建陽區(qū)城鄉(xiāng)供水一體化工程集鎮(zhèn)分區(qū)供水方案設(shè)計(jì)

徐良成

（南平市富建水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司,福建 南平 354200）

1 項(xiàng)目概況

集鎮(zhèn)分區(qū)供水工程位于建陽區(qū)黃坑鎮(zhèn),項(xiàng)目區(qū)水廠位于桂林采育場北側(cè),設(shè)計(jì)供水規(guī)模2600 m3/d,年引水量90萬m3,參照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》,屬于V等工程,防洪標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇設(shè)計(jì)。工程包含的主要設(shè)施有一體化凈水設(shè)備、清水池、廢水沉淀池、污泥干化池等。

2 供水水源方案設(shè)計(jì)

2.1 水源方案的比較

根據(jù)實(shí)地考察所得信息,設(shè)計(jì)了3套水源方案：方案一有3個(gè)水源點(diǎn),每個(gè)水源點(diǎn)建設(shè)1座引水壩,取水水源為桂林村上六墩、下六墩2處自然村的山澗水；方案二有2個(gè)水源點(diǎn),取水水源為桂林村塅上村山澗水；方案三有2個(gè)水源點(diǎn),取水水源為新峰村小黃坑村山澗水與五福洋水庫二級電站尾水。

對比來看,方案一水源點(diǎn)上游為自然保護(hù)區(qū),水質(zhì)較好；方案二水源點(diǎn)上游為礦場,水質(zhì)較差；方案三水質(zhì)較好,但是在取水量較多的情況下,會(huì)影響下游水電站的正常發(fā)電。最終選擇了方案一的水源點(diǎn)位置見圖1,根據(jù)該方案將1#引水壩的取水口設(shè)置為輸水主干管的起點(diǎn),沿道路方向一直鋪設(shè)到桂林水廠；2#和3#引水壩各鋪設(shè)一條輸水支管,與主干管匯合后共同流入桂林水廠。

圖1 方案一 3處水源點(diǎn)位置圖

2.2 水源點(diǎn)取水方式

水源點(diǎn)常用取水方式有壩前取水和壩后取水2種,從實(shí)踐來看,壩前取水結(jié)構(gòu)簡單、易于施工,但是抗淤積能力不強(qiáng)。本工程中取水壩位于山區(qū),落葉較多,容易造成水管堵塞,不僅影響工程的正常供水,而且還會(huì)增加后期的維護(hù)成本。相比之下,壩后取水則能避免上述問題。將取水口布置在壩后,當(dāng)壩前水滿以后,水流經(jīng)擋水堰進(jìn)入壩后取水口。在取水口處放置過濾網(wǎng),可以將漂浮在水面上的落葉、樹枝等攔截下來,提高了供水能力。

3 城鄉(xiāng)供水一體化工程集鎮(zhèn)分區(qū)供水方案設(shè)計(jì)

3.1 取水工程設(shè)計(jì)

1#引水壩設(shè)計(jì)為上游壩坡垂直、下游壩坡比為1∶1的梯形結(jié)構(gòu),壩體材料為C20埋石混凝土,壩高2.7 m,壩長15.0 m,壩頂寬度1.0 m。引水壩上游側(cè)為長度2.0m、厚0.5 m的C20埋石混凝土鋪蓋；下游側(cè)為長度4.5 m、厚0.5 m的C20埋石混凝土護(hù)坦,護(hù)坦末端為寬0.5 m、高1.0 m齒墻,在護(hù)坦上設(shè)計(jì)多個(gè)直徑為75 mm的PVC排水孔,采用2 m×2 m梅花型布置。側(cè)向取水構(gòu)筑物設(shè)在引水壩右側(cè),與左側(cè)壩體用0.4 m厚C20 鋼筋砼導(dǎo)墻連接,右側(cè)壩頂寬為1.0 m、長度為1.6 m,上游壩坡垂直,下游壩坡坡比1∶0.5,導(dǎo)墻側(cè)向預(yù)留兩個(gè)直徑為200 mm進(jìn)水孔。1#引水壩的上、下游岸坡連接段采用C20埋石混凝土擋墻,迎水坡垂直,背水坡坡比1∶0.35。擋土墻的墻背使用密度不低于0.6 的混合料回填、壓實(shí),墻身上設(shè)計(jì)多個(gè)直徑為75 mm的PVC排水孔,采用1.5 m×1.5 m梅花型布置。

2#和3#引水壩也設(shè)計(jì)為梯形結(jié)構(gòu),壩體材料與1#壩相同。壩高2.7 m,壩長5.0 m,引水壩以中心線為界,左右兩側(cè)采用不同設(shè)計(jì)。左側(cè)壩頂寬度1.0 m、長度3.0 m,上游側(cè)壩坡垂直,下游側(cè)壩坡坡比為1∶1,上游側(cè)為長度2.0 m、厚0.5 m的C20埋石混凝土鋪蓋；側(cè)向取水構(gòu)筑物設(shè)在引水壩右側(cè),與左側(cè)壩體用0.4 m厚C20 鋼筋砼導(dǎo)墻連接,右側(cè)壩頂寬度為1.0 m、長度為1.6 m,上游壩坡垂直,下游壩坡坡比1∶0.5,導(dǎo)墻側(cè)向預(yù)留兩個(gè)直徑200 mm進(jìn)水孔。引水壩的上游側(cè)岸坡連接段設(shè)計(jì)為C20埋石混凝土擋墻,材料為相對密度不低于0.6的混合料,墻身排水孔設(shè)計(jì)與1#壩相同。壩后取水見圖2、圖3。

圖2 側(cè)向壩后式取水平面示意圖

圖3 A-A剖面圖

3.2 水廠工程設(shè)計(jì)

3.2.1 凈水廠廠址選擇

選擇凈水廠廠址時(shí),需要考慮的因素有地形地貌、道路交通、修建難度、運(yùn)維成本等,盡量將凈水廠設(shè)在地下水位偏低、濕陷等級不高、地層較為穩(wěn)定的地區(qū)。綜合各項(xiàng)因素并開展實(shí)地勘察后,最終將黃坑鎮(zhèn)集鎮(zhèn)分區(qū)供水工程的凈水廠設(shè)在桂林采育場北側(cè)山包處,設(shè)計(jì)高程416.00 m,占地面積3098.06 m2,劃分為生產(chǎn)區(qū)和辦公管理區(qū)兩部分。

3.2.2 凈水工藝

本工程中采用“三池合一”的一體化凈水工藝,工藝流程見圖4。

圖4 凈水工藝流程圖

原水進(jìn)入靜態(tài)混合器后,該設(shè)備能夠根據(jù)當(dāng)前水流量自動(dòng)計(jì)算需要投加的混凝劑質(zhì)量,保證濃度在10%左右。投加的混凝劑（聚合氯化鋁）能夠與原水充分混合,起到高效絮凝的效果,降低原水中雜質(zhì)的含量。初步凈化后的原水在進(jìn)水排氣井內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離,剩余原水流入濾紋板網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)區(qū),通過生化反應(yīng)進(jìn)一步凈化水質(zhì)。凈化后形成的懸浮物、沉淀物在斜管沉淀區(qū)和石英砂濾池區(qū)被過濾掉,最后向所得清液中加入消毒劑（次氯酸鈉）,清液消毒后進(jìn)入清水池,經(jīng)檢測達(dá)標(biāo)后供給用戶。

3.3 輸配水工程設(shè)計(jì)

3.3.1 管材選擇

結(jié)合本工程中輸配水需要,所用管材應(yīng)滿足抗震與防爆裂性能好,施工安裝方便,采購價(jià)格較低,輸水能力強(qiáng)等要求。從市場調(diào)查情況來看,有4種可供選擇的管材,分別是鋼管、夾砂玻璃鋼管、球墨鑄鐵管和PE給水管,4種管材的性能對比見表1。

表1 4種管材的性能對比表

綜合對比后,本次黃坑鎮(zhèn)集鎮(zhèn)分區(qū)供水工程選擇了球墨鑄鐵管和PE管。在管道內(nèi)徑超過200 mm的情況下,使用球墨鑄鐵管；在管道內(nèi)徑低于200 mm的情況下,使用PE管。

3.3.2 輸配水管管徑選擇

參考《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 310-2019）的相關(guān)要求,管徑計(jì)算公式為：

式中：D為輸配水管的經(jīng)濟(jì)管徑；Q為輸配水管的設(shè)計(jì)流量,以最高日、最高時(shí)用水量確定；V為輸配水管道的設(shè)計(jì)流速。

以配水主干管以節(jié)點(diǎn)編號“節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)2”的管段為例,該段管道最高日最高時(shí)供水規(guī)模為5188.31 m3/d,配水管道的設(shè)計(jì)流量為0.0601 m3/s,經(jīng)濟(jì)流速取0.6 m/s～0.9 m/s,計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑為292 mm～357 mm；該段選擇管道內(nèi)徑300 mm的K9級球墨鑄鐵管,該段流速0.85 m/s屬于經(jīng)濟(jì)流速內(nèi)。

3.3.3 輸配水管網(wǎng)水力計(jì)算

本文根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 310-2019）中提供的“海曾-威廉”公式計(jì)算沿程水頭損失,根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定輸配水管網(wǎng)水利。公式如下：

式中：h1為沿程水頭損失,m；L為管段長度,m；i為單位管長的水頭損失,m/m；q為設(shè)計(jì)流量,m3/s；C為海曾-威廉系數(shù),球墨鑄鐵管取130,PE管取140；d為管道內(nèi)徑,m。

管道局部水頭損失h2按其沿程水頭損失的10%取值。

根據(jù)“海曾-威廉”公式,以配水主干管以節(jié)點(diǎn)編號“節(jié)點(diǎn)1-節(jié)點(diǎn)2”的管段為例,配水管道的設(shè)計(jì)流量為 0.0601 m3/s,流速為 0.85 m/s,計(jì)算管道內(nèi)徑為300 mm的K9級球墨鑄鐵管；管道長度478 m,沿程水頭損失為1.19 m,管道局部水頭損失為0.12 m。

經(jīng)過計(jì)算可知,選擇的各干管管徑能滿足各分區(qū)水量、水壓的要求。

3.3.4 管道埋設(shè)設(shè)計(jì)

（1）用于埋設(shè)PE管的溝槽,底寬應(yīng)當(dāng)超出PE管管徑40 cm；穿越巖石段或者混凝土公路時(shí),開挖邊坡為1∶0.1；穿越土壤地段時(shí),開挖邊坡為1∶0.33。用于埋設(shè)球墨鑄鐵管的溝槽,底寬要超出球墨鑄鐵管管徑60 cm,開挖坡比為1∶0.33的邊坡。PE管的底部回填厚度不低于10 cm的細(xì)狀土；球墨鑄鐵管底部用砂墊層回填夯實(shí),厚度不低于15 cm。

（2）PE管的最大彎曲半徑宜控制在150 DE內(nèi),若管線轉(zhuǎn)角超過5°,必須設(shè)有彎管,同時(shí)設(shè)置混凝土支墩,起到保護(hù)作用。若管線轉(zhuǎn)角不足5°,則用承插管自身逐漸借轉(zhuǎn),每一節(jié)管的轉(zhuǎn)角不宜超過1°。球墨鑄鐵管采用滑入式柔性接頭,最大允許轉(zhuǎn)角可達(dá)到3.5°,同時(shí)在水平和垂直轉(zhuǎn)角處設(shè)有混凝土支墩。

（3）所有管道的回填土均應(yīng)夯實(shí)。在夯實(shí)處理中,應(yīng)按照“由外向里、同時(shí)夯實(shí)”的原則,不得單側(cè)夯實(shí)。要求經(jīng)過夯實(shí)后的回填土壓實(shí)度必須達(dá)到90%。管道上方覆土在夯實(shí)以后,最小厚度應(yīng)不低于70 cm。在管道附屬構(gòu)筑物段,需要在管道周圍砌筑混凝土。

3.3.5 管道附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

（1）在輸配水管的隆起點(diǎn)、過河上岸點(diǎn)均需要設(shè)置自動(dòng)進(jìn)排氣閥；平緩地帶每隔1 km,也要設(shè)置自動(dòng)進(jìn)排氣閥,及時(shí)排氣、降壓,避免管道內(nèi)部壓力過大出現(xiàn)爆裂事故。在輸配水管道的低洼處,或者管道的下凹處,則需要設(shè)置排泥閥,定期排出沉積的污泥,保證水流速度。

（2）在輸配水管道的分叉口的支管上,以及輸配水管道上每隔一定距離處,要設(shè)計(jì)檢修閥。在定期維護(hù)、檢修時(shí),可以關(guān)閉臨近的檢修閥,為檢修和養(yǎng)護(hù)作業(yè)提供良好的環(huán)境。支管起點(diǎn)處除了安裝檢修閥外,還要設(shè)置流量計(jì)、壓力計(jì)等觀測儀器,以便于檢修人員掌握輸配水管道內(nèi)部的實(shí)時(shí)流量和實(shí)時(shí)壓力。

（3）在管道的三通、彎管、盲法蘭等位置,需要設(shè)置混凝土支墩進(jìn)行加固,各種閥門要設(shè)井保護(hù)。在管道彎角處,以及管道直線段每隔100 m處,均要設(shè)置標(biāo)志樁。

3.4 加壓泵站設(shè)計(jì)

經(jīng)過現(xiàn)場勘查后,將加壓泵站的位置確定為紅莊村路口附近的山頭上,高程為381.0 m。該加壓泵站的設(shè)計(jì)日供水水量為174.78 m3/d,屬于IV型工程。參照《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》（SL 310-2019）中的相關(guān)規(guī)定,對于IV型工程,清水池或高位水池容積可按照最高日用水量的25%～40%計(jì)算。根據(jù)該規(guī)定,本工程管中加壓泵站高位水池容積設(shè)定為100 m3。

4 結(jié)語

結(jié)合黃坑鎮(zhèn)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了集鎮(zhèn)分區(qū)供水方案。該方案中明確了水源點(diǎn)的位置及壩后取水的取水方式,對凈水工程、管道工程、泵站工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了參考。該方案的制定,為黃坑鎮(zhèn)集鎮(zhèn)分區(qū)供水工程的實(shí)施提供了依據(jù),為建陽區(qū)早日實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)任務(wù)產(chǎn)生了積極幫助。