長距離管道輸水工程中地下閥井設計探討

王 強，韓其華，馮慶剛，陳立強，趙 巖

(1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南250013;2.日照市沭水東調(diào)供水有限公司，山東 日照276800;3.日照市水務集團有限公司，山東 日照276800)

1 研究背景

由于我國水資源時空分布不均衡，實施跨流域、跨地區(qū)調(diào)水，已成為近年來越來越多的一項課題。目前調(diào)水工程最常用的三種方案分別是渠道、暗涵與管道輸水。其中管道輸水因為其漏損率低、占地少、水質(zhì)能得到較好保障等優(yōu)點受到極大的青睞，越來越多的中、小流量調(diào)水方式都采用管道輸水。

為保證管道正常運行，滿足管道的檢修、分水、排氣、排水(泥)等用途，預防管道運行中產(chǎn)生的水錘影響，輸水管道沿線需要布置不同的閥井，其類型大致有閥門井、排氣井、分水井、排水井等。2018年自然資源部下發(fā)的《關于做好占用永久基本農(nóng)田重大建設項目用地預審的通知》，要求將永久基本農(nóng)田保護措施落到實處。因而，管道工程中之前所采用的地上式閥井已經(jīng)不能適應新的土地政策，閥門井的占地問題也成為管道輸水工程中的瓶頸，亟需一種滿足地下閥門井的施工方法來應對新土地政策下的管道輸水工程。

2 常規(guī)地上閥門井及存在問題

在管道輸水工程中，閥門井有檢修、分水、排氣等作用，由于閥門井里面布設的設備較多，因此閥門井比其他類型的井井體大的多。本文以管道工程中的閥門井為例來探討幾種地下閥井的做法，其他排氣井、排水井等地下式施工做法可參照地下閥門井設計思路。

一般在輸水管道起止段、倒虹兩側(cè)、每隔3～5km左右處設閥門井。閥門井為混凝土結(jié)構(gòu)，閥門井內(nèi)主管道上設蝶閥、傳力接頭;支管上設閘閥、排氣閥等;井體蓋板上設700進人孔，方便進入井體維修;另設通氣管，解決管道內(nèi)的進排氣問題。常規(guī)閥門井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地上閥門井結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)規(guī)范，日照市某管道項目管道直徑DN1400，管道最小管頂覆土為1.2m，某一段管道縱斷面設計如圖2所示。

可以看出，常規(guī)閥門井的布置不影響管道縱斷面的走向，管道只需要根據(jù)最小覆土要求和實際地面高程布設管道中心線即可。在平面布置圖合適位置設置閥門井，且保證閥門井處左右的管中心高程小于等于閥門井管中心高程，這樣閥門井中的排氣閥才能起到排氣作用，管道方能正常運行。

圖2 管道縱斷面圖—地上閥門井

圖2中，閥井位置處的管中心高程為114.80m，閥門井處地面高程為116.975m，此段管道平均覆土高度1.3m。此種情況下，管道閥門井位于地面以上，方便檢修，管道整體埋深也較淺，管線縱斷布置合理。

但根據(jù)國家新的土地政策，閥門井不能占用基本農(nóng)田，而此段管線布置恰好穿越基本農(nóng)田，所以如何設計一種新型閥門井成為管道設計中的關鍵與重點。

3 幾種新型閥門井

目前，地上式閥井已經(jīng)不能適應新的土地政策，管道設計在土地資源開發(fā)、利用、治理、保護和管理方面需遵守新的規(guī)程規(guī)范，因此對耕地占用問題提出了新的要求，尤其是在管道施工中閥井的設置問題上，施工時需要將井的上部埋于地下1m以上，以保證耕地的正常耕作和利用。為了解決上述問題，本文介紹三種新型的閥門井，以供探討。

3.1 A類地下閥門井

考慮到地上閥門井占用基本農(nóng)田的問題，設計上需要采用新的閥門井，其簡易做法是井整體往下沉，比現(xiàn)狀地面低1m及以上，不影響農(nóng)田范圍內(nèi)的植被且滿足最小管道埋深要求。這種地下閥門井的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)A類閥門井的結(jié)構(gòu)形式特點及閥門井管中心高程與現(xiàn)狀地面高程的要求，調(diào)整此段管道的縱斷如圖4所示。

調(diào)整后的管道縱斷面，閥門井處地面高程依舊為116.975m，閥井位置處的管中心高程為113.40m，此段管道平均覆土高度2.7m。

圖4 管道縱斷面圖—A類地下閥門井

可以看到，此種型式地下閥門井施工簡單(同地上閥門井)，同時也解決了閥門井基本不占地的要求(排氣管占地除外)，但管道縱斷面與常規(guī)的管道鋪設縱斷面相比，沿線管線中心線高程會下降1.4m左右，且閥井上蓋板整個都埋設于地面高程以下至少1m處，給管道后期運行中的維修造成很大的不便。這種閥門井從投資、施工便利、施工進度、后期運行管理也存在一些弊端。

3.2 B類地下閥門井

在實際工作中，設計人員主要從保質(zhì)量、減投資、加快施工進度等方面對閥門井布置進行優(yōu)化。

從A類地下閥門井可以看到，閥門井中的井體高度是造成管道埋深加大的主要原因之一，而閥門井內(nèi)支管中的排氣閥和蝶閥高度是造成井體高度增大的主要原因。B類新型地下閥門井的主要設計思路是通過降低閥門井體高度來降低管道沿線的管道埋深，其結(jié)構(gòu)型式如圖5所示。

圖5 管道縱斷面圖—B類地下閥門井

B類閥門井把閥門井管道上具有進排氣功能的向上凸起的排氣閥等從井體中去除，在每座地下閥門井上游方向10m設置一閥艙，閥艙里面再設置具有進排氣功能的排氣閥、蝶閥等設備，且閥艙處的高程可以比閥門井的高程高，這樣既可以起到更好的進排氣功效，又能進一步減少管道的開挖。

按照B類閥門井的要求調(diào)整管道縱斷面后，閥門井處地面高程116.975m，閥井位置處的管中心高程114.40m，此段管道平均覆土高度1.38m?？梢钥吹?，B類閥門井的管道平均埋設較淺，相比于地上閥門井來說，不會增加太多的開挖方。這種閥門井除具有A類地下閥門井的缺點以外，閥艙直接埋設于地下，無井體防護，安全性能比較低，且施工比常規(guī)閥門井施工麻煩。B類閥門井已在濰坊市某大型調(diào)水工程中得以成功應用。

3.3 C類地下閥門井

為解決B類地下閥門井結(jié)構(gòu)整體性比較差的問題，設計出了C類地下閥門井，如圖6所示。

圖6 C類地下閥門井結(jié)構(gòu)圖

C類閥門井結(jié)構(gòu)上包括埋于地下的主體井和蓋在主體井上的混凝土蓋板，混凝土蓋板上設置有向上隆起的用于容納管道閥類的閥艙(排氣閥高于混凝土蓋板的部分容納在防護罩中)，閥艙與主體井連通，閥艙為防護罩結(jié)構(gòu)。通過設置閥艙，縮減管道埋深與地面的空間，進而來減少整體的下挖深度，閥艙固定在蓋板上使這一部分空間成型且防止土的進入，減少人力物力的耗用，節(jié)約成本。閥艙為可拆卸分體式結(jié)構(gòu)，便于在混凝土蓋板蓋上后對閥門的檢修操作。進人孔井體側(cè)壁上開設有通氣孔(取代原有排氣管)，通氣孔位于地面與井蓋之間，減少了對地上空間的占用。如圖7所示。

圖7 管道縱斷面圖—C類地下閥門井

按照C類閥門井的要求調(diào)整管道縱斷面后，閥門井處地面高程116.975m，閥井位置處的管中心高程114.40m，此段管道平均覆土高度1.38m?？梢钥吹?，C類閥門井的管道平均埋設較淺，與地上閥門井相比，不會增加太多的開挖方。與B類閥門井相比，這種閥門井施工簡單，質(zhì)量能夠得到保證。

此種井可以滿足地上閥門井的所有功能，并且不會產(chǎn)生大面積占地的現(xiàn)象，閥井整體性強。C類閥門井已在日照市某調(diào)水工程中成功應用過，此類新型閥門井已經(jīng)正式獲得國家知識產(chǎn)權局的授權，獲得國家實用新型專利。

4 四種閥門井的對比

以日照某段管道為例，對4種不同的閥門井的優(yōu)缺點進行對比，見表1。

5 結(jié)語

根據(jù)已經(jīng)完成或投入運行的管道工程設計經(jīng)驗和后評估情況進行初步總結(jié)，得出如下結(jié)論:

表1 四類閥門井的管道工程各項指標對比表

(1)由于閥門井具有進排氣功能的制約，地下閥門井要做到完全不占用土地是不可能的，且地下閥門井日常的檢修、人工操作等與地上閥門井相比，確有其不便利性。這就要求在進行管道線路布置的時候，要做到管線盡量優(yōu)化，少占用農(nóng)田。

(2)閥井設計過程中應合理選用閥件的結(jié)構(gòu)形式(比如立式蝶閥改臥式蝶閥等)，來優(yōu)化閥門井體結(jié)構(gòu)，從而使管道的埋設深度更為合理，促進工程的更好推進。

(3)C類地下閥門井施工、維護相對方便，降低了造價，運行安全可靠，并通過實際工程運行得到了驗證。該項設計方案成熟可靠，值得進一步推廣。