供水工程干管連通設計

李繼杰

新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000

1 項目區(qū)概況

項目區(qū)水源為喀河水源，通過灌區(qū)外供水總干管工程，向某團二期灌區(qū)供水，灌區(qū)設計灌溉面積為0.42萬hm2，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》表3.0.1 水利水電工程分等指標規(guī)定，確定該工程的工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型工程。

2 項目區(qū)工程設計

2.1 設計標準

該工程總干管設計流量為3.35 m3/s，設計流量小于5 m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》表4.7.1供水工程永久性水工建筑物級別的規(guī)定，主要建筑物級別為3 級，次要建筑級別為4級。

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》表5.5.1灌溉和供水工程永久性水工建筑物設計洪水標準，確定總干管工程設計防洪標準為10年一遇，不設校核洪水標準。

此輸水總干管工程大部分區(qū)域位于一期灌區(qū)內(nèi)，不涉及防洪工程內(nèi)容。

2.2 管網(wǎng)系統(tǒng)設計

2.2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)設計工作壓力

2.2.1.1 設計工作水頭要求

管網(wǎng)系統(tǒng)的工作壓力是實施灌區(qū)正常灌溉的主要控制指標，灌區(qū)內(nèi)分干管分水口壓力應滿足田間滴灌系統(tǒng)和噴灌設備進口工作壓力。根據(jù)節(jié)水灌溉系統(tǒng)典型設計，滴灌系統(tǒng)進口需要工作水頭為25 m 左右（含首部及過濾器損失），噴灌系統(tǒng)噴灌機的額定工作壓力需要20 m（含首部閥門等損失），最終確定確定分干管放水口后的工作水頭為25 m。

其他骨干管道的工作壓力都應滿足田間系統(tǒng)進口壓力要求，經(jīng)水力計算，灌區(qū)總干管匯水點（四條現(xiàn)狀干管匯水點，O1）設計工作水頭應在37 m左右。

2.2.1.2 壓力控制設計

通過水力學計算，各系統(tǒng)的進口工作水頭為25～35 m，可以滿足各灌溉的需求，二期灌區(qū)范圍內(nèi)西南側(cè)局部高處需配套管道泵局部增壓。

2.2.2 壓力等級確定

該工程屬于有壓管道，根據(jù)管道沿線的地面高差，計算各管段的最大靜水壓力值作為輸水管道的最大工作壓力，按照相關管道輸水的技術規(guī)程，此次設計采用靜水壓的1.50 倍作為管材的最小設計壓力值，經(jīng)計算，輸水總干管壓力等級選用1.20 MPa。

2.2.3自壓骨干管網(wǎng)設計及計算

根據(jù)流量推算和選用管材，通過水力計算確定管徑。骨干管網(wǎng)是自壓輸水，即積累地形落差提供水頭，管道輸水有沿程損失和局部損失及管道主要附屬設備產(chǎn)生的水頭損失，地形落差提供的水頭減去損失的總水頭即為骨干管網(wǎng)向灌水系統(tǒng)起始點提供的水頭。在總干管進口水頭一定的情況下，通過調(diào)整管徑改變水頭損失來滿足灌溉系統(tǒng)進口的壓力。

2.2.3.1 設計流量

根據(jù)推算，該工程總干管的設計流量為3.50 m3/s。

2.2.3.2 水力計算

管道沿程水頭損：失經(jīng)管材比選確定工程采用玻璃鋼管，按照《微灌工程技術標準》和《管道輸水灌溉工程技術規(guī)范》中均推薦下式計算。各類管材參數(shù)見表1。

表1 各類管材參數(shù)表

式中：hf—管道沿程水頭損失，m；f—沿程水頭損失；Qg—管段的計算流量，L/h；D—管道內(nèi)徑，m；L—管長，m；m—流量指數(shù)；b—管徑指數(shù)。

局部水頭損失：原則上應根據(jù)管道附件的布置類型及數(shù)量，逐個計算，累加得出，此次按沿程水頭損失的10%計。

2.2.3 管道縱橫斷面設計

水力計算確定管徑后，進行縱橫斷面設計。

2.2.3.1 橫斷面設計

根據(jù)國家標準《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》，確定本項目區(qū)管槽開挖底寬L為管道外徑D與兩側(cè)工作面寬度b之和，即L=D+2b。具體取值為：

綜上，按照地質(zhì)條件，確定總干管管槽的標準開挖斷面底寬為3.80 m，臨時開挖邊坡Ⅰ段（0+000～9+290）：為1∶1.50，Ⅱ段（9+290～16+041）為1∶1.75。考慮管網(wǎng)安全，管頂以上覆土厚度不小于1.00 m，冬季排空管道余水。

管槽開挖、回填橫斷面要求如下：①管槽底夯實，管槽回填分三層回填區(qū)，管底至0.50倍管徑高處為第一回填層，采用原土夯填，必須采用人工夯填；②0.05 倍管徑高處至管頂0.50 m以下為第二回填層，原土回填，可采用機械從管道軸線兩側(cè)同時回填；③管頂0.50 m以上為第三回填層，原土回填。

2.2.3.2 縱斷面設計

管道應短而直，管道縱剖面設計應盡量使管道在立面上順直，但要避免大量開挖，在管道沿線地面起伏較大時，地埋管道也可隨地面起伏，同時要避免山峰狀隆起。在起伏的管道上，隆起的部位要設置進排氣閥，低谷的部位要設置泄水閥。

2.2.4 總干管附屬設備設計

為了控制或確保系統(tǒng)正常運行，系統(tǒng)中必須安裝必要的附屬設備，即控制、量測與保護裝置。主要包括控制閥、進排氣閥、排水沖沙閥、泄壓閥、進人孔、壓力表、測流設備和連接件等。

2.2.4.1 控制閥

控制閥用于控制管道的啟閉和截斷管網(wǎng)水流，方便系統(tǒng)運行管理維修，包括進水閥和節(jié)制閥兩種。

2.2.4.2 進水閥

進水閥是指安裝在各級管道入口的閥門，其作用是當灌溉開始時開啟閥門使水流通過，而灌溉結束時關閉閥門切斷水流。此工程在總干管與4條干管的交匯點分別設置進水閥，進水閥采用鋼制蝶閥，口徑為DN1200-DN600。

2.2.4.3 節(jié)制閥

當各級骨干管網(wǎng)上的某處管道出現(xiàn)故障而需要排除時，若關閉故障所在管道的進水閥則會引起該管道以下均沒有水流通過，近而使其控制范圍內(nèi)的作物得不到灌溉。為了減小影響，需在這些管道上設置節(jié)制閥，當關閉節(jié)制閥時，節(jié)制閥前的管道依然可以供水和灌溉作物。此工程在總干管重要節(jié)點位置設置節(jié)制閥，共計3處，節(jié)制閥口徑同主管道直徑為DN2400。

2.2.4.4 進排氣閥

進排氣閥設置在管道系統(tǒng)的駝峰處，參照《灌溉與排水工程設計標準》在長距離輸水且無明顯駝峰時應設置進排氣閥的要求，在總干管上每隔0.50 km左右設一處進排氣閥，另在管道局部高處也設置進排氣閥。

進排氣閥垂直管道安裝，通氣孔直徑依據(jù)公式確定：

式中：Dc—通氣孔直徑，mm；D—主管道直徑，mm；V—管內(nèi)流速，m/s；Va—排出空氣流速，一般取45 m/s。

根據(jù)計算分析，此工程進排氣閥規(guī)格為DN300，壓力等級為1.60 MPa。

2.2.4.5 排水沖砂閥

排水閥設置在管道局部低洼處和兩節(jié)制閥之間最低處，在管道檢修或灌溉結束時進行排水或沖砂。此工程排水沖砂閥采用閘閥，共計3處，口徑為DN300。

2.2.4.6 泄壓閥

泄壓閥是一種由其自身的進口水壓來開啟的自動泄壓防護裝置，它是壓力管道最為重要的安全附件之一。它的功能是：管道在運行過程中若流量小于設計流量使管內(nèi)壓力超過某一定值、或因快速關閥引起水錘而使管內(nèi)壓力超過某一定值時，泄壓閥依靠自身的進口壓力自動開啟閥門，迅速排出一定數(shù)量的水泄壓，而當管道內(nèi)的壓力降到允許值時，閥門又自動關閉，使管道內(nèi)壓力始終低于允許壓力的上限，從而自動防止管道因超壓可能造成的破壞事故，要求泄壓閥安裝在閥門的迎水面。

該工程在總干管節(jié)制閥前設置泄壓閥，每處1 個DN300mm泄壓閥，在一級過濾器房前設置節(jié)制閥，根據(jù)水錘分析，需設置泄壓閥DN400一個。為方便檢修，泄壓閥前安裝同管徑的閘閥。

2.2.4.7 進人孔

設置進人孔目的是當管道出現(xiàn)故障需要排除時，可以使工作人員確定故障的確切位置，便于對管道及時維護和檢修，但小口徑管道上沒有設得必要，只需在管內(nèi)徑大于等于1 200 mm的管道上設置進人孔。該工程進人孔的設置與進排氣閥位置及其他閥門位置結合，間距以2 km為宜，進人孔直徑為800 mm。

2.2.4.8 壓力表

壓力表安裝在各級管道入口處、節(jié)制閥前后、過濾系統(tǒng)進出口及各節(jié)水灌溉系統(tǒng)進口位置，是用于觀測管道的壓力狀況。管網(wǎng)只有具備了完善的觀測體系，才能防患于未然，及時平衡和調(diào)控各級閥門的開閉，以達到合理調(diào)配水量的目的。

根據(jù)各入口處的靜水壓力，此工程選擇量程為0～1.60 MPa的壓力表，要求壓力表需要具備遠傳功能。

2.2.5 總干管附屬建筑物設計為滿足管道正常輸水運行、流量控制、管道線路與其他設施交叉，需要設置各種閥井及建筑物。

2.2.5.1 頂管

此次工程規(guī)劃的總干管位于九次干道以北，現(xiàn)狀一、二、三干管均位于九次干道以南，需要穿越九次干道與總干管連接，因附近無合適穿越涵洞、交通橋，綜合考慮個管道高程與路面高程的關系，此次規(guī)劃采用頂管方案穿越九次干道，頂管采用鋼筋混凝土頂管，頂管內(nèi)套鋼管，前后承插連接。頂管特性統(tǒng)計表詳見表2。

表2 頂管統(tǒng)計表

2.2.5.2 蓋板涵

此次工程總干管與現(xiàn)狀非等級道路以及規(guī)劃道路的交叉采用蓋板涵，蓋板涵采用暗涵結構形式，涵內(nèi)穿管，蓋板為C35預制鋼筋混凝土蓋板。

2.2.5.3 穿河建筑物

此次工程規(guī)劃總干管線路需穿越杜瓦河河道1次，因穿越位置高邊坡，需要架設管橋穿越，長度約90 m，位置為總干管9+357～9+432段，采用鋼管架空形式跨越杜瓦河。

2.2.5.4 閥井

閥井包括檢查井、進排氣閥井、分水閥井、測流井、排水井等，主要分布在總干管上設置進排氣設備、流量觀測設備以及管道上設置閥門處，集水井設在管道末端設置排水處；各類井的尺寸按照井內(nèi)布置的設備確定。各類閥井底部設置排水涵管，當閥井內(nèi)漏水，采用潛水泵放置在排水涵管中，將積水抽出閥井。

2.2.5.5 鎮(zhèn)墩

為保證管道安全，正常運行，需在管道變徑、轉(zhuǎn)彎處及管道末端設置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用封閉式鋼筋混凝土結構，并對土基處采取換填砂礫石墊層。根據(jù)鎮(zhèn)墩受力情況，通過抗滑穩(wěn)定計算、抗傾覆穩(wěn)定計算及基底應力計算最終確定鎮(zhèn)墩尺寸。

3 結論

綜上所述，該項目的建設符合國家國民經(jīng)濟發(fā)展要求，有利于增強項目地區(qū)的發(fā)展后勁，項目在技術上和經(jīng)濟上是可行的，應多方籌措資金早日實施項目，加強組織管理，力爭經(jīng)濟、社會、生態(tài)三大效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展。