彝良縣城市輸水管線設(shè)計(jì)方案探討

羅建維

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830001)

1 工程概況

彝良縣位于云南省東北部，昭通市中部，介于東經(jīng)105°51′～104°45′、北緯27°16′～27°57′之間，地處云、貴、川3省結(jié)合部的烏蒙山區(qū)。近年來(lái)彝良縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，城鎮(zhèn)人口不斷增長(zhǎng)，生活用水量和工業(yè)用水量迅速增長(zhǎng)。彝良縣缺水問(wèn)題逐漸突顯。目前彝良縣有兩座水廠，第一自來(lái)水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為1萬(wàn)m3/d，廠址位于發(fā)達(dá)河?xùn)|面彝海公路起點(diǎn)處?，F(xiàn)狀供水量已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展以及人民生活水平日益發(fā)展的需要，且該水廠由于修建年代久遠(yuǎn)，供水安全性不高。第二自來(lái)水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為2萬(wàn)m3/d，該水廠始建于2013年3月，目前已建成。其輸水管道兩次水源點(diǎn)相繼因面源污染等客觀原因遲遲未修建。因此，為保障縣城供水安全，盡早啟用第二自來(lái)水廠顯得尤其迫切。因此根據(jù)實(shí)際需要，擬建設(shè)重力流輸水管線及其附屬建筑物，用于向彝良縣城市進(jìn)行供水。

2 輸水管道設(shè)計(jì)

2.1 輸水線路比選

根據(jù)彝良縣1∶10000地形圖分析及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果表明：發(fā)達(dá)河兩側(cè)山體渾厚，山頂高程1800 m～1960 m，水源地花溪溶洞洞口高程僅為1005 m，因此輸水管道線路只能沿發(fā)達(dá)河河谷布置。線路前段由于受水源高程低的限制，輸水管道只能順河埋設(shè)。線路后段接近城區(qū)，房屋非常密集，且與第二自來(lái)水廠距離較近。為節(jié)省工程投資，避免征地協(xié)調(diào)，輸水管道后段結(jié)合彝牛二級(jí)路布置。最終設(shè)定方案如下。

2.1.1 方案一

輸水管道自花溪溶洞取水，由于取水高程較低，管道出花溪溶洞后穿過(guò)曹海段道路后跨至發(fā)達(dá)河左岸埋設(shè)，之后沿發(fā)達(dá)河左岸布置，管道過(guò)花魚(yú)洞、發(fā)達(dá)村后至花橋電站取水壩，為避開(kāi)陡崖峭壁，沿崖頂布置過(guò)白沙坡、溝邊等村寨，在豐境生態(tài)農(nóng)莊處下穿043鄉(xiāng)道后，繼續(xù)沿發(fā)達(dá)河左側(cè)岸坎布置，過(guò)巖腳、河壩等村寨后，管道在靛塘村下方處穿過(guò)河道至發(fā)達(dá)河右岸，之后沿右岸岸坎布置，至角奎水文站。繼續(xù)順坡而上，跨過(guò)小河電站引水溝后，止于公路旁揚(yáng)水泵站進(jìn)水池。管道流量0.342 m3/s，管徑為DN600和DN500，總長(zhǎng)17.157 km。

本方案的特點(diǎn)是基本沿發(fā)達(dá)河岸坎布置，盡量減少與道路、溝渠的交叉干擾，線路長(zhǎng)度相對(duì)方案二較短，但占用耕地較多，施工時(shí)需要新建施工便道，施工工期較長(zhǎng)。

2.1.2 方案二

輸水管道自花溪溶洞取水，由于取水高程較低，管道出花溪溶洞后穿過(guò)曹海段道路后跨至發(fā)達(dá)河左岸埋設(shè)，之后沿發(fā)達(dá)河左岸布置，管道過(guò)花魚(yú)洞后至郭家灣子右岸曹海段公路，沿公路邊及花橋電站引水溝布設(shè)至豐境生態(tài)農(nóng)莊門(mén)口的043鄉(xiāng)道，跨至發(fā)達(dá)河左岸通村路，之后沿路邊埋設(shè)，在角奎水文站及一水廠揚(yáng)水站下游約200 m處穿河至右岸，止于公路旁揚(yáng)水泵站進(jìn)水池。管道流量0.342 m3/s，管徑為DN600和DN500，總長(zhǎng)17.705 km。

本方案的特點(diǎn)是沿道路和引水渠布置，少占耕地，可利用現(xiàn)有道路施工，施工便捷，但線路長(zhǎng)度相對(duì)方案一較長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)交通造成不利影響，也增加路面及排水溝恢復(fù)費(fèi)用。

2.1.3 方案比選

本次比選主要從地形地質(zhì)條件、工程布置及施工條件等幾個(gè)方面闡述，比選過(guò)程及結(jié)論見(jiàn)表1，方案布置情況見(jiàn)圖1。從工程布置、工程規(guī)模、征占地、施工條件、運(yùn)行管理、概算投資綜合比選后，選擇管線短，施工運(yùn)行管理方便，投資概算低的方案一。

表1 輸水線路比選表

2.2 輸水管材比選

輸水管材的確定是在控制工程投資和保證輸水管線安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282-2016)規(guī)定，輸水管材應(yīng)根據(jù)輸水用途、地質(zhì)情況、管材性能、管道荷載、土壤凍融情況等綜合確定

本工程管道主要為人飲供水，同時(shí)整條線路地形較陡，交通不便，因此管道布置為明管與有壓淺埋管結(jié)合，同時(shí)滿足有壓引水要求，方便施工，應(yīng)選經(jīng)濟(jì)耐用、可靠性高、無(wú)毒安全的管材。根據(jù)給水工程輸水系統(tǒng)對(duì)管材的要求，結(jié)合彝良縣在輸配水管道的使用情況，經(jīng)綜合考慮，初選鋼管、PVC-O管，并進(jìn)行比選。

鋼管韌性、彎曲等力學(xué)性能良，強(qiáng)度、剛度、抗沖擊、耐磨性能強(qiáng)，對(duì)變形適應(yīng)力較差，耐壓等級(jí)高，彈性系數(shù)較大，抗水錘能力強(qiáng)。接口安全穩(wěn)定性高，不具有柔性，施工要求高，但管材彎曲與柔韌性能好，抗震性能好。糙率n=0.011，DN600價(jià)格1540.8元/m(8 mm)，DN600價(jià)格1758.92元/m(10 mm)。

PVC-O韌性、彎曲等力學(xué)性能良，但強(qiáng)度、剛度、抗沖擊性能差，對(duì)變形適應(yīng)力較強(qiáng)，耐壓等級(jí)較低，抗腐蝕性強(qiáng)，彈性系數(shù)較大，抗水錘能力強(qiáng)。接口具有柔性，管材彎曲與韌性能較好，采用普通的承插式粘接施工或RR膠圈承插連接施工，操作簡(jiǎn)單。糙率n=0.009，1531.96元/m(1.0 MPa)，1760.1元/m(1.6 MPa)

由于項(xiàng)目區(qū)滑坡、落石等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)，為保障供水安全性，推薦選用抗沖擊韌性較強(qiáng)的鋼管，并考慮飲水安全性和造價(jià)等因素，在鋼管材質(zhì)中選擇造價(jià)相對(duì)較低的螺旋鋼管，防腐采用內(nèi)涂環(huán)氧樹(shù)脂(EP)，外涂聚乙烯(PE)。同時(shí)工期緊張，考慮到PVC-O管質(zhì)地輕，無(wú)需吊裝，人工即可完成安裝，施工速度快，為節(jié)省工期，本階段考慮在地形相對(duì)平緩且水頭較低的地段，采用PVC-O管。

因此本工程管材推薦選擇以鋼管為主，輔以PVC-O管，在保證安全輸水的基礎(chǔ)上，又可加快工程進(jìn)度，盡快發(fā)揮水廠效益，滿足縣城供水需求。

2.3 輸水管道水錘分析計(jì)算

2.3.1 水錘分析

本項(xiàng)目輸水工程輸水方式為有壓重力輸水，在輸水管道中設(shè)有排氣閥、排水閥等閥件?？赡軐?dǎo)致水錘產(chǎn)生的情況是：(1)在開(kāi)、關(guān)閥門(mén)和流量調(diào)節(jié)操作過(guò)程中，由于迅速操作，導(dǎo)致管內(nèi)流速發(fā)生變化而產(chǎn)生水錘；(2)管內(nèi)排氣不暢，產(chǎn)生氣囊運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致管內(nèi)流速發(fā)生變化而產(chǎn)生水錘。

2.3.2 水錘計(jì)算

管道沿線長(zhǎng)17209 m，管徑630 mm，設(shè)計(jì)方案中管線末端設(shè)置水力控制閥。本工程水錘壓力采用數(shù)值模擬軟件Bently HAMMER進(jìn)行計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)方案閥門(mén)設(shè)置進(jìn)行了模擬計(jì)算。管線末端控制閥關(guān)閥時(shí)間設(shè)定為：前40 s關(guān)至60%，后80 s關(guān)至100%。

本次主要針對(duì)以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算：

a.沿線未設(shè)置任何水力控制閥；

b.沿線在15+500處設(shè)置超壓泄壓閥。

水波傳播波速1359.87 m/s，海森威廉系數(shù)130，管徑600 mm，流量145 L/s。

根據(jù)水錘模擬軟件的分析結(jié)果最大水錘壓力約2.7 MPa(15+500處，圖2)。管線為人飲水工程，為增加管道輸水的安全性，防止極端危險(xiǎn)的情況發(fā)生，在15+500處安裝超壓泄壓閥。重新復(fù)核計(jì)算后管道沿線的最大水錘壓力為2.0 MPa，經(jīng)計(jì)算，管道的承壓級(jí)別滿足要求(圖3)。

圖2 沿線未設(shè)置任何水錘防護(hù)措施

圖3 沿線在15+500處設(shè)置超壓泄壓閥

2.4 附屬建筑物設(shè)計(jì)

2.4.1 閥門(mén)井

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013-2018)要求，閥門(mén)井主要設(shè)置在管道分水、進(jìn)排氣、排水閥門(mén)處，閥門(mén)井均采用鋼混結(jié)構(gòu)形式。本工程共設(shè)置控制閥井4座，分水閥井2座，進(jìn)排氣井26座，排水井7座。其中閥門(mén)井平面尺寸為3.0 m×3.0 m，壁厚0.4 m，底板厚0.5 m。為便于人員操作、維修，其上留有邊長(zhǎng)1.0 m的進(jìn)人孔，井內(nèi)側(cè)均在隔墻上設(shè)有鋼爬梯。此外，在上部控制閥室為便于檢修，加快日常維護(hù)等工作，對(duì)部分閥門(mén)井進(jìn)行加裝檢修控制間。檢修控制間為磚混結(jié)構(gòu)，內(nèi)置配電箱、量水設(shè)施等，便于電腦端對(duì)管線進(jìn)行監(jiān)控。

2.4.2 鎮(zhèn)墩、支墩

為防止管道發(fā)生位移，根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282-2016)要求，本次設(shè)計(jì)明管段每隔6 m設(shè)置支墩1座。管道沿線共設(shè)置鎮(zhèn)墩178座，設(shè)置支墩786座。

2.4.3 管道交叉建筑物

本項(xiàng)目輸水管道線路長(zhǎng)，管道交叉建筑物多，主要分為穿路建筑物、跨溝(河)建筑物，根據(jù)平面布置，本次設(shè)計(jì)共布置穿路建筑物8座，跨溝(河)建筑物6座。

3 結(jié)論

彝良縣城市補(bǔ)水管網(wǎng)輸水管網(wǎng)的鋪設(shè)方案，對(duì)整個(gè)工程有著重要的影響。雖然當(dāng)?shù)丨h(huán)境地質(zhì)條件較差，工況復(fù)雜，輸水危險(xiǎn)系數(shù)較高。但為保證彝良縣正常供水，必須合理對(duì)該管線進(jìn)行設(shè)定。本文通過(guò)對(duì)管線、管材等進(jìn)行必選，同時(shí)校核水錘現(xiàn)象對(duì)管道的影響，最終選定出合理的輸水路線，以保證彝良縣正常供水，使該管線的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)消息順利發(fā)揮。