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 項目區概況

項目區水源為喀河水源，通過灌區外供水總干管工程，向某團二期灌區供水，灌區設計灌溉面積為0.42萬hm2，根據《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定，確定該工程的工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型工程。

2 項目區工程設計

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《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定，主要建筑物級別為3 級，次要建筑級別為4級。

根據《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域位于一期灌區內，不涉及防洪工程內容。

2.2 管網系統設計

2.2.1 管網系統設計工作壓力

2.2.1.1 設計工作水頭要求

管網系統的工作壓力是實施灌區正常灌溉的主要控制指標，灌區內分干管分水口壓力應滿足田間滴灌系統和噴灌設備進口工作壓力。根據節水灌溉系統典型設計，滴灌系統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進口壓力要求，經水力計算，灌區總干管匯水點（四條現狀干管匯水點，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，二期灌區范圍內西南側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自壓骨干管網設計及計算

根據流量推算和選用管材，通過水力計算確定管徑。骨干管網是自壓輸水，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向灌水系統起始點提供的水頭。在總干管進口水頭一定的情況下，通過調整管徑改變水頭損失來滿足灌溉系統進口的壓力。

2.2.3.1 設計流量

根據推算，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范》中均推薦下式計算。各類管材參數見表1。

表1 各類管材參數表

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—管道內徑，m；L—管長，m；m—流量指數；b—管徑指數。

局部水頭損失：原則上應根據管道附件的布置類型及數量，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

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

綜上，按照地質條件，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，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正常運行，系統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水流，方便系統運行管理維修，包括進水閥和節制閥兩種。

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 節制閥

當各級骨干管網上的某處管道出現故障而需要排除時，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的作物得不到灌溉。為了減小影響，需在這些管道上設置節制閥，當關閉節制閥時，節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點位置設置節制閥，共計3處，節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，通氣孔直徑依據公式確定：

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

根據計算分析，此工程進排氣閥規格為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壓力超過某一定值、或因快速關閥引起水錘而使管內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，迅速排出一定數量的水泄壓，而當管道內的壓力降到允許值時，閥門又自動關閉，使管道內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制閥，根據水錘分析，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、節制閥前后、過濾系統進出口及各節水灌溉系統進口位置，是用于觀測管道的壓力狀況。管網只有具備了完善的觀測體系，才能防患于未然，及時平衡和調控各級閥門的開閉，以達到合理調配水量的目的。

根據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

此次工程規劃的總干管位于九次干道以北，現狀一、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，頂管內套鋼管，前后承插連接。頂管特性統計表詳見表2。

表2 頂管統計表

2.2.5.2 蓋板涵

此次工程總干管與現狀非等級道路以及規劃道路的交叉采用蓋板涵，蓋板涵采用暗涵結構形式，涵內穿管，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布置的設備確定。各類閥井底部設置排水涵管，當閥井內漏水，采用潛水泵放置在排水涵管中，將積水抽出閥井。

2.2.5.5 鎮墩

為保證管道安全，正常運行，需在管道變徑、轉彎處及管道末端設置鎮墩，鎮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。根據鎮墩受力情況，通過抗滑穩定計算、抗傾覆穩定計算及基底應力計算最終確定鎮墩尺寸。

3 結論

綜上所述，該項目的建設符合國家國民經濟發展要求，有利于增強項目地區的發展后勁，項目在技術上和經濟上是可行的，應多方籌措資金早日實施項目，加強組織管理，力爭經濟、社會、生態三大效益協調統一發展。