景觀引水管線工程設(shè)計(jì)研究

□文/陳洪濤 王紹華 郭嘉镕 黃祥云

1 工程概況

我國南方某市大型景觀水系補(bǔ)水新建引水管線及附屬設(shè)施，為節(jié)省投資，未新建專用的取水和加壓設(shè)施，而是將現(xiàn)狀飲用水水源預(yù)處理場站作為補(bǔ)水水源，其出水水質(zhì)、流量及水量均滿足景觀水體水質(zhì)保障方案的要求。根據(jù)景觀水體水質(zhì)保障方案，采用間歇補(bǔ)水的機(jī)制，起點(diǎn)接自現(xiàn)狀預(yù)處理場站的壓力出水管道，沿途穿越河道、國道及市政道路等障礙物，最終排入規(guī)劃水系，管道總長約5 km。

2 管材選擇

引水工程中管道投資所占的比例很大，因管材選用不當(dāng)造成事故或增加不必要資金的教訓(xùn)很多，因此管材的選擇對工程投資、施工工期以及后期運(yùn)行具有重要的意義。目前我國用于引水工程的管材主要有鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管及球墨鑄鐵管。見表1。

表1 管材優(yōu)缺點(diǎn)對比

沿途穿越障礙物采用頂進(jìn)施工法，管材的選擇主要從投資、工期、供水安全性等方面綜合考慮進(jìn)行比選。

1）應(yīng)將明挖施工段和頂進(jìn)施工段作為整體考慮。由于頂管施工基坑造價較高，在頂進(jìn)施工段基坑數(shù)確定的情況下，選擇綜合造價（包含管材及施工費(fèi)用）較低的管材，適當(dāng)增加頂進(jìn)施工段長度對控制投資是有利的。

2）明挖施工段和頂進(jìn)施工段應(yīng)考慮采用不同管材。明挖施工段選擇標(biāo)準(zhǔn)長度大的管材既可縮短工期，又可減少管道接口提高供水安全性。但對頂進(jìn)施工段，因擴(kuò)大基坑尺寸對其造價影響較大且凈空有限，選用標(biāo)準(zhǔn)長度小的管材不僅有利于控制投資，還能縮短吊裝時間加快施工進(jìn)度。

不同施工段采用不同管材還應(yīng)考慮銜接的可靠性和便捷性，鋼管和球磨鑄鐵管的銜接需采用法蘭。對于引水管道，法蘭埋地后橡膠圈老化問題可能導(dǎo)致水質(zhì)污染；若將銜接法蘭設(shè)于構(gòu)筑物中，當(dāng)銜接段較多時會增加不必要的投資。

3）充分尊重當(dāng)?shù)亓?xí)慣做法可使施工質(zhì)量比較容易得到保證，同時物料采購也較為快捷。本工程明挖施工段采用鋼管；考慮到頂進(jìn)施工段不便進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，選擇安全性較好、造價相對較低的頂管專用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管；兩種管材間采用鋼制彎頭連接。

3 經(jīng)濟(jì)管徑與經(jīng)濟(jì)流速

對壓力流引水工程來說，在流量一定的情況下，如選擇小流速-大管徑的管材，則管道綜合造價較高，但因水頭損失相對較小，泵房投資和能耗均相對較??；相反，如選擇大流速-小管徑，則管道綜合造價有所降低，但水頭損失相對較大，泵房投資和能耗也相對較大。經(jīng)濟(jì)管徑與經(jīng)濟(jì)流速的選取應(yīng)綜合考慮管材造價、泵房建設(shè)投資以及運(yùn)行過程中的能耗費(fèi)用。

本工程利用現(xiàn)狀預(yù)處理場站出水泵房引水，無泵房建設(shè)投資，僅考慮管道造價和運(yùn)行的能耗費(fèi)用。在管道平面路徑及豎向高程確定，即總的沿程水頭損失系數(shù)及局部水頭損失系數(shù)不變的前提下，水頭損失與流量成正比。經(jīng)濟(jì)管徑與經(jīng)濟(jì)流速的選取主要考慮以下幾方面：

1）以出水泵房在補(bǔ)水流量下可提供的水壓作為前置條件，避免管徑過小水頭損失過大導(dǎo)致水壓不足；

2）考慮遠(yuǎn)期景觀用水補(bǔ)水流量增加的可能，對經(jīng)濟(jì)管徑的規(guī)格適當(dāng)放大，以免出現(xiàn)遠(yuǎn)期因水頭損失過大造成現(xiàn)狀泵房設(shè)備揚(yáng)程不足，更換水泵造成二次投資；

3）為防止管道因水錘現(xiàn)象造成事故，在沿線設(shè)置排泥閥和安全泄壓閥的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)流速應(yīng)≤3 m/s[3]。

綜上所述，按補(bǔ)水流量設(shè)計(jì)時，控制管徑使工程終點(diǎn)處留有一定余壓，作為遠(yuǎn)期補(bǔ)水流量增加時水頭損失增加部分的能量儲備，在工程終點(diǎn)前設(shè)置消能井以避免當(dāng)前對護(hù)坡及護(hù)底的沖刷；遠(yuǎn)期補(bǔ)水規(guī)模按消能井前處1～2 m水壓反算考慮并保證遠(yuǎn)期規(guī)模與當(dāng)前補(bǔ)水流量間有一定的梯度。

4 管道設(shè)計(jì)與運(yùn)行

4.1 給水優(yōu)先

以現(xiàn)狀預(yù)處理場站在正常提供飲用水水源能力外，還有景觀用水所需的流量、水量和水壓為前提。

兩根現(xiàn)狀出水管道可分別提供0.5Q（Q為景觀用水補(bǔ)水流量）的流量。為保證飲用水水源的供給以及兩根出水管各自流量，擬建管道從兩根現(xiàn)狀出水管道分別接出并在現(xiàn)狀出水管和擬建管道銜接點(diǎn)附近分別設(shè)置流量調(diào)節(jié)分配裝置及設(shè)施，之后匯合為一根總管，見圖1。

圖1 引水管道主要設(shè)施設(shè)置

1）日常補(bǔ)水時，以流量計(jì)1和2數(shù)據(jù)作為自控輸入信號（分別按0.5Q控制），實(shí)時調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥1～4，確保4條管路流量分配平衡；壓力傳感器1和2作為輔助信號，協(xié)助判斷實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)補(bǔ)水工況的一致性。

2）本工程是地表水與地下水并存的多水源供水系統(tǒng)，有可能出現(xiàn)景觀補(bǔ)水時恰逢飲用水水源水質(zhì)突發(fā)性惡化，兩根現(xiàn)狀出水管供水量短時驟增的狀況。從用水重要性角度看，以保證生活飲用水為先，暫不進(jìn)行景觀補(bǔ)水；從技術(shù)角度分析，流量的劇烈變化會導(dǎo)致現(xiàn)狀管線與擬建管線銜接處的壓力與設(shè)計(jì)補(bǔ)水工況的壓力相差較大，難以保證各管路流量分配，也不宜進(jìn)行景觀補(bǔ)水。

3）將遠(yuǎn)期景觀用水補(bǔ)水流量增加納入考慮，則以消能井前的壓力傳感器3 數(shù)據(jù)作為自控輸入信號（按0.01～0.02 MPa 水壓控制），實(shí)時調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥1～4，在保證生活飲用水取水量的前提下，盡可能增加補(bǔ)水流量；壓力傳感器1和2作為輔助信號，協(xié)助判斷管道承壓，防止或減少管道漏水或水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 補(bǔ)水口與清空口

間歇補(bǔ)水機(jī)制和穿越障礙物造成管道豎向高低起伏，低凹管段不可避免的出現(xiàn)死水。為避免下一次補(bǔ)水時積存死水進(jìn)入景觀水系，采用兩種出水口，即補(bǔ)水口與清空口切換運(yùn)行的控制方式。

考慮到若將清空口出水直接排至周邊雨水檢查井，不僅是對水資源的浪費(fèi)且因短時集中流量增大下游雨水管徑不經(jīng)濟(jì)，擬將清空口接入臨近再生水工程的原水調(diào)蓄設(shè)施，提高水資源利用率。

5 結(jié)語

引水工程的設(shè)計(jì)應(yīng)緊密結(jié)合工程建設(shè)條件，力求做到因地制宜；作為地下永久性隱蔽工程，引水工程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地區(qū)遠(yuǎn)期發(fā)展的用水需求，避免二次投資或重復(fù)建設(shè)；引水工程設(shè)計(jì)應(yīng)保證運(yùn)行時供水的可靠性和安全性。