北票市抗旱應急水源輸水管線設計

高 艷

(北票市三寶水利服務站，遼寧 北票 122121)

0 引 言

北票市位于遼寧省西北部，常年干旱少雨，現(xiàn)有水源工程不能滿足居民基本飲用水和農(nóng)作物灌溉用水需求，需對現(xiàn)有水源工程進行擴建，建設抗旱應急備用水源[1]。該應急備用水源工程可以緩解北票市生活用水危機，保證居民正常用水供應，確保其經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定。

1 項目區(qū)概況

北票市地區(qū)主要由低山、丘陵及河谷地貌組成，水資源總含量為532萬m3，其中，地表的水資源總量為346.93萬m3，可開采地下水總量為185.07萬m3，依據(jù)《遼寧省地方標準行業(yè)用水定額》和《抗旱規(guī)劃實施方案技術(shù)大綱》規(guī)定，鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民人飲水標準按30～40L/人·d確定，而北票市每日用水定額為35L/人·d，受災人口為3.28萬人，應急供水量計算結(jié)果見表1。經(jīng)過對當?shù)貙嶋H情況的調(diào)研，區(qū)域內(nèi)有東山咀水庫一座，蓄水量為145.6萬m3，正常水位庫容209萬m3，能夠滿足抗旱應急引水工程用水量要求，可建設成為北票市抗旱應急備用水源。

表1 抗旱應急水源用水量計算表

經(jīng)計算，最高日設計用水量為1283.98m3/d，抗旱應急水源預備時間為200d，故抗旱北票市抗旱應急輸水需水量為2.57萬m3。東山咀水庫需水量滿足北票市抗旱應急需水量，可以建設成為應急備用水源。

2 工程總體布置

本工程抗旱應急水源選擇區(qū)域內(nèi)東山咀水庫，水庫現(xiàn)有蓄水量為148.4萬m3，正常水位時的總庫容為210.6萬m3。該水庫為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等。該水庫主要建筑物級別為4級，次要建筑物的級別為5級。2008年相關部門對水庫主要建筑物進行了除險加固，水庫安全性和使用性均能滿足供水要求。本水源不但可以緩解北票市巴圖營鄉(xiāng)目前的供水壓力，滿足巴圖營鄉(xiāng)廣大人民群眾大旱之年生活用水需求，而且能滿足2025年供水需求。

在東山咀水庫輸水洞出水口處取水，通過輸水管路到達五間房鎮(zhèn)蓄水池，并通過蓄水池給用戶供水，其輸水管路管線全長約1900m，供水規(guī)模為216m3/d。本次工程總體布置結(jié)合從水庫到北票市沿線地形特征，選擇重力和加壓組合的輸水方式，先從水庫出水口處通過加壓送至高位蓄水池，然后再配水到五間房鎮(zhèn)蓄水池[2]。

3 應急水源輸水管線設計分析

3.1 輸水管道線路和輸水方式設計

輸水管道路線選擇需要考慮的因素有供水安全、施工過程安全、運營正常。路線選擇需要符合當?shù)匾?guī)劃要求，通過與路線上工農(nóng)業(yè)等相關產(chǎn)業(yè)的幾個，選擇最短線路，節(jié)約施工工作量和投資。管道走線應該盡量沿河道和現(xiàn)有道路進行，便于進行管道施工和檢修。管道應該盡量減少對農(nóng)業(yè)用地的占用，盡量減少與公路、河流及鐵路的交叉，降低施工難度。管線沿程應該避開容易滑坡的土層，并避開巖層、沼澤及水覆蓋的地區(qū)。最后從投資和施工等方面進行綜合比較，確定最終管道的走線和位置。

本抗旱應急水源輸水工程取水位置為東山咀水庫的出水口，取水后通過管路送達巴圖營鄉(xiāng)蓄水池。沿線盡量減少轉(zhuǎn)彎，減少與道路、鐵路河流的交叉。輸水管線按上述原則進行走向設計，全長為1900m。

本工程輸水方式為先通過加壓方式將水從水源地提升至中間某海拔較高的蓄水池，然后再通過重力輸水方式配送至巴圖營鄉(xiāng)的蓄水池。

3.2 輸水管材選擇

本工程輸水管線距離較遠，工程量大，施工難度高，是本工程的重要組成部分，在整體工程投資中占較大比例。管道材質(zhì)不僅影響管道輸水安全，同時也對工程造價有很大影響。管材選擇應結(jié)合受力特性、施工方便、環(huán)境因素和材料成本等因素綜合進行選擇。常用的輸水管材包括鋼筋混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管、鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管等，下面對不同輸水管材進行對比分析，見表2。

表2 輸水管材技術(shù)經(jīng)濟比較表

每種管道各有優(yōu)點，也各有不足。鋼筋混凝土管材料價格較低，耐腐蝕性能好，但安全性不好，水質(zhì)不能得到有效保障。預應力鋼筒混凝土管從管材性能來講是最好的，但價格比鋼筋混凝土管高，一般應用于大管徑輸水管路，由于本設計給水管材的管徑為DN600，屬于中小管徑，采用鋼筒混凝土管會浪費材料且增加投資，故本工程不采取。鋼制管材抗壓強度高，受力性能好，適應沿線變形能力強，但耐腐蝕性不好，在濕潤環(huán)境下會產(chǎn)生銹蝕，降低管材受力強度，并且也會對水質(zhì)產(chǎn)生影響。球墨鑄鐵管具有很高的抗壓能力，耐腐蝕性也好，壽命長，價格也相對較低。

經(jīng)比較，球墨鑄鐵管抗壓能力強、安全性高、使用壽命長，投資造價也較低，且由于輸水管路作為抗旱應急水源工程，對管道安全性和保證率有較高要求，另外沿線高差大，地質(zhì)條件復雜，球墨鑄鐵管可以適應復雜的外部環(huán)境。因此，本工程選擇球墨鑄鐵管作為主要輸水管材。除與河流交叉，或公路、鐵路附近等特殊地段要采用鋼管穿越，其他均采用球墨鑄鐵管。

3.3 輸水管徑選擇

輸水管徑根據(jù)管道供水流量設計流速進行選擇，管徑小會增加輸水途中管道阻力，產(chǎn)生較大水頭損失，增加水泵動力；管徑大不僅浪費管材，且沿線管道敷設費用增加。因此需要通過計算確定最優(yōu)管徑，輸水管徑通過以下公式進行計算：

(1)

式中：d為供水管徑，m；q為供水流量，m3/s，本工程輸水管段設計給水量為212.43m3/h，即0.059m3/s；v為設計流速，m/s。供水管路的經(jīng)濟流速為1.2 m/s到2.0m/s范圍內(nèi)，本工程取1.2m/s。

經(jīng)計算，輸水管徑為250mm。考慮未來人口增加，用水量增加，需留有一定富裕，且需要考慮水頭損失和自流的因素，綜合考慮，輸水管路管徑選取為600mm。

3.4 水頭損失計算

水頭損失為輸水過程中沿線阻尼造成的沿程水頭損失和管道局部彎折變徑等造成的局部水頭損失，根據(jù)管線總體布置和地形計算水頭損失，結(jié)合水源地和目的地海拔高差確定水泵揚程。

1)沿程水頭損失hf計算：

采用下式計算管道沿程水頭損失，公式為：

(2)

式中：hf為管道的沿程水頭損失，m；L為管長，m；Q為管內(nèi)通過的流量，m3/h；d為管道內(nèi)徑，mm；f、m、b為鑄鐵管材系數(shù)，f=6.25×105，m=1.90，b=5.10。

經(jīng)計算，沿程水頭損失hf為0.40m。

2)局部水頭損失hj計算：

局部水頭損失一般根據(jù)沿程水頭損失進行估算，一般取沿程水頭損失的10%-20%。本工程局部水頭損失取沿程水頭損失的15%，即hj=0.15hf=0.06m。

故管道輸水過程中總消減水頭為0.4+0.06=0.46m。

東山咀水庫輸水洞出水口處工作壓力水頭需>21.65m。

3.5 水錘分析

在管道輸水過程中，當管道閥門瞬間開啟或關閉時會引起水錘壓力，當水錘壓力高超過管道和附件壓力時，會造成管道及附件的損壞。當水錘壓力低在管道內(nèi)形成負壓時，也會造成管道破壞。本工程管線較長，管道沿線有高點，并且距離供水壓力線較近。高點位置在正常供水情況下壓力較小，供水過程水流忽然停止時，水柱可能出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，管道非?？赡馨l(fā)生損壞。因此，對管道內(nèi)水錘進行計算如下：

(3)

式中：C為水擊波速度，m/s；α-K/E為水的彈性系數(shù)與管壁材料的彈性系數(shù)比值為0.02；d為管道內(nèi)徑，cm，d=60cm；δ為管壁厚度，cm，為0.79cm；Hα為直接水擊壓強水頭，m；VO為關閉前水流速度，m/s，212.43/π×0.32/3600=0.209m/s。

經(jīng)計算，直接水擊壓強水頭Ha為19.3m。

輸水管線管材選擇DN600K9的標準球墨鑄鐵，可承受最大水壓力可以達到1.6MPa，爆破壓力可以達到5MPa，滿足泵站揚程和直接水擊壓強水頭要求，可以保證管線輸水過程中安全使用。

4 結(jié) 語

根據(jù)水源工程和用水地區(qū)的相對位置，及沿線地形高差及地質(zhì)條件，綜合外部環(huán)境條件，對應急水源輸水管線進行線路和輸水方式進行設計。通過對各種材質(zhì)輸水管進行對比分析，根據(jù)管道安全性和保證率要求，輸水管道選擇DN600K9的標準球墨鑄鐵管，保證管線輸水過程中安全使用，同時可以降低工程造價[3]。該應急備用水源工程建成后，可為北票市提供應急水源，在旱災發(fā)生時保證用水正常供應，有效解決當?shù)厝罕娪盟倘眴栴}，為居民正常生活提供保障，保證當?shù)亟?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定。