惠山三茅峰高揚(yáng)程單級加壓供水工程介紹

賈 平

(無錫市給排水工程有限責(zé)任公司，江蘇無錫214073)

進(jìn)行高揚(yáng)程供水工程方案設(shè)計(jì)時(shí)，通常會選用分級串聯(lián)加壓的供水方式，但其工程投資相對偏高且日常運(yùn)行管理不便，采用單級直接加壓的供水方式能較好地解決該問題。筆者以三茅峰惠山歷史文化館供水工程為例，介紹了小流量高揚(yáng)程單級加壓供水方案的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的安全防護(hù)措施，以期為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒、參考。

1 工程概況

惠山歷史文化館地處無錫市西側(cè)惠山國家森林公園內(nèi)三茅峰山頂上，距離城市商業(yè)中心3 km，海拔標(biāo)高為323.3 m。三茅峰主要由泥盆系石英砂巖組成，屬天目山“穹隆背斜”的余脈，山體表面土沿等高線呈帶狀分布。其中海拔標(biāo)高20～60 m為緩坡區(qū)，土層平均厚度為40 cm，呈黃棕色，酸性較強(qiáng)；海拔標(biāo)高60～270 m為低矮山頭和較陡坡區(qū)，土層平均厚度為25 cm，呈暗棕色，酸性減弱；海拔標(biāo)高270 m以上為陡坡區(qū)，土層較薄，厚度約為20 cm，呈褐棕色，含有機(jī)質(zhì)較多，酸性較弱。根據(jù)氣象記錄，年平均溫度為15.4 ℃，極端最低氣溫記錄為-12.5 ℃，極端最高溫度記錄為38.9 ℃，無霜期平均為218 d，東南風(fēng)為全年主導(dǎo)風(fēng)。

惠山歷史文化館原有1只12 m3的不銹鋼水箱，供水主要靠車輛運(yùn)輸至水箱。為了改善配套的基礎(chǔ)設(shè)施，提高供水水質(zhì)并保障其安全使用。擬由山下的動物園供水通過泵站直接加壓送至山頂水箱，再通過原有的室內(nèi)管網(wǎng)輸送至歷史文化館各樓層。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 泵站設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場勘測情況并通過溝通協(xié)商，加壓泵站選址為動物園外圍的東北側(cè)山坡。該處水源、電源進(jìn)線方向較為合理，輸水至山頂水箱管線也較短(932 m)，滿足交通運(yùn)輸和運(yùn)行管理的要求，且與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，工程投資也最優(yōu)[1]。

泵站標(biāo)高為54 m，山頂原有不銹鋼水箱地形標(biāo)高為324 m，水箱有效水深為2.5 m，其設(shè)計(jì)水面標(biāo)高為326.5 m。因此，加壓泵站供水靜揚(yáng)程為272.5 m。

由于加壓泵站與水箱地形標(biāo)高相差為270 m，供水采用單級直接加壓方式，其泵站內(nèi)加壓泵與管道壓力較大。同時(shí)，考慮水錘的影響，綜合考慮安全等因素，泵站設(shè)計(jì)采取以下方案。

① 泵房布置遵循《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)，水泵室與電氣控制柜均獨(dú)立設(shè)置，做到干濕分離、動靜分開，且能預(yù)防高壓管道爆裂等危險(xiǎn)因素。

② 從人身安全方面考慮，泵站內(nèi)外墻體和屋頂全部采用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，其中靠近動物園一側(cè)為實(shí)體鋼筋混凝土墻且禁止設(shè)置門窗。

③ 泵房采光、通風(fēng)、維護(hù)和泵站安全防護(hù)等設(shè)施布置，均需滿足日常生產(chǎn)運(yùn)行管理方面的使用要求。

2.2 輸水管道設(shè)計(jì)

2.2.1 管道走向的確定原則

① 為了減少水頭損失并降低能耗，輸水管道一般盡量沿垂直等高線布置，以縮短輸水管線的長度。

② 為了防止滑坡和泥石流危害的影響，管道走向必須經(jīng)現(xiàn)場踏勘，選擇地質(zhì)情況良好的山坡敷設(shè)。

③ 為了避免產(chǎn)生彌合性水鍾，管道盡量沿山坡穩(wěn)步上升敷設(shè)，中途不應(yīng)出現(xiàn)管道峰頂或坡度劇變的現(xiàn)象。

2.2.2 管道數(shù)量和管徑的選擇

由于三茅峰惠山歷史文化館的日常用水主要供應(yīng)2個(gè)室內(nèi)公共衛(wèi)生間和工作人員生活用水，用水量比較小。設(shè)計(jì)時(shí)考慮在室外增設(shè)1只消火栓，兼顧附近山林防火。消火栓選用SN65型，其消防用水量為18 m3/h。根據(jù)用水需求情況，除考慮應(yīng)急山林防火消防供水外，供水方案主要為山頂不銹鋼水箱補(bǔ)充水量，因此單管敷設(shè)完全能滿足正常的使用需求。

在確定管徑時(shí)，要綜合考慮實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)管徑增大時(shí)，管道造價(jià)會增加，但輸水流速降低，水頭損失相應(yīng)減小，泵站運(yùn)行能耗也會減小；反之，減小管徑，管道造價(jià)雖然降低，但輸水流速會增大，日常運(yùn)行能耗也相應(yīng)增加。因此，根據(jù)壓力輸水管道經(jīng)濟(jì)流速的要求并綜合考慮降低管道沿程損失，選定輸水管道管徑為DN89，滿足消防用水量時(shí)的管道流速為1.01 m/s。

2.2.3 管道管材確定

根據(jù)加壓泵站與山頂水箱輸水高程變化的實(shí)際情況，輸水管設(shè)計(jì)最低承壓為1.0 MPa(輸水管末端)，最高工作壓力為3.0 MPa(輸水管起端)，水錘壓力以不超過5.0 MPa考慮(超過上述設(shè)定壓力時(shí)，自動開啟泄壓)。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS 193:2005)的有關(guān)規(guī)定，輸水管道宜采用能承受高壓的鋼管[2]。同時(shí),考慮該工程的實(shí)際用水和山體土質(zhì)情況，輸水鋼管擬采用管內(nèi)壁光滑、水阻小、耐腐蝕的S304不銹鋼管道。

鋼管壁厚采用滿足規(guī)定的構(gòu)造壁厚和承壓力計(jì)算壁厚之中的大值[3]，工程設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)泵站地面的相對標(biāo)高進(jìn)行分段，確定承壓和壁厚見表1。

表1 輸水管道承壓與壁厚

2.2.4 管道敷設(shè)的要求

① 由于管道敷設(shè)在山坡巖石或半巖石基礎(chǔ)上，管道底部應(yīng)鋪設(shè)厚度為150 mm的中粗砂墊層。

② 由于日常用水量較少，供水間隙時(shí)間較長，為防止冬天管道結(jié)冰，沿線管道原則上采用暗敷的方式，其管頂覆土不得少于30 cm。若局部區(qū)域無法滿足上述要求，應(yīng)做好相應(yīng)的防凍保溫措施。

③ 為防止水土流失和溝槽土方滑坡，坡度較陡的管線需每間隔5 m在溝槽橫斷面上砌筑石擋土墻，其他一般地段每間隔10 m在溝槽橫斷面上砌筑石擋土墻。

④ 為穩(wěn)定管頂覆土并防止水土流失，建議在管道溝槽表面種植根系發(fā)達(dá)的草皮或播撒草籽。

2.3 水泵選型

該工程設(shè)計(jì)主要為通過加壓泵站將自來水輸送至山頂原有不銹鋼水箱，同時(shí)兼顧山林消防用水，故單臺水泵設(shè)計(jì)流量按12 m3/h考慮。根據(jù)山下動物園室外供水管網(wǎng)的分布情況，加壓泵站水泵吸水方式采取直接從動物園DN200管道上抽水。

根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊第1冊常用資料》[4]，輸水管道長度為932 m的沿程水頭損失為13.0 m，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計(jì)算，則總水頭損失為15.0 m。因此，水泵所需揚(yáng)程為289 m(富裕水頭取1.5 m) 。選擇DGF25-12多級離心泵2臺(1用1備)，應(yīng)急山林防火消防時(shí)可同時(shí)開啟2臺水泵，水泵性能參數(shù)見表2。

表2 水泵性能參數(shù)

3 附屬設(shè)施與管道附件

3.1 附屬設(shè)施

由于輸水管道沿線山坡覆土層較淺且質(zhì)地輕壤，常規(guī)支墩設(shè)置方式無法滿足該管道支撐。設(shè)計(jì)要求在輸水管道彎管、三通、分支管均須設(shè)置錨固拖拉支墩，其中錨固鋼筋伸入山坡巖石的長度不得少于35倍鋼筋直徑，同時(shí)在鎮(zhèn)墩的兩邊1.5 m處各設(shè)置1座固定支架[5]。

3.2 管道附件

3.2.1 緩閉止回閥

在每臺水泵出口管道上設(shè)置微阻緩閉式止回閥，大大減輕了停泵倒流時(shí)水流產(chǎn)生的壓力沖擊，減少了水錘的產(chǎn)生，保障了管線和設(shè)備的使用安全。

3.2.2 中壓安全閥

在泵站出水總管起端安裝安全閥，其超壓排泄通過DN100鋼制管道連通Ф500專用鋼制消能罐，高壓水經(jīng)消能降壓后排入Ф1200鋼筋混凝土井，以保證設(shè)備和管道內(nèi)的水壓力不超過設(shè)定壓力。

3.2.3 中壓減壓閥

為了輸水管道和泵房內(nèi)檢修放空排水的需要，在泵房出口干管上設(shè)計(jì)旁通排水管。由于泵房內(nèi)管道的靜水壓力為272.5 m，因此在排水管上必須安裝減壓閥，同時(shí)在其兩側(cè)安裝高、低壓壓力表，以便觀察閥前后的壓力變化。減壓閥后的管道直徑選定比閥前進(jìn)口管徑大2號，設(shè)計(jì)時(shí)采用DN150鋼制管道。

3.2.4 波紋伸縮節(jié)

為防止輸水管道地基不均勻沉降和溫度應(yīng)力危害管道，設(shè)計(jì)時(shí)每隔100 m左右設(shè)置1只不銹鋼波紋伸縮節(jié)。

4 安全防護(hù)

4.1 水錘防護(hù)

由于該工程為單管高揚(yáng)程供水且輸水管道沿線地形變化大，易產(chǎn)生具有很大破壞力的高壓水錘。為了減小管道水錘對泵站的影響，采取如下主要措施。

① 在每臺水泵的出口管道上設(shè)置緩閉式止回閥，有效降低水錘的危害。

② 在泵站出水總管起端安裝安全閥(泄壓閥)，當(dāng)泵站管道內(nèi)壓力超過設(shè)定水錘最高壓力時(shí)，安全閥自動開啟泄壓，保證系統(tǒng)最高水壓不超過設(shè)定壓力，保障水泵和管道的正常工作，防止意外發(fā)生。該工程中安全閥的設(shè)定自動開啟壓力為5.0 MPa。

③ 輸水管道出口底標(biāo)高應(yīng)大于水箱最高水位10 cm。由于該輸水管道距離比較短，沿線敷設(shè)無倒坡現(xiàn)象，其中途未布置自動排氣閥，因此該管道出口為整個(gè)輸水管道的最高點(diǎn)。發(fā)生水錘時(shí)，該管道出口可起到進(jìn)、排氣功能，從而穩(wěn)定管道內(nèi)氣壓。出現(xiàn)水擊現(xiàn)象時(shí)，又能迅速泄出部分水錘高壓水，中斷水錘波的連續(xù)性，降低緩沖運(yùn)行中產(chǎn)生的水錘壓力。

4.2 排水防護(hù)

由于泵站內(nèi)出水總管的壓力較高，管道放空排水時(shí)必須減壓消能后才可正常排放，以避免高壓直接排水發(fā)生的次生危害。工程設(shè)計(jì)考慮管道放空排水時(shí)先通過減壓閥降壓后再排入Ф1 200鋼筋混凝土消能井，最后敷設(shè)DN200的排水管接入山坡截洪溝。

4.3 雷擊防護(hù)

由于泵站地處山坡上，周圍地形地勢復(fù)雜、高低懸殊，地理環(huán)境特殊，為防止雷擊對系統(tǒng)的破壞，對建筑物采取了相應(yīng)的防雷措施。

① 在泵站四周設(shè)置環(huán)形接地網(wǎng)，下引線與基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)及樁基連接，用測地阻搖表測試，其接地電阻值不得大于4 Ω。

② 在泵房屋面周邊安裝Ф10熱鍍鋅圓鋼避雷帶，其避雷下引線應(yīng)與泵站設(shè)置的接地網(wǎng)連接，從而做好直擊雷的有效防護(hù)。

③ 泵房內(nèi)設(shè)置與防雷接地相連的等電位聯(lián)結(jié)端子箱，將水泵、設(shè)備控制柜等基礎(chǔ)保護(hù)接地與其連接。做好電氣配電箱等金屬外殼與等電位端子可靠連接，形成一個(gè)泵房等電位連接網(wǎng)，防止感應(yīng)雷的危害。

5 結(jié)論

該工程屬于山區(qū)高揚(yáng)程單級加壓供水工程。在正常情況下，雖然輸水流量較小，但水泵需一次加壓輸水至設(shè)計(jì)標(biāo)高為326.5 m的水箱，實(shí)際運(yùn)行停泵時(shí)泵房出口承受產(chǎn)生的最大水錘達(dá)到4.3 MPa，其停泵水錘壓力為日常工作壓力的1.4倍，未超出設(shè)計(jì)允許最大壓力5.0 MPa。因此，為有效防止水錘對泵站及管道產(chǎn)生危害，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場客觀情況采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。工程運(yùn)行實(shí)踐表明，小流量高揚(yáng)程供水工程可以采用單級直接加壓的供水方式，具有經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、管理維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，完全能滿足正常使用需求。