山地小集鎮大高差原水輸水管安全輸水設計

沈 權，施永生，王 琳，常新強

（昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明 650224）

大理州洱源縣喬后鎮集鎮供水工程近期（2020年）供水總規模為 2 000 m3/d，遠期（2030年）供水總規模為3 000 m3/d；該工程水源為山箐水，位于羅坪山花椒箐，取水點高程2 767 m，集鎮水廠位置高程1 942 m，取水點至水廠高差有825 m；原水輸水管為DN150球墨鑄鐵管，長8 586 m。

1 原水輸水管管材選擇

原水輸水管線投資占據給水工程中很大一部分，同時也是事故多發部分，許多停水事故通常是由于管材選擇不合理引起的。此外，不同材質的管材其水力特性也不盡相同，單位水頭損失的值也不相同，因此，在設計過程中合理選擇管材是保證輸水管網系統安全運行和穩定的關鍵[1-5]。

由于該工程取水點位置高，管線高差大，針對這一主要特點，其管材比較見表1、表2。

1.1 管材技術性能必較

表1 管材技術性能比較Tab.1 Comparison of Technical Performance of Pipes

由表1可知（1）球墨鑄鐵管具有抗壓強度高、耐壓性能、耐腐蝕、韌性好、密封性能好；（2）千米水損中球墨鑄鐵管最高，達到55.7 m，可以有效地將沿程管路中富余水頭消耗掉，從而達到降低管路中動壓的目的，使管路處于正常運行狀態下，提高輸水安全可靠性。

1.2 管材經濟比較

表2對各管材進行了比較。

表2 管材經濟比較Tab.2 Economic Comparison of Pipes

由表2可知在相同條件下，球墨鑄鐵管的造價最低，比鋼管節約130.14萬元，比鋼絲網骨架PE復合管節省20.62萬元。考慮到該輸水工程高差大，須設穩壓池，該輸水管材采用球墨鑄鐵管既徑濟又安全輸水的原則。

2 原水輸水管安全輸水設計

2.1 原水輸水管管徑確定

（1）水力計算公式的選擇

根據《室外給水設計規范》（GB 50013—2006）[6]，該工程原水輸水管道沿程水頭水力計算采用海曾—威廉（A.Hazen，G.S.Wi11iaIIla）公式：

式中hf——沿程水頭，m；

hj——局部水頭，m；

Q——流量，m3/s；

L——管長，m；

C——系數,塑料管C=150，新球墨鑄鐵管C=130，混凝土管C=120，舊球墨鑄鐵管和舊鋼管C=100；

D——管徑，m。

（2）原水輸水管管徑比選

由表3得知（1）DN150管的水頭損失最大，總水頭損失達到526.32 m，比DN200管多消耗水頭409.21 m，在滿足輸水能力情況下，優先選擇小管徑，以降低輸水管風險性。（2）在同等條件下，DN150球墨鑄鐵管造價要比DN200 球墨鑄鐵管節省53.28萬元。經技術經濟比較后該工程原水輸水管管徑全程采用DN150。

表3 管徑比選Tab.3 Comparison and Selection of Pipe Diameter

2.2 穩壓池與調節水池的設置

無論采用DN150球墨鑄鐵管還是DN200球墨鑄鐵管，其最后到達水廠前的富余水頭都超過200 m，從安全輸水角度考慮，采取分段減壓，在沿途設置穩壓池與調節水池。

為了充分利用水源水頭，采用全重力輸水，根據地形起伏高差，經過相關水力計算后，最終確定分別在管樁號 K0+914、K1+862、K2+764、K4+725、K5+652、K6+634處以及管樁號 K7+442位置設置7座 50 m3穩壓池；在管樁號K3+753位置設置1座100 m3調節水池（見圖1），該方案可以大大降低管路中靜水壓力和動水壓力（見表4），保證管道的正常運行。

2.2.1 穩壓池設計

由圖1和表4可知設穩壓池后 K0+000至K8+586各管段最大靜壓值降為0.92 m，最大動壓值減為0.38 m，每一管段的靜壓值都不超過1.0 MPa，設計中采用承壓值相對較小的球墨鑄鐵管就可以滿足安全輸水要求，這樣不僅可以節約管材成本而且可以提高安全輸水性。

該工程中采用鋼混結構的方形穩壓池（見圖2），占地面積少。該穩壓池頂板上設有通風帽、通風管可以與大氣連通。穩壓池的設計尺寸為3.9 m×3.9 m×3.3 m，進水管距離池底2.45 m，水墊厚1.45 m，距頂板0.85 m，池壁厚250 mm。

圖1 原水輸水管水力坡降圖Fig.1 Hydraulic Gradient of Raw Water Conveyance Pipeline

表4 設穩壓池前后主樁號處水壓值對比Tab.4 Comparison of Pressure Values for Main Tubular Pile before and after Setting Water Pressure Regulating Tank

2.2.2 調節水池設計

由于該輸水工程屬于單管線輸水、部分管道明管敷設以及一些不確定的因素。考慮其輸水安全性，在K3+753處設置一座調節水池。該水池不僅可以起到減壓作用，而且同時可以起到調節水量作用，可進一步提高輸水的可靠性。其結構與穩壓池設計相同（見圖2），設計尺寸為5.6 m×5.6 m×3.3 m。

綜合圖1、2可知由于兩個水池之間的距離一般都控制在1 km左右，且穩壓池與調節水池同時具備排氣與排泥的功能，因此本設計優化了傳統設計上在每隔1.5～3 km設置排氣閥和排泥閥，從而減少排氣閥和排泥閥設置數量，使工程施工管理更方便。

圖2 穩壓池、調節水池立面圖Fig.2 Elevation Drawing of Water Pressure Regulating and Water Adjusting Tank

2.2.3 閥門設置

（1）檢修閥設置

結合本工程的實際輸水特點及相關規范，本次工程設計中本著設置檢修閥門數量既少又能滿足工程需要的原則在每5～10 km布設一處，且靠近道路旁，方便操作，有利于管道分段檢修，以保證輸水安全性。

（2）泄水閥設置

在沿線低處布設自動泄水閥，根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》，本工程中自動泄水閥直徑選用DN35，當管路系統的壓力降低到一定數值時，該閥自動排泄管道內的水，以避免結冰造成損害。

本設計綜合考慮在K0+900和K8+000處設置檢修閥和泄水閥。

（3）排氣閥設置

在壓力管道的隆起點或閥門檢查井的下端上設置排氣閥，用以排除管內積聚的空氣，并在管道需要檢修、放空時進入空氣，保持排水通暢；同時在產生水錘時可自動進入空氣，避免管內產生負壓。本設計中根據沿線實際地形在沿線上K0+910、K2+760、K4+720、K6+630、K8+580 設置了 5 個復合式排氣閥，進一步提高輸水整體安全性。

3 結論

云南省小集鎮原水輸水管道的設計多數都有一個共同的特點，輸水高差大。結合洱源縣喬后鎮輸水管道設計，筆者認為在對云南省小集鎮原水輸水管管道安全輸水設計中應注意以下三點：

（1）若原水輸水管高差較大時，應在輸水管線上設置穩壓池，將沿程靜壓降到最小，既保證安全輸水又降低原水輸水管網投資。

（2）在滿足設計輸水量時，應選擇小管徑輸水，最大限度地消耗管路上的水頭，減少穩壓池的設置個數。

（3）在進行穩壓池設計時，根據實際情況，在管路的適當位置設置調節水池，以達到既能控制管網水壓，又可以調節水量，從而進一步提高原水輸水管的安全輸水性。

［1］黨志良.重力給水系統管道減壓的研究[J].西安理工大學學報,1998,14(1):80－83.

［2］齊欣,王琳,施永生,等.小城鎮供水管網規劃設計[J].凈水技術,2012,31(3):71－73.

［3］肖文淵.長距離大口徑輸水管道綜合式消能井結構技術研究[D].西安:長安大學,2003.

［4］宋乃碩,施永生,周文慶,等.大落差重力輸水在供水工程中的應用[J].科學技術與工程,2012.12(1):224－226.

［5］中國工程建設標準化協會.城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程[M].北京:中國計劃出版社,2006.

［6］GB 50013—2006,室外給水設計規范[S].