桃源縣農村飲水安全工程取水系統改造方案要點淺析

何澤建

（湖南德江監理有限公司 常德市 415700）

桃源縣農村飲水安全工程取水系統改造方案要點淺析

何澤建

（湖南德江監理有限公司 常德市 415700）

在農村飲水安全工程中，取水系統經常受到外界因素的影響和破壞，造成大面積停水事故，影響人們的正常生產生活。文章總結了供水工程多年的營運經驗，設計了一個簡單、實用的取水方案，并對各部分進行了計算論證和優缺點比較，有利于農村飲水安全工程鞏固提升,促進水利事業向前發展。

農村飲水安全 取水系統 改造要點

1 問題的提出

桃源縣是一個山區、丘陵、平原兼有的大縣，總面積4 442.3 km2，轄27鄉鎮97.13萬人口，縣內溪河縱橫，水系發育，湖南四大河流之一的沅水橫貫全境。 水利工程設施星羅棋布，全縣共有大型水庫2座、中型水庫8座、小型水庫310座、防洪堤垸7座、電力機埠泵站786處、塘壩近6萬口。特別是農村飲水安全工程發展非常迅速，自2006年國家啟動農村飲水安全工程建設以來，到2015年底，全縣共有1 000 m3/d以上的供水工程33處，（200～1000）m3/d供水工程16處，（20～200）m3/d供水工程16處，20 m3/d以下的供水工程65處等。解決了桃源縣27個鄉（鎮）、6個國營林場、66所農村中小學生共計69.43萬人飲水安全問題。

由于這些水廠起步較早，建設和運營經驗不足，加之規模較小、投資有限等，對供水工程的取水系統沒有進行全面的計算論證，通過10多年的運行，出現了取水泵房多次被洪水淹沒，取水井內泥砂淤積嚴重，取水棧橋被沖毀等事故。取水系統出現事故后，停水時間長、涉及人口多、修復工程量大，修復后有可能造成二次事故，給廣大居民的正常生產生活造成嚴重影響。

2 改造方案要點分析

“十三五”以來，桃源縣農村飲水安全工程己進入到鞏固提升階段，為了把這項工作真正落到實處，筆者通過多年來的實踐經驗，按照投資少、實用性大、適應性廣的原則，推薦一個取水方案，其設計原理如圖1所示，包括取水電機、支撐控制、活動連接三個部分。

圖1 取水方案原理示意圖

2.1 取水電機部分

取水電機采用浮筒式潛水泵， 該水泵能漂浮在水面上， 可以隨水位的變化自由升降， 取水深度為（1～3）m，始終取表層水，不受水面風浪雜物的影響，同時可以控制底部泥沙的進入。安裝檢修方便快捷，由于該設備是成套產品，安裝時直接推入水中，檢修時又可直接拉到岸邊。該設備噪聲小，無占地要求，不影響通航和漁業養殖等。

浮筒式潛水泵主要由浮筒、潛水泵、固定鋼架組成。浮筒是一個用玻璃鋼或不銹鋼制成的密閉容器，其容積大小根據阿基米德浮力定律計算確定。即浸在液體里的物體受到向上的浮力，浮力大小等于物體排開液體所受的重力。

式中 F浮——整套設備的總重量，一般考慮1.5倍的安全系數。假定整套設備的總重量為1 000 kg，那么F?。?.5×1 000×10＝15 000 N；

ρ液——水的密度：1.0×103kg/m3；

g＝10 N/kg；

V排——所求浮筒的容積（m3），經計算V排＝1.5 m3。

由此可見，浮筒容積的大小是隨所選設備重量計算決定的，如果選用成套產品，生產廠家己經進行計算論證，不需要重復計算。

潛水泵可根據工程要求選擇各種類型的潛水泵，但需要進行流量、揚程等技術參數的計算論證。

潛水泵流量按凈水廠的水處理能力來確定，同時需考慮凈水廠的自用水量（一般取為10%），假定凈水廠的水處理能力為125 m3/h，那么：潛水泵流量Q泵＝125 x（1+0.1）＝137.5 m3/h，選型時與潛水泵系列型譜參數接近即可。

潛水泵揚程＝凈水構筑物頂部高程-取水點最低限制水位高程+輸水管道水頭損失+流速水頭。

假定：凈水構筑物頂部高程為100 m、取水點最低限制水位高程60 m、流速水頭取為2 m。輸水管道水頭損失需要計算，其計算步驟如下：

（1）輸水管徑計算。

式中 d——管道內徑（m）；

Q——管道流量 （m3/s），取為137.5 m3/h，即0.038 2 m3/s；

V——管中水的流速（1～2 m/s）取為1.5 m/s。

經計算d=0.181 m，即可選用內徑為d=200 mm波紋橡膠管。

（2）沿程水頭損失計算。

根據公式：h沿=i×L

i=0.000 915×（Q1.774/d4.774）

式中 h沿——沿程水頭損失（m）；

Q——管段計算流量（m3/s），取為137.5 m3/h即0.038 2 m3/s；

d——管道有效計算內徑（m），d=0.2 m；

L——管段長度（m），假定輸水管長500 m；

i——單位管長水頭損失（m/m）。

h沿=i×L＝0.000 915* （Q1.774/d4.774）×L＝0.000 915×（0.03821.774/0.24.774）×500＝3.03 m。

（3）局部水頭損失計算。

管道局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算：

h局=0.1×h沿=0.1×3.03＝0.3 m。

（4）輸水管道總水頭損失。

輸水管道總水頭損失=h沿+h局=3.03+0.3=3.33m。

由此可以推求潛水泵揚程＝100-60+3.33+2＝45.33 m，選型時與潛水泵系列型譜參數接近即可。

水泵電動機應選用與水泵配套的干式全封閉潛水三相異步電動機，可以長期浸入水中運行，具有傳統機組無可比擬的優點。

固定鋼架用來連接浮筒和潛水泵，固定鋼架與浮筒焊接為一體，保證穩定性，潛水泵置于固定鋼架內，用螺栓連接緊固。根據取水現場條件，潛水泵也可通過鋼絲繩和固定鋼架連接。見圖2。

圖2 浮筒式潛水泵結構示意圖

2.2 支撐控制部分

支撐控制采用鋼絞軟連接結構。該結構由支墩、鋼絲繩和手拉葫蘆組成。正常運行時，通過手拉葫蘆的鏈條作為伸縮段將鋼絲繩完全拉緊，將波紋橡膠管懸空，這時波紋橡膠管可以不受水面風浪和雜物的影響。當需要檢修調整時，可以通過手拉葫蘆將鋼絲繩完全放松，將波紋橡膠管放到水面上進行檢修和調整。

支墩位置一般選擇在地基堅固的自然山體上，用長（3～5）m鋼樁打入地基內構成支柱。如果地基強度不夠，可以采用現澆混凝土和加雙鋼樁的辦法予以加固。

鋼絲繩采用普通鋼絲繩，也可采用不銹鋼制的鋼絲繩，鋼絲繩的長度隨支墩的位置來確定，并留有足夠尾繩，尾繩只用于安裝檢修時調整浮筒式潛水泵的位置，可用其他繩索代替。鋼絲繩選型計算步驟如下：

（1）鋼絲繩的載荷計算。鋼絲繩承受的主要載荷是波紋橡膠管的自重和管內水體的重量。假定水面寬200 m，波紋橡膠管的長度取為100 m。鋼絲繩的載荷G＝波紋橡膠管的自重+管內水體的重量（d= 200 mm波紋橡膠管按5 kg/m計算）。

G＝100×5+3.1415×（0.2/2）2×100×1 000＝3 650 kg。

鋼絲繩受到的張力按力的平行四邊形法則進行合成，根據余弦定理進行計算：

即F合2=F12+F22-2F1F2cos20°其中：F1=F2F合=G

經計算：F1=F2＝10 550 kg（即105.5 kN）。

圖3為鋼絲繩受力分析示意圖。

圖3 鋼絲繩受力分析示意圖

（2）鋼絲繩的標記。按照國家標準《一般用途鋼絲繩》（GB/T 20118-2006）3.3的規定,鋼絲繩的標記方法按（GB/T 8707-88）規定：如，鋼絲繩30ZAB6× 19W+IWR1770ZZ567。這表示該鋼絲繩直徑 30.0 mm，AB級鍍鋅鋼絲，由6股捻制,每股有19根鋼絲，瓦林吞式鋼絲繩，金屬絲繩芯,鋼絲公稱抗拉強度1 770 MPa，右同向捻，最小破斷拉力為567 kN。

起重作業中最常用的是6×19型和6×37型鋼絲繩。

6×19型鋼絲繩用做纜風繩、拉索及制作起重索具,一般用于受彎曲載荷較小或遭受磨損的地方，有抗直拉力強和耐磨損的優點。

6×37型鋼絲繩用于起重作業中捆扎各種物件、設備及穿繞滑車組和制作起重用索具。適用于繩索受彎曲的地方，有抗彎曲載荷強的優點。

由此可見：本方案選用6×19型鋼絲繩比較適合。

（3）鋼絲繩的受力計算。鋼絲繩允許承受的最大拉力是有一定限度的,超過這個限度,鋼絲繩就會被破壞或拉斷,因此在工作中需對鋼絲繩的受力進行計算。

① 鋼絲繩的破斷拉力計算。

鋼絲繩的破斷拉力可從相關國家標準直接查出,考慮鋼絲繩捻制時使每根鋼絲受力不均勻,整根鋼絲繩的破斷拉力應按下式計算：

式中 SP——整根鋼絲繩的破斷拉力（kN）；

ΣSi——鋼絲繩設備手冊提供的鋼絲破斷拉力總和（kN）；

Ψ——鋼絲捻制不均折減系數。

對6×19型繩，Ψ=0.85；對6×37型繩,Ψ=0.82。

由國家標準查出30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型鋼絲繩破斷拉力總和為567 kN,那么：整根鋼絲繩的破斷拉力為：

② 鋼絲繩的破斷拉力估算。

在工作現場,一般缺少圖表資料,同時也不要求精確計算,此時可采用下式估算鋼絲繩的破斷拉力：

式中 SP——整根鋼絲繩的破斷拉力（kN）；

d——鋼絲繩的直徑（mm）。

30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型鋼絲繩破斷拉力SP=500 d2＝500×302/1 000＝450 kN。

與上式計算結果481.95 kN相差為6.6%。

③ 鋼絲繩許用拉力計算。

鋼絲繩的安全系數是為了保證起重作業的安全而設定的,不同用途的鋼絲繩安全系數大小各不相同，安全系數取值如表1。

表1 不同用途鋼絲繩的安全系數(K)

破斷拉力與許用拉力之比為安全系數，設鋼絲繩的許用拉力P，則：

式中 P——鋼絲繩的許用拉力（kN）；

SP——鋼絲繩的破斷拉力（kN）；

K——鋼絲繩的安全系數；

d——鋼絲繩的直徑（mm）。

30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型鋼絲繩,破斷拉力估算SP=0.5 d2=0.5×302＝450 kN，用做拖拉繩時,取K=3.5，則：

許用拉力P=SP/K=450/3.5=128.57 kN＞鋼絲繩的張力105.5 kN。

由此可見：本方案選用 30ZAB6×19W+ IWR1770ZZ567型鋼絲繩滿足要求。

由表2可知：選用30ZAB6×19W+IWR1870ZZ599型鋼絲繩更加安全可靠。

表2 3×19型鋼芯鋼絲繩破斷拉力對照表

手拉葫蘆是一種常用的起吊工具，由于鋼絲繩受到的張力為10.5 t，本方案擬選用20 t的手拉葫蘆可以滿足工程要求，但手拉葫蘆起升量作為整個支撐控制部分的伸縮量，其長度要求（5～10）m，能夠滿足鋼絲繩完全起升和放松即可。

2.3 活動連接部分

活動連接采用雙聯卡環。雙聯卡環由鋼絲繩卡、活動連接片和水管抱箍組成。鋼絲繩卡與鋼絲繩緊固連接時，與雙聯卡環緊固連接?；顒舆B接片與水管抱箍通過開口銷活動連接，以便安裝和拆卸。水管抱箍與波紋橡膠管通過不銹鋼螺栓緊固連接，水管抱箍上留有電纜線孔。

鋼絲繩卡選型時大小與所選鋼絲繩配套即可。鋼絲繩卡與鋼絲繩緊固連接，每隔1.5 m設置一個，沿鋼絲繩均勻分布。

活動連接片采用自制T型鋼結構，其豎直長度一般為0.2m，其中1＃、2＃、3?；顒舆B接片的豎直長度分別為0.5m、0.4m、0.3m，以便波紋橡膠管能夠圓滑連接。

水管抱箍采用自制Ω型鋼結構，其內徑與波紋橡膠管的外徑一致，用不銹鋼螺栓與波紋橡膠管緊固連接，每隔1.5m設置一個，沿波紋橡膠管均勻分布。電纜線孔的大小以能夠順利穿過電纜線即可。見圖4。

圖4 雙聯卡環示意圖

3 整體安裝與調試

取水設備整體安裝時。①通過尾繩將鋼絲繩拉到水泵取水點處（約1/2水面寬度）。②在岸邊將波紋橡膠管與浮筒式潛水泵連接牢固后推入水中，通過活動連接片將鋼絲繩與波紋橡膠管兩者連接為一體，在連接1＃活動連接片時波紋橡膠管應留有自由伸縮長度（2～3）m和懸空長度（3～5）m，并在懸空管段上涂刷等長紅黑相間的油漆作為警示標志。③繼續拉動鋼絲繩將浮筒式潛水泵慢慢拉到取水點位置。④將鋼絲繩固定在支柱上后通過手拉葫蘆拉緊鋼絲繩，使鋼絲繩和波紋橡膠管全部懸空，懸空高度通過觀察油漆標志來確定。⑤全面檢查，檢查時可以通過用力搖動鋼絲繩的方法來判定各部分連接是否完好。⑥檢查無誤后，即可向電機通電試運行。⑦通水后，由于鋼絲繩上荷載加大而下垂，需繼續通過手拉葫蘆慢慢拉緊鋼絲繩，直到恢復正常即可。⑧取下尾繩子，鎖緊手拉葫蘆，再次全面檢查。

水位變化時，浮筒式潛水泵可通過預留的波紋橡膠管伸縮長度自由升降。但是，當水位上升到一定程度后時，可以在1＃活動連接片右側添加活動連接片，當水位下降到一定程度后時，可以拆除1?；顒舆B接片及左側活動連接片。每添加或拆除一個活動連接片，波紋橡膠管就縮短或伸長1.5 m。因在鋼絲繩上預留有活動連接片，在波紋橡膠管預留有抱箍，添加或拆除時只需裝拆螺栓和開口銷，非常方便快捷。

4 方案優缺點比較

4.1 方案的優點

該取水方案沒有取水泵房、取水井及取水棧橋等水工建筑物，免除了取水泵房被洪水淹沒，取水井被泥砂淤積，取水棧橋被沖毀等問題的困擾。取水泵可隨水位變化自由升降，始終取表層水，滿足農村飲水安全工程的基本要求。輸水管道用鋼絲繩懸空，不受水面風浪雜物的影響。安裝檢修方便、無占地要求，同時可以縮短工期、節約投資等。

4.2 方案的缺點

（1）該方案支撐控制部分的鋼絲繩及手拉葫蘆承受的張力比較大，因此在選擇該設備時應適當大一些，要求留有足夠余量。

（2）該方案適用于寬200 m左右水面上。如果水面太寬，鋼絲繩和波紋橡膠管都會較長，增大鋼絲繩荷載，也增加安裝檢修難度。

（3）該方案要求波紋橡膠管直徑d≤315mm。如果波紋橡膠管直徑過大，正常運行時，波紋橡膠管里的水體也將會增大鋼絲繩荷載，因此該方案特別適用于供水規模為160 m3/h及以下的集中供水工程。

（4）該方案所選設備均安置于露天或水下，其材質均有防銹、防水要求。

5 結語

本取水方案是在總結吸取桃源縣130處集中供水工程10年營運實踐經驗教訓后，取其精華而產生的，具有原理清晰、結構簡單、投資少、實用性大，適應性廣等諸多優點?！笆濉币詠恚以纯h農村飲水安全工程己進入到鞏固提升階段，本取水方案具有一定的推廣使用價值。

[1]王燮山.理論力學[M].北京.水利電力出版社，1983.

[2]GB/T 20118-2006.一般用途鋼絲繩[S].

2017-02-08）

何澤建（1977-），男，湖南常德人，大學本科，高級工程師，目前從事水利水電工程施工監理工作。