山區(qū)多級串聯(lián)加壓給水管網(wǎng)工程設(shè)計探討

邴斌，陳太生，柳志華，韓楊，熊敏

(1. 青島市市政工程設(shè)計研究院有限責任公司，山東 青島 266100;2.巢湖市村鎮(zhèn)建設(shè)管理處；3.巢湖市污水管理處，安徽 巢湖 238000）

山區(qū)由于其地理情況特殊，條件較為復(fù)雜，給水系統(tǒng)的設(shè)計及建設(shè)與傳統(tǒng)平原地區(qū)有很大不同。本文基于青島市市政工程設(shè)計研究院設(shè)計完成的安慶市西風禪寺風景區(qū)給水工程，針對山區(qū)給水管徑小、地勢高差大、能耗高的特點介紹工程的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計從流量計算，調(diào)蓄構(gòu)筑物設(shè)計、管線路由選擇及管材的確定，加壓方式的選擇，加壓泵站設(shè)計等內(nèi)容入手，有針對性地提出了一些技術(shù)措施和對策，以使山區(qū)的給水系統(tǒng)更加安全可靠。

1 工程概況

西風禪寺風景區(qū)位于安慶市太湖縣城北4km的花亭湖畔鳳凰山上，為國家AAAA級風景區(qū)，景區(qū)有自然和人文景點30多處，寺周石刻遍布，旅游季節(jié)最高日接待游客人數(shù)近3000人，景區(qū)常駐居民及管理人員約50人。風景區(qū)用水點集中位于鳳凰山山腰，山頂附近設(shè)置有公共衛(wèi)生間，原給水工程以調(diào)蓄池收集山間溪水、雨水作為水源,采用重力流的形式對景區(qū)用水點進行給水，由于水量季節(jié)性變化大，且水體色度、細菌總數(shù)、大腸菌群等水質(zhì)指標超標,水質(zhì)及水量都無法保證。為了提高景區(qū)給水水質(zhì)和給水安全性,計劃將山下市政給水引入山上的風景區(qū)，現(xiàn)狀市政管網(wǎng)給水量富余量約為8m3/h，給水壓力約為0.25MPa。

2 工程設(shè)計

2.1 設(shè)計給水規(guī)模和用水量

根據(jù)《村鎮(zhèn)給水工程設(shè)計規(guī)范》（SL687-2014）集中式給水工程設(shè)計的給水規(guī)模，主要包括居民生活用水量、公共建筑用水量、飼養(yǎng)畜禽用水量、企業(yè)用水量、澆灑道路和綠地用水量、消防用水量以及管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見用水量等。

結(jié)合景區(qū)當?shù)氐膶嶋H情況，給水涉及區(qū)域無村鎮(zhèn)企業(yè)及畜禽飼養(yǎng)場，景區(qū)道路多為臺階等游步道且無公共綠地，因此，澆灑道路和綠地用水量不計；同時，考慮到西風禪寺風景區(qū)山下市政給水管網(wǎng)富余水量有限且景區(qū)有自建消防水池，因此，本次設(shè)計不考慮消防用水量。

（1）居民生活用水量。考慮景區(qū)給水情況的特殊性，將景區(qū)的用水分為常駐居民生活用水和游客用水兩種情況，景區(qū)內(nèi)目前無游客留宿條件。設(shè)計居民生活用水量標準根據(jù)《村鎮(zhèn)給水工程設(shè)計規(guī)范》（SL687-2014）和《安徽省農(nóng)村飲水安全工程初步設(shè)計報告編制指南（試行）》的相關(guān)規(guī)定選取，由于西風禪寺景區(qū)內(nèi)有洗滌池、衛(wèi)生設(shè)施相對較齊全，經(jīng)過綜合分析考慮，本次選取的居民日生活用水量定額為140L/(人?d)，游客生活用水量定額取30L/(人?d)，則最高日生活用水量為：

Q1=P·q/1000

式中，Q1為居民生活用水量，m3/d；P為用水居民人數(shù)，采用設(shè)計居民人數(shù)；q為最高日居民生活用水定額，居民取本次設(shè)計取100L/(人?d)，景區(qū)游客取30L/(人?d)。

（2）公共建筑用水量。根據(jù)公共建筑性質(zhì)、規(guī)模以及用水定額來確定公共建筑用水量。設(shè)計參照《村鎮(zhèn)給水工程設(shè)計規(guī)范》SL687-2014規(guī)定，按照居民生活用水量的20%確定，即Q2=Q1×20%。

（3）管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見水量。對于無具體資料的前提下，漏失水量和未預(yù)見水量采用經(jīng)驗法預(yù)估，一般按居民生活用水量、集體或者專業(yè)戶飼養(yǎng)畜禽、公共建筑用水量之和的20%計算，Q3=（Q1+Q2）×20%。

本次設(shè)計最高日用水量：Qd=Q1+Q2+Q3+Q4=58.08m3/d。最終取58m3/d。由此計算管網(wǎng)的設(shè)計流量為：

Q設(shè)=Kh·Qd/24=7.26m3/h

式中：Q設(shè)為最高日最高時用水量，m3/h；Qd為最高日用水量，m3/d；Kh為時變化系數(shù)（可在2.5～3.0范圍取值）；通過《給排水設(shè)計手冊》查表可知，鋼管當管徑為DN70mm時，v=0.58m/s，1000i=13.2m。

2.2 調(diào)蓄構(gòu)筑物設(shè)計

由于本次設(shè)計給水量Q設(shè)大于現(xiàn)狀市政管網(wǎng)給水量富余量，因此，考慮在山腰位置設(shè)置網(wǎng)前高位水箱來保證用水戶的水壓和調(diào)節(jié)水量。由于景區(qū)游客相對分散，用水變化規(guī)律不確定，水箱調(diào)節(jié)容積計算無類似工程經(jīng)驗可參照，西風禪寺風景區(qū)用水點集中處于寺廟，公共衛(wèi)生間等位置，設(shè)計將寺廟作為整體考慮，參照《建筑給水排水設(shè)計標準》（GB 50015-2019）3.7.3條，“當資料不足時，調(diào)節(jié)水箱容積按建筑物最高日用水量的20%～25%確定”。綜合考慮用水區(qū)域供需情況及山體空間等因素，水箱容積取最高日用水量的20%約為28m3，設(shè)計水箱凈尺寸為4×2.5×3m。

2.3 給水管線路由及管材確定

管網(wǎng)布置是給水工程設(shè)計中關(guān)鍵部分，管網(wǎng)的費用通常占到整個給水系統(tǒng)的70%～80%，甚至更多，因此，管網(wǎng)布置是否合理，對工程投資、運行和管理維護有很大影響，由于該項目位于山區(qū)，管線布置與地形坡度相適應(yīng)，地面坡度較陡時，管線布置盡量應(yīng)平行于等高線，以保證管線盡量平順，減少起伏和折點，對于地面坡度平緩的區(qū)域，管線布置盡可能垂直于等高線，以力求管道長度最短。管道主要采用直埋敷設(shè)的方式，總計管道長度約3750m。項目用水點與給水點高差較大，給水管道設(shè)計承壓大于1.0MPa，依據(jù)《城鎮(zhèn)給水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS193:2005)，輸水管宜采用鋼管，但普通鋼管存在明顯的弊端，普通鋼管防腐性能差、壽命短，為延長使用年限，通常需要對其進行內(nèi)外的防腐處理。本次設(shè)計結(jié)合市場新材料選用TPEP防腐鋼管作為本次給水工程管材，該管材出廠時，采用熱熔結(jié)纏繞工藝,其內(nèi)壁采用熱噴涂環(huán)氧粉末防腐方式，延長管道使用壽命，工程實施時，不需要單獨對管材進行防腐處理，能有效確保工程質(zhì)量及實施進度。

2.4 加壓方式的確定

根據(jù)現(xiàn)場勘測，現(xiàn)狀市政給水管網(wǎng)接管點處地面標高為88.0m，山腰用水點標高約為300～330m(寺廟依山而建，高差較大)，山頂公共衛(wèi)生間標高為433m，不考慮市政管網(wǎng)來水壓力加壓泵站至兩處用水點的靜揚程分別242m和345m。

給水加壓方式可分為多次加壓和一級加壓兩種方式，若采用一次加壓，泵站總揚程約為489m，過高壓強對管材、附屬設(shè)施以及施工條件均要求較高。若采用多次加壓給水，由于泵站揚程小于80m時所產(chǎn)生的水錘危害較小，因此，分級數(shù)多5～7級。但如分級過多,增加了泵站的建設(shè)成本，且會使后期的運行復(fù)雜，不便管理。若分級過少，則降低了泵站的運行效率。合理選擇分級次數(shù)就顯得尤為重要，設(shè)計時，根據(jù)市場從管材及水泵兩方面考慮：首先，小流量、高揚程水泵不易購買，且運行時產(chǎn)生的水錘危害大，管道容易發(fā)生滲漏、爆管等現(xiàn)象。其次，對于小管徑市政輸水管用鋼管常用的公稱壓力有1.0MPa、1.6MPa和2.5MPa三種規(guī)格，提高管材的公稱壓力可致使單位管長造價成本過高，通常管道最大工作壓力值再加0.5MPa為鋼管的設(shè)計內(nèi)水壓力，因而2.5MPa公稱壓力值的鋼管，其最大工作壓力不得＞200m自由水壓，以此作為泵站加壓級數(shù)的約束條件。同時，考慮管線路由及泵房設(shè)置空間等因素，本次工程的設(shè)計加壓方式的思路見圖1。

圖1 多級加壓示意圖

本次設(shè)計中，三級加壓泵站水泵均選用2臺，均為一用一備，其中一級泵為無負壓離心泵，單臺水泵流量Q1=7.26m3/h，揚程H=180m，二級泵為無負壓離心泵，單臺水泵流量Q2=7.26m3/h，揚程H=132m，三級泵為變頻離心泵，單臺水泵流量Q3=3.6m3/h，揚程H=82m，三級加壓泵站設(shè)有調(diào)節(jié)水箱，其采用重力流形式對周邊用戶進行給水。

2.5 泵站設(shè)計

給水加壓泵站的形式主要有傳統(tǒng)加壓(直接加壓）、直抽給水加壓及無負壓加壓三種形式，具體見表1。

表1 三種形式的給水加壓泵站的形式

該工程由于市政管網(wǎng)富余水量有限，為避免負壓的產(chǎn)生及對上游用戶的影響，不適合采用直抽給水加壓的方式。對另外兩種給水方式進行了方案比選，見2。

表2 無負壓泵站和傳統(tǒng)泵站的比較

根據(jù)比選，傳統(tǒng)加壓形式占地面積大、維護費用高、運行成本高。本次設(shè)計綜合考慮經(jīng)濟、成本等方面因素，為充分利用來水壓力，同時，避免對來水管網(wǎng)產(chǎn)生負壓，推薦采用無負壓加壓泵站。

2.6 水錘防護設(shè)計

鑒于該工程小流量、高揚程的特點，設(shè)計時，對泵站水錘及輸水管水錘進行了防護設(shè)計。首先，為防止突然停泵時給水管道自來水流倒流對泵站產(chǎn)生的水錘,在設(shè)計時,在水泵出水管上設(shè)電動蝶閥,同時，在無負壓泵房外設(shè)檢修閘閥以及多功能水泵控制閥。多功能控制閥可以有效地提高給水系統(tǒng)的安全可靠性,控制閥最大緩閉時間約120s,可有效降低水錘對水泵的影響。其次，為防止水錘對輸水管造成破壞，設(shè)計時，分段設(shè)置緩閉止回閥，緩閉止回閥的高程間隔約為80m左右?？捎行Х稚⑺N壓力，進而減小管道因為水錘而產(chǎn)生的振動，消除低水錘對管道產(chǎn)生的破壞。

3 結(jié)語

該工程于2019年9月完成施工驗收，10月正式投入運營至今，期間經(jīng)歷了西風禪寺景區(qū)十一黃金周的旅游旺季及2020年春節(jié)后的旅游淡季，根據(jù)周邊用戶及業(yè)主的反饋，該工程的運行情況良好,可達到設(shè)計要求。本工程給水系統(tǒng)具有典型山區(qū)小村鎮(zhèn)小流量、高揚程給水系統(tǒng)的特點，設(shè)計針對該類項目合理計算設(shè)計流量，并根據(jù)實際需要設(shè)置調(diào)蓄構(gòu)筑物，采用分級串聯(lián)加壓的形式進行給水，可有效保證用戶正常用水，設(shè)置多功能控制閥及沿線分段設(shè)置緩閉止回閥能有效減少水錘對給水系統(tǒng)的影響。該項目的實施可對其他類似其他偏遠山區(qū)飲水安全工程設(shè)計和建設(shè)，具有一定的借鑒意義。