某供水工程輸水管道設(shè)計(jì)

唐 帥,邢 飛 趙志鵬

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

1 工程背景

做好農(nóng)村飲用水安全保障工作，是全力推進(jìn)扶貧攻堅(jiān)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)全面建成小康社會(huì)目標(biāo)、建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的重要內(nèi)容。某西部山區(qū)丘陵地區(qū)，水資源保障差，缺乏長(zhǎng)期供水保障能力，現(xiàn)根據(jù)地區(qū)實(shí)際需要，建設(shè)供水保障工程，以解決當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟щy，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水源保障。

2 工程概況

供水保障工程建設(shè)內(nèi)容包括：輸水管道，加壓泵站2座和高位水池。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，屬于長(zhǎng)距離有壓重力流輸水管道，輸水高差近600m，需進(jìn)行二級(jí)加壓。一級(jí)加壓泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位100m，設(shè)計(jì)流量0.1m3/s，一級(jí)加壓泵站到二級(jí)加壓泵站，長(zhǎng)度2km，二級(jí)加壓泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位442.5m，設(shè)計(jì)流量0.1m3/s，二級(jí)加壓泵站到高位水池的長(zhǎng)度為10km，高位水池為矩形水池。按照停水檢查12h需水量，確定水池容積為1500m3，高位水池設(shè)計(jì)水位690.5m，地震設(shè)防烈度采用8度。

一級(jí)加壓泵站至高位水池段均地質(zhì)土層多為黃土和濕陷性黃土，勘測(cè)深度內(nèi)未見(jiàn)地下水，沿線地勢(shì)高低起伏變化較大，整體地勢(shì)自起點(diǎn)至末端高位水池逐漸升高。

3 輸水管道

3.1 管材選擇

根據(jù)輸水管道工作壓力、管頂覆土厚度，考慮工程投資并結(jié)合國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)和運(yùn)行的實(shí)際情況，進(jìn)行管材對(duì)比選擇。本輸水工程加壓泵站至高位水池的距離比較長(zhǎng)，工程地形條件復(fù)雜、落差大，為確保供水任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，所有供水管道均采用有壓輸水方式、全程使用鋼管。

3.2 經(jīng)濟(jì)管徑選擇

對(duì)12km管道初步選擇3種管徑DN300、DN400、DN500鋼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)比較，比較方法采用最小年成本法。年成本即計(jì)算期內(nèi)需回收的基建投資(折算成等額系列資金，折算時(shí)間30年，折現(xiàn)率8%，電費(fèi)按0.65元/(kw·h)計(jì)，運(yùn)行維護(hù)及其他取1%)和年生產(chǎn)成本和，最低者為經(jīng)濟(jì)管徑，將3種方案按最小年成本法進(jìn)行比較詳見(jiàn)表1。

表1 三種方案最小年成本法

根據(jù)SL 310—2019《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，輸配水管道的設(shè)計(jì)流速宜采用經(jīng)濟(jì)流速，不宜大于2.0m/s；輸送原水的管道的設(shè)計(jì)流速不宜小于0.6m/s。通過(guò)上述經(jīng)濟(jì)方案比較，方案2最優(yōu)，故管道依據(jù)沿線地質(zhì)情況選用1根DN400的管道輸水。

3.3 管道水頭損失

一級(jí)加壓泵站到二級(jí)加壓泵站提水高度342.5m，二級(jí)加壓泵站到高位水池提水高度248m，DN400鋼管的粗糙系數(shù)取值為0.011，水力半徑為0.1m，按照曼寧公式，求得謝才系數(shù)為C=61.9m1/2/s，由λ=8g/C2，求得局部水頭損失系數(shù)λ=0.02，最后沿程水頭損失按達(dá)西-威斯巴赫公式計(jì)算，得出沿程水頭損失hf=19.20m，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)，得出全程水頭損失為21.12m，其中一級(jí)加壓泵站到二級(jí)加壓泵站水頭損失hf=3.52m，二級(jí)加壓泵站到高位水池hf=17.6m，管道水頭損失見(jiàn)表2。

表2 管道水頭損失表

3.4 管道橫斷面設(shè)計(jì)

輸水管線沿程敷設(shè)方式主要為直接地埋式開挖施工，管道沿線管溝斷面選擇為梯形，DN400管道一側(cè)的工作面寬度不小于300mm，正常情況下，開挖邊坡為1∶0.75～1∶1，最小管頂覆土深度為1.2m，基礎(chǔ)采用10%水泥土墊層；當(dāng)穿越河流時(shí)，開挖邊坡為1∶0.75，管頂覆土深度不小于2.0m，采用倒虹吸形式，鋼管外包C30混凝土，基礎(chǔ)為C20混凝土；當(dāng)管道穿越道路時(shí)，開挖邊坡為1∶0.5，管頂覆土深度不小于2.0m，基礎(chǔ)采取10%水泥土墊層加原土翻夯1m，采用頂管形式穿越，頂管采用DRCPⅢ DN800套管，內(nèi)部吹填粗砂，各種斷面型式及頂管大樣圖如圖1—4所示。

圖1 管道橫斷面

圖2 鋼管穿河橫斷面

圖3 鋼管穿路橫斷面

圖4 頂管大樣圖

3.5 管道附屬結(jié)構(gòu)

因輸水管道沿線地形起伏變化，導(dǎo)致供水管線在不同地段形成隆起、凹下，易聚集空氣，出現(xiàn)倒虹吸狀況，輸水運(yùn)行過(guò)程中也存在由開關(guān)閥、流量調(diào)節(jié)和充水、放空等情況，導(dǎo)致有壓管路中某一點(diǎn)管路中的工作部件工作狀態(tài)發(fā)生改變，引起管內(nèi)流速急劇變化，壓強(qiáng)大幅度的改變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管道變形，或發(fā)生管壁破裂等嚴(yán)重事故，導(dǎo)致水錘危害。壓力最高段管道及揚(yáng)水泵站是水錘防護(hù)的重點(diǎn)，針對(duì)以上情況，措施如下：

(1)在管道隆起處，沿管線約1km設(shè)置1個(gè)空氣閥及檢修閥，以及在水泵出水側(cè)設(shè)置1臺(tái)液控止回蝶閥，防止管道發(fā)生水錘和檢修排水時(shí)能自動(dòng)補(bǔ)氣。

(2)在空氣閥處澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)空氣閥井，保證空氣閥的正常工作。

(3)在管道的低處，沿管線約3km設(shè)置1處排水閥和排水閥井，排除管道中的淤泥和水。

(4)在管線進(jìn)出口處設(shè)置流量計(jì)和流量計(jì)井，監(jiān)測(cè)和控制流量的變化。

(5)在管道轉(zhuǎn)彎、起伏較大處，設(shè)置混凝土鎮(zhèn)、支墩，抵消該處水壓力對(duì)管道的沖切影響，保證管道自身的穩(wěn)定性。

3.6 其他

管道設(shè)計(jì)時(shí)，鋼管還需滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及抗浮穩(wěn)定要求；鋼管的壁厚滿足最大水壓力要求；鋼管耐腐蝕性差，需進(jìn)行抗腐蝕性設(shè)計(jì)；管道安裝完畢后，需進(jìn)行水壓試驗(yàn)；為了保護(hù)管道，管道周圍要設(shè)置警示帶和警示牌等。

4 加壓泵站

4.1 加壓泵站選擇

一級(jí)泵站直接從輸水總管上取水，輸水管道有剩余超過(guò)40m的富裕水頭，輸水揚(yáng)程應(yīng)不小于346.02m，二故級(jí)泵站從進(jìn)水池取水，最終供至高位水池，揚(yáng)程應(yīng)不小于265.60m，考慮經(jīng)濟(jì)效果，選用1臺(tái)備用機(jī)組即可，工作機(jī)組初步按1臺(tái)、2臺(tái)、3臺(tái)進(jìn)行方案比選，水泵機(jī)組比選表見(jiàn)表3。

表3 水泵機(jī)組比選表

方案2中，高揚(yáng)程水泵配套電機(jī)功率過(guò)高，性能不理想，對(duì)泵站配電等設(shè)施要求過(guò)高，方案3中，總流量?jī)H為0.1m3/s，采用三用一備方案有些浪費(fèi)。因此綜合考慮方案1為最優(yōu)方案，即采用一用一備。本站水泵揚(yáng)程高，根據(jù)國(guó)內(nèi)水泵生產(chǎn)情況，此高揚(yáng)程的水泵較少，也有普通離心泵可以滿足泵站高揚(yáng)程的需要，但是國(guó)內(nèi)廠家少，效率不高，因此經(jīng)過(guò)多方面考慮比較，本泵站選擇臥式多級(jí)離心泵。按照揚(yáng)程和流量，一級(jí)加壓泵站選擇D360-40×10，二級(jí)泵站選擇D360-40×8。

4.2 泵站安裝高程

在進(jìn)水池最低水位時(shí)，必須滿足不同揚(yáng)程工況下水泵的必需汽蝕余量的要求。同時(shí)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的同類型泵站，留有足夠的安全裕度，防止水泵汽蝕、振動(dòng)的產(chǎn)生，避免進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生有害漩渦。D360-40×10與D360-40×8允許吸上高度都為3～5m，鋼管粗糙系數(shù)為n=0.012，吸水管管徑400mm，吸水管長(zhǎng)度10m，進(jìn)水口處局部水口損失系數(shù)為5，彎管處水口損失系數(shù)為1，選取進(jìn)水池水面為基準(zhǔn)面，列進(jìn)水池水面和水泵平面的能量方程，則：

由上式求得水泵的安裝高程見(jiàn)表4。

表4 水泵安裝高程表

5 結(jié)論

(1)輸水管道設(shè)計(jì)要充分考慮地形地質(zhì)條件、管內(nèi)外工作壓力等，選取合適管材、管徑、斷面型式以及附屬結(jié)構(gòu)，充分考慮輸水高度、水頭損失、流量等，確定加壓泵站水泵選型及安裝高程，管道及泵站也要滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求。

(2)本文對(duì)長(zhǎng)距離有壓重力流輸水管道設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，但只對(duì)已選定方案進(jìn)行了部分設(shè)計(jì)，在實(shí)際輸水管道設(shè)計(jì)中，要通過(guò)多方案對(duì)比，判別項(xiàng)目的可行性和合理性，確定項(xiàng)目建設(shè)方案，再對(duì)選定方案進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，以保證工程安全性、技術(shù)先進(jìn)性、資源適用性、經(jīng)濟(jì)合理性、項(xiàng)目可持續(xù)性。