)尺寸為5.6 m×5.6 m×3.3 m。

綜合圖1、2可知由于兩個(gè)水池之間的距離一般都控制在1 km左右，且穩(wěn)壓池與調(diào)節(jié)水池同時(shí)具備排氣與排泥的功能，因此本設(shè)計(jì)優(yōu)化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上在每隔1.5～3 km設(shè)置排氣閥和排泥閥，從而減少排氣閥和排泥閥設(shè)置數(shù)量，使工程施工管理更方便。

圖2 穩(wěn)壓池、調(diào)節(jié)水池立面圖Fig.2 Elevation Drawing of Water Pressure Regulating and Water Adjusting Tank

2.2.3 閥門設(shè)置

（1）檢修閥設(shè)置

結(jié)合本工程的實(shí)際輸水特點(diǎn)及相關(guān)規(guī)范，本次工程設(shè)計(jì)中本著設(shè)置檢修閥門數(shù)量既少又能滿足工程需要的原則在每5～10 km布設(shè)一處，且靠近道路旁，方便操作，有利于管道分段檢修，以保證輸水安全性。

（2）泄水閥設(shè)置

在沿線低處布設(shè)自動(dòng)泄水閥，根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》，本工程中自動(dòng)泄水閥直徑選用DN35，當(dāng)管路系統(tǒng)的壓力降低到一定數(shù)值時(shí)，該閥自動(dòng)排泄管道內(nèi)的水，以避免結(jié)冰造成損害。

本設(shè)計(jì)綜合考慮在K0+900和K8+000處設(shè)置檢修閥和泄水閥。

（3）排氣閥設(shè)置

在壓力管道的隆起點(diǎn)或閥門檢查井的下端上設(shè)置排氣閥，用以排除管內(nèi)積聚的空氣，并在管道需要檢修、放空時(shí)進(jìn)入空氣，保持排水通暢；同時(shí)在產(chǎn)生水錘時(shí)可自動(dòng)進(jìn)入空氣，避免管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。本設(shè)計(jì)中根據(jù)沿線實(shí)際地形在沿線上K0+910、K2+760、K4+720、K6+630、K8+580 設(shè)置了 5 個(gè)復(fù)合式排氣閥，進(jìn)一步提高輸水整體安全性。

3 結(jié)論

云南省小集鎮(zhèn)原水輸水管道的設(shè)計(jì)多數(shù)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，輸水高差大。結(jié)合洱源縣喬后鎮(zhèn)輸水管道設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為在對(duì)云南省小集鎮(zhèn)原水輸水管管道安全輸水設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

（1）若原水輸水管高差較大時(shí)，應(yīng)在輸水管線上設(shè)置穩(wěn)壓池，將沿程靜壓降到最小，既保證安全輸水又降低原水輸水管網(wǎng)投資。

（2）在滿足設(shè)計(jì)輸水量時(shí)，應(yīng)選擇小管徑輸水，最大限度地消耗管路上的水頭，減少穩(wěn)壓池的設(shè)置個(gè)數(shù)。

（3）在進(jìn)行穩(wěn)壓池設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，在管路的適當(dāng)位置設(shè)置調(diào)節(jié)水池，以達(dá)到既能控制管網(wǎng)水壓，又可以調(diào)節(jié)水量，從而進(jìn)一步提高原水輸水管的安全輸水性。

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［6］GB 50013—2006,室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].