景觀引水管線工程設計研究

□文/陳洪濤 王紹華 郭嘉镕 黃祥云

1 工程概況

我國南方某市大型景觀水系補水新建引水管線及附屬設施，為節省投資，未新建專用的取水和加壓設施，而是將現狀飲用水水源預處理場站作為補水水源，其出水水質、流量及水量均滿足景觀水體水質保障方案的要求。根據景觀水體水質保障方案，采用間歇補水的機制，起點接自現狀預處理場站的壓力出水管道，沿途穿越河道、國道及市政道路等障礙物，最終排入規劃水系，管道總長約5 km。

2 管材選擇

引水工程中管道投資所占的比例很大，因管材選用不當造成事故或增加不必要資金的教訓很多，因此管材的選擇對工程投資、施工工期以及后期運行具有重要的意義。目前我國用于引水工程的管材主要有鋼管、預應力鋼筒混凝土管及球墨鑄鐵管。見表1。

表1 管材優缺點對比

沿途穿越障礙物采用頂進施工法，管材的選擇主要從投資、工期、供水安全性等方面綜合考慮進行比選。

1）應將明挖施工段和頂進施工段作為整體考慮。由于頂管施工基坑造價較高，在頂進施工段基坑數確定的情況下，選擇綜合造價（包含管材及施工費用）較低的管材，適當增加頂進施工段長度對控制投資是有利的。

2）明挖施工段和頂進施工段應考慮采用不同管材。明挖施工段選擇標準長度大的管材既可縮短工期，又可減少管道接口提高供水安全性。但對頂進施工段，因擴大基坑尺寸對其造價影響較大且凈空有限，選用標準長度小的管材不僅有利于控制投資，還能縮短吊裝時間加快施工進度。

不同施工段采用不同管材還應考慮銜接的可靠性和便捷性，鋼管和球磨鑄鐵管的銜接需采用法蘭。對于引水管道，法蘭埋地后橡膠圈老化問題可能導致水質污染；若將銜接法蘭設于構筑物中，當銜接段較多時會增加不必要的投資。

3）充分尊重當地習慣做法可使施工質量比較容易得到保證，同時物料采購也較為快捷。本工程明挖施工段采用鋼管；考慮到頂進施工段不便進行養護，選擇安全性較好、造價相對較低的頂管專用預應力鋼筒混凝土管；兩種管材間采用鋼制彎頭連接。

3 經濟管徑與經濟流速

對壓力流引水工程來說，在流量一定的情況下，如選擇小流速-大管徑的管材，則管道綜合造價較高，但因水頭損失相對較小，泵房投資和能耗均相對較小；相反，如選擇大流速-小管徑，則管道綜合造價有所降低，但水頭損失相對較大，泵房投資和能耗也相對較大。經濟管徑與經濟流速的選取應綜合考慮管材造價、泵房建設投資以及運行過程中的能耗費用。

本工程利用現狀預處理場站出水泵房引水，無泵房建設投資，僅考慮管道造價和運行的能耗費用。在管道平面路徑及豎向高程確定，即總的沿程水頭損失系數及局部水頭損失系數不變的前提下，水頭損失與流量成正比。經濟管徑與經濟流速的選取主要考慮以下幾方面：

1）以出水泵房在補水流量下可提供的水壓作為前置條件，避免管徑過小水頭損失過大導致水壓不足；

2）考慮遠期景觀用水補水流量增加的可能，對經濟管徑的規格適當放大，以免出現遠期因水頭損失過大造成現狀泵房設備揚程不足，更換水泵造成二次投資；

3）為防止管道因水錘現象造成事故，在沿線設置排泥閥和安全泄壓閥的基礎上，經濟流速應≤3 m/s[3]。

綜上所述，按補水流量設計時，控制管徑使工程終點處留有一定余壓，作為遠期補水流量增加時水頭損失增加部分的能量儲備，在工程終點前設置消能井以避免當前對護坡及護底的沖刷；遠期補水規模按消能井前處1～2 m水壓反算考慮并保證遠期規模與當前補水流量間有一定的梯度。

4 管道設計與運行

4.1 給水優先

以現狀預處理場站在正常提供飲用水水源能力外，還有景觀用水所需的流量、水量和水壓為前提。

兩根現狀出水管道可分別提供0.5Q（Q為景觀用水補水流量）的流量。為保證飲用水水源的供給以及兩根出水管各自流量，擬建管道從兩根現狀出水管道分別接出并在現狀出水管和擬建管道銜接點附近分別設置流量調節分配裝置及設施，之后匯合為一根總管，見圖1。

圖1 引水管道主要設施設置

1）日常補水時，以流量計1和2數據作為自控輸入信號（分別按0.5Q控制），實時調節流量調節閥1～4，確保4條管路流量分配平衡；壓力傳感器1和2作為輔助信號，協助判斷實際運行工況與設計補水工況的一致性。

2）本工程是地表水與地下水并存的多水源供水系統，有可能出現景觀補水時恰逢飲用水水源水質突發性惡化，兩根現狀出水管供水量短時驟增的狀況。從用水重要性角度看，以保證生活飲用水為先，暫不進行景觀補水；從技術角度分析，流量的劇烈變化會導致現狀管線與擬建管線銜接處的壓力與設計補水工況的壓力相差較大，難以保證各管路流量分配，也不宜進行景觀補水。

3）將遠期景觀用水補水流量增加納入考慮，則以消能井前的壓力傳感器3 數據作為自控輸入信號（按0.01～0.02 MPa 水壓控制），實時調節流量調節閥1～4，在保證生活飲用水取水量的前提下，盡可能增加補水流量；壓力傳感器1和2作為輔助信號，協助判斷管道承壓，防止或減少管道漏水或水錘現象的發生。

4.2 補水口與清空口

間歇補水機制和穿越障礙物造成管道豎向高低起伏，低凹管段不可避免的出現死水。為避免下一次補水時積存死水進入景觀水系，采用兩種出水口，即補水口與清空口切換運行的控制方式。

考慮到若將清空口出水直接排至周邊雨水檢查井，不僅是對水資源的浪費且因短時集中流量增大下游雨水管徑不經濟，擬將清空口接入臨近再生水工程的原水調蓄設施，提高水資源利用率。

5 結語

引水工程的設計應緊密結合工程建設條件，力求做到因地制宜；作為地下永久性隱蔽工程，引水工程設計應考慮地區遠期發展的用水需求，避免二次投資或重復建設；引水工程設計應保證運行時供水的可靠性和安全性。