惠山三茅峰高揚程單級加壓供水工程介紹

賈 平

(無錫市給排水工程有限責任公司，江蘇無錫214073)

進行高揚程供水工程方案設計時，通常會選用分級串聯加壓的供水方式，但其工程投資相對偏高且日常運行管理不便，采用單級直接加壓的供水方式能較好地解決該問題。筆者以三茅峰惠山歷史文化館供水工程為例，介紹了小流量高揚程單級加壓供水方案的設計和相應的安全防護措施，以期為類似工程的設計提供借鑒、參考。

1 工程概況

惠山歷史文化館地處無錫市西側惠山國家森林公園內三茅峰山頂上，距離城市商業中心3 km，海拔標高為323.3 m。三茅峰主要由泥盆系石英砂巖組成，屬天目山“穹隆背斜”的余脈，山體表面土沿等高線呈帶狀分布。其中海拔標高20～60 m為緩坡區，土層平均厚度為40 cm，呈黃棕色，酸性較強；海拔標高60～270 m為低矮山頭和較陡坡區，土層平均厚度為25 cm，呈暗棕色，酸性減弱；海拔標高270 m以上為陡坡區，土層較薄，厚度約為20 cm，呈褐棕色，含有機質較多，酸性較弱。根據氣象記錄，年平均溫度為15.4 ℃，極端最低氣溫記錄為-12.5 ℃，極端最高溫度記錄為38.9 ℃，無霜期平均為218 d，東南風為全年主導風。

惠山歷史文化館原有1只12 m3的不銹鋼水箱，供水主要靠車輛運輸至水箱。為了改善配套的基礎設施，提高供水水質并保障其安全使用。擬由山下的動物園供水通過泵站直接加壓送至山頂水箱，再通過原有的室內管網輸送至歷史文化館各樓層。

2 工程設計

2.1 泵站設計

根據現場勘測情況并通過溝通協商，加壓泵站選址為動物園外圍的東北側山坡。該處水源、電源進線方向較為合理，輸水至山頂水箱管線也較短(932 m)，滿足交通運輸和運行管理的要求，且與周圍環境相協調，工程投資也最優[1]。

泵站標高為54 m，山頂原有不銹鋼水箱地形標高為324 m，水箱有效水深為2.5 m，其設計水面標高為326.5 m。因此，加壓泵站供水靜揚程為272.5 m。

由于加壓泵站與水箱地形標高相差為270 m，供水采用單級直接加壓方式，其泵站內加壓泵與管道壓力較大。同時，考慮水錘的影響，綜合考慮安全等因素，泵站設計采取以下方案。

① 泵房布置遵循《泵站設計規范》(GB 50265—2010)，水泵室與電氣控制柜均獨立設置，做到干濕分離、動靜分開，且能預防高壓管道爆裂等危險因素。

② 從人身安全方面考慮，泵站內外墻體和屋頂全部采用鋼筋混凝土現場澆筑，其中靠近動物園一側為實體鋼筋混凝土墻且禁止設置門窗。

③ 泵房采光、通風、維護和泵站安全防護等設施布置，均需滿足日常生產運行管理方面的使用要求。

2.2 輸水管道設計

2.2.1 管道走向的確定原則

① 為了減少水頭損失并降低能耗，輸水管道一般盡量沿垂直等高線布置，以縮短輸水管線的長度。

② 為了防止滑坡和泥石流危害的影響，管道走向必須經現場踏勘，選擇地質情況良好的山坡敷設。

③ 為了避免產生彌合性水鍾，管道盡量沿山坡穩步上升敷設，中途不應出現管道峰頂或坡度劇變的現象。

2.2.2 管道數量和管徑的選擇

由于三茅峰惠山歷史文化館的日常用水主要供應2個室內公共衛生間和工作人員生活用水，用水量比較小。設計時考慮在室外增設1只消火栓，兼顧附近山林防火。消火栓選用SN65型，其消防用水量為18 m3/h。根據用水需求情況，除考慮應急山林防火消防供水外，供水方案主要為山頂不銹鋼水箱補充水量，因此單管敷設完全能滿足正常的使用需求。

在確定管徑時，要綜合考慮實現系統優化。當管徑增大時，管道造價會增加，但輸水流速降低，水頭損失相應減小，泵站運行能耗也會減小；反之，減小管徑，管道造價雖然降低，但輸水流速會增大，日常運行能耗也相應增加。因此，根據壓力輸水管道經濟流速的要求并綜合考慮降低管道沿程損失，選定輸水管道管徑為DN89，滿足消防用水量時的管道流速為1.01 m/s。

2.2.3 管道管材確定

根據加壓泵站與山頂水箱輸水高程變化的實際情況，輸水管設計最低承壓為1.0 MPa(輸水管末端)，最高工作壓力為3.0 MPa(輸水管起端)，水錘壓力以不超過5.0 MPa考慮(超過上述設定壓力時，自動開啟泄壓)。根據《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》(CECS 193:2005)的有關規定，輸水管道宜采用能承受高壓的鋼管[2]。同時,考慮該工程的實際用水和山體土質情況，輸水鋼管擬采用管內壁光滑、水阻小、耐腐蝕的S304不銹鋼管道。

鋼管壁厚采用滿足規定的構造壁厚和承壓力計算壁厚之中的大值[3]，工程設計時根據泵站地面的相對標高進行分段，確定承壓和壁厚見表1。

表1 輸水管道承壓與壁厚

2.2.4 管道敷設的要求

① 由于管道敷設在山坡巖石或半巖石基礎上，管道底部應鋪設厚度為150 mm的中粗砂墊層。

② 由于日常用水量較少，供水間隙時間較長，為防止冬天管道結冰，沿線管道原則上采用暗敷的方式，其管頂覆土不得少于30 cm。若局部區域無法滿足上述要求，應做好相應的防凍保溫措施。

③ 為防止水土流失和溝槽土方滑坡，坡度較陡的管線需每間隔5 m在溝槽橫斷面上砌筑石擋土墻，其他一般地段每間隔10 m在溝槽橫斷面上砌筑石擋土墻。

④ 為穩定管頂覆土并防止水土流失，建議在管道溝槽表面種植根系發達的草皮或播撒草籽。

2.3 水泵選型

該工程設計主要為通過加壓泵站將自來水輸送至山頂原有不銹鋼水箱，同時兼顧山林消防用水，故單臺水泵設計流量按12 m3/h考慮。根據山下動物園室外供水管網的分布情況，加壓泵站水泵吸水方式采取直接從動物園DN200管道上抽水。

根據《給水排水設計手冊第1冊常用資料》[4]，輸水管道長度為932 m的沿程水頭損失為13.0 m，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計算，則總水頭損失為15.0 m。因此，水泵所需揚程為289 m(富裕水頭取1.5 m) 。選擇DGF25-12多級離心泵2臺(1用1備)，應急山林防火消防時可同時開啟2臺水泵，水泵性能參數見表2。

表2 水泵性能參數

3 附屬設施與管道附件

3.1 附屬設施

由于輸水管道沿線山坡覆土層較淺且質地輕壤，常規支墩設置方式無法滿足該管道支撐。設計要求在輸水管道彎管、三通、分支管均須設置錨固拖拉支墩，其中錨固鋼筋伸入山坡巖石的長度不得少于35倍鋼筋直徑，同時在鎮墩的兩邊1.5 m處各設置1座固定支架[5]。

3.2 管道附件

3.2.1 緩閉止回閥

在每臺水泵出口管道上設置微阻緩閉式止回閥，大大減輕了停泵倒流時水流產生的壓力沖擊，減少了水錘的產生，保障了管線和設備的使用安全。

3.2.2 中壓安全閥

在泵站出水總管起端安裝安全閥，其超壓排泄通過DN100鋼制管道連通Ф500專用鋼制消能罐，高壓水經消能降壓后排入Ф1200鋼筋混凝土井，以保證設備和管道內的水壓力不超過設定壓力。

3.2.3 中壓減壓閥

為了輸水管道和泵房內檢修放空排水的需要，在泵房出口干管上設計旁通排水管。由于泵房內管道的靜水壓力為272.5 m，因此在排水管上必須安裝減壓閥，同時在其兩側安裝高、低壓壓力表，以便觀察閥前后的壓力變化。減壓閥后的管道直徑選定比閥前進口管徑大2號，設計時采用DN150鋼制管道。

3.2.4 波紋伸縮節

為防止輸水管道地基不均勻沉降和溫度應力危害管道，設計時每隔100 m左右設置1只不銹鋼波紋伸縮節。

4 安全防護

4.1 水錘防護

由于該工程為單管高揚程供水且輸水管道沿線地形變化大，易產生具有很大破壞力的高壓水錘。為了減小管道水錘對泵站的影響，采取如下主要措施。

① 在每臺水泵的出口管道上設置緩閉式止回閥，有效降低水錘的危害。

② 在泵站出水總管起端安裝安全閥(泄壓閥)，當泵站管道內壓力超過設定水錘最高壓力時，安全閥自動開啟泄壓，保證系統最高水壓不超過設定壓力，保障水泵和管道的正常工作，防止意外發生。該工程中安全閥的設定自動開啟壓力為5.0 MPa。

③ 輸水管道出口底標高應大于水箱最高水位10 cm。由于該輸水管道距離比較短，沿線敷設無倒坡現象，其中途未布置自動排氣閥，因此該管道出口為整個輸水管道的最高點。發生水錘時，該管道出口可起到進、排氣功能，從而穩定管道內氣壓。出現水擊現象時，又能迅速泄出部分水錘高壓水，中斷水錘波的連續性，降低緩沖運行中產生的水錘壓力。

4.2 排水防護

由于泵站內出水總管的壓力較高，管道放空排水時必須減壓消能后才可正常排放，以避免高壓直接排水發生的次生危害。工程設計考慮管道放空排水時先通過減壓閥降壓后再排入Ф1 200鋼筋混凝土消能井，最后敷設DN200的排水管接入山坡截洪溝。

4.3 雷擊防護

由于泵站地處山坡上，周圍地形地勢復雜、高低懸殊，地理環境特殊，為防止雷擊對系統的破壞，對建筑物采取了相應的防雷措施。

① 在泵站四周設置環形接地網，下引線與基礎鋼筋網及樁基連接，用測地阻搖表測試，其接地電阻值不得大于4 Ω。

② 在泵房屋面周邊安裝Ф10熱鍍鋅圓鋼避雷帶，其避雷下引線應與泵站設置的接地網連接，從而做好直擊雷的有效防護。

③ 泵房內設置與防雷接地相連的等電位聯結端子箱，將水泵、設備控制柜等基礎保護接地與其連接。做好電氣配電箱等金屬外殼與等電位端子可靠連接，形成一個泵房等電位連接網，防止感應雷的危害。

5 結論

該工程屬于山區高揚程單級加壓供水工程。在正常情況下，雖然輸水流量較小，但水泵需一次加壓輸水至設計標高為326.5 m的水箱，實際運行停泵時泵房出口承受產生的最大水錘達到4.3 MPa，其停泵水錘壓力為日常工作壓力的1.4倍，未超出設計允許最大壓力5.0 MPa。因此，為有效防止水錘對泵站及管道產生危害，應根據現場客觀情況采取相應的安全防護措施。工程運行實踐表明，小流量高揚程供水工程可以采用單級直接加壓的供水方式，具有經濟合理、安全可靠、管理維護方便等優點，完全能滿足正常使用需求。