荒田水庫至西疇縣城高水頭應急供水方案研究

李海圣

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510000)

0 引 言

隨著我國經濟的飛速發展，城市建成區自來水的需求量大幅增加。破解供水難題，切實保障城市供水運行穩定和人民群眾飲水安全，是全面建設小康社會的重要任務之一[1]。尤其是對于水源結構單一、供水保證率低的城市，亟需合理確定城市應急水源方案。位于云南省東南邊陲的西疇縣目前存在水源體系不完備、供水結構不完善、水體質量不達標等問題，嚴重威脅區域經濟發展和當地百姓生產、生活安全。為增加縣城供水可靠性、緩解當地水資源供需矛盾，加快西疇縣應急供水工程建設迫在眉睫。

由于區域內荒田水庫調節性能較好、自流供水范圍較大，應急供水工程以荒田水庫作為水源補給，通過新建輸水管道向西疇縣城供水。工程在水庫放水管(DN400鋼管)出口處，旁分一支直徑DN300的輸水岔管，后接供水主管引水至西疇縣英代村附近的水處理廠，經處理后輸水至西疇縣水廠進行統籌安排。項目設計供水流量0.035m3/s，新建供水管24.654km、水廠1座，工程類型為IV型，主要建筑物級別為5級[2]。由于管道在水庫取水口高程為1617.25m，管線中部經過南利河1051.47m，而縣水廠高程為1514m，管道最大設計壓力達6.4MPa。工程屬于典型的高水頭、長線路供水工程，具有流速快、水損大的特點[3]。筆者結合荒田水庫至西疇縣城應急供水設計實際，對該工程的高水頭供水方案技術要點進行專項研究和總結，以期為類似城市高水頭供水工程提供有益的指導。

1 項目建設條件

1.1 水文氣象條件

荒田水庫位于西疇縣城東北方向約19km處的西疇、硯山、廣南三縣交界處，南利河上游壩達河左岸支流達內河上游，屬紅河流域瀘江水系。壩址以上徑流面積2.5km2，河長1.59km，河道平均比降1.07%。荒田水庫處于低緯度地區，屬南亞熱帶高原季風氣候類型。氣候具有冬春干涼、夏秋濕潤；冬無嚴寒、夏無酷暑等特征。

1.2 地質條件

工程位于云貴高原的南緣斜坡地帶，高程范圍為1600-1960m，區域地勢東高西低，屬低中山區侵蝕地貌。工程區主要由碳酸鹽巖夾碎屑巖組成，侵蝕和溶蝕作用是區內地貌形成的主要營力，近代和現代的侵蝕作用以河流迅速下切，溯源侵蝕為主要特征。工程區山脈走勢基本與構造線一致，主要呈北東南西向延伸。擬建管道主要沿山路鋪設，沿途所經地層大部分基巖直接出露，部分區域表層覆蓋有殘坡積碎石土、含碎石粉質黏土等，厚度0.50-2.50m不等，往下為全風化-強風化巖，受母巖巖性影響較大，風化程度、風化厚度不一。全線僅HT4+952-5+152段位于一大峽谷內，常年可見季節性洪水，其余區域未見大型滑坡、泥石流等不良地質現象，整體工程地質條件較好。

2 供水規模設計

2.1 管道設計流量

根據《城市供水水源規劃導則》(SL627-2014)[4]，應急供水工程設計規模應綜合考慮應急備用供水對象、供水破壞概率、缺水造成損失等因素來確定，其備用供水量一般≥城市居民生活需水量的60%-70%。結合西疇縣實際情況，干旱年份時縣城現有水源體系可靠程度不高，為充分保障非正常氣候條件時縣城居民的生活用水需求，進入應急供水時水源應至少保障縣城居民生活用水需求的70%，據此計算保障城鎮居民生活最大用水量為2513m3/d，折合流量0.029m3/s。同時，未來荒田水庫將承擔下游部分耕地灌溉供水以及縣城以東部分農村人口的生活用水及牲畜用水任務，農村生活日均供水量364m3/d，最大日供水量509m3/d，非應急供水時期管道所需的最大流量為0.006m3/s。因此，荒田水庫應急供水管道設計流量應為縣城最大應急供水流量0.029m3/s與農村居民生活最大供水流量0.006m3/s之和，即0.035m3/s。

2.2 應急供水量

根據西疇縣城水源體系組成結構以及國內其他地區應急水源供水經驗，以最不利條件組合估算應急供水量，即已有水庫水源均失去供水能力的情況下，在應急供水期31d內保障縣城居民平均日用水量的70%，即1933m3/d。據此估計縣城設計供水需求總水量約為6萬m3，按照3月份削減灌溉水量4萬m3后再動用荒田水庫多年庫容2萬m3左右即可保障應急狀態下縣城居民的基本生活用水需求。

3 供水工程設計

3.1 供水線路比選

荒田水庫至西疇縣地形高低不平，落差相對較大，且需要跨越南利河，考慮采用渠道布置時，跨越沖溝較多，倒虹吸規模大，工程施工工期較長、施工難度較大、投資較高。經綜合考慮，工程采用管道供水。結合現狀地形地貌條件和管道輸水特點，擬定2條設計供水線路進行比選(布置見圖1)。

圖1 線路比選方案

方案1(右岸方案)：根據管道走線，在滿足水頭的條件下，管道沿達內河右岸布置，在水庫低輸水隧洞內埋管至隧洞出口，出口設置分水閥。閥后取水管線沿河右岸布置至朱家沖上游約600m處，再沿達內河右岸1530-1570m之間等高線布置至上達內村山坡處。管線再垂直于沖溝方向跨越三所村沖溝至1543m高程處，繼而順右岸沿1540-1560m之間等高線布置至新寨村山坡處，穿過470m長隧洞至李子平山坡處，出隧洞后跨越南利河沿山而上，進而沿1500-1540m(S201省道)之間等高線朝西疇縣城方向布置至新建水廠。該方案新建管道總長23.197km。

方案2(左岸方案)：管道沿達內河左岸布置，在水庫低輸水隧洞內埋管至隧洞出口，出口設置分水閥。閥后取水管線沿河左岸邊布置至朱家沖，然后再沿達內河左岸通村公路附近經十二毛坡至三家寨附近跨越達內河，再沿達內河右岸公路附近布置，至瓦廠電站下游跨越南利河，然后沿老鷹巖景區、劉家塘隧洞，到達英代村附近新建水廠。該方案新建管道總長24.654km。

兩方案對比如表1所示。由表對比分析可知，本階段推薦施工干擾較少、施工條件較易、管理維護條件較好、工程投資較省的方案2。供水方案示意節點如圖2所示。

表1 供水線路方案比較表

圖2 推薦供水方案示意節點圖

3.2 輸水管材選擇

工程輸水管道承受壓力較大，管道基本沿河道兩岸公路鋪設，選擇的管材應具有足夠的強度，且應滿足施工方便、安全衛生。結合當地經濟建設與發展實際水平，選擇鋼管(包括無縫鋼管和螺旋焊管)、球墨鑄鐵管和PE管作為工程比選管材。管材價格對比見表2。經分析可知，球墨鑄鐵管價格方面優勢明顯，PE管最貴，鋼管價格適中；從施工上說,PE管施工方便，但承壓能力低。球墨鑄鐵管施工難度較大，但考慮管線基本沿通村公路布置，交通較方便。由于跨越南利河段時，管道最大水壓力達6.4MPa，壓力較大，為保證供水管道可靠性，該段優先采用無縫鋼管。綜合考慮管道施工的難易程度以及工程投資，管材確定為：當水壓力≤4MPa時采用球墨鑄鐵管，當水壓力>4MPa時采用無縫鋼管。

表2 輸水管材價格比較表

3.3 管徑及壁厚設計

3.3.1 管徑設計

輸水管道管徑選擇考慮兩個因素：①在水庫死水位時保持輸水管道管頂最小水頭≥2m，以確保供水可靠；②輸水管道流速應控制在不沖不淤流速(0.5-3.0m/s)，并盡可能靠近經濟流速(1.5-2.0m/s)。管道直徑采用以下水力學公式計算：

(1)

式中：Q為輸水管設計流量，m3/s；v為輸水管設計流速(m/s)。

經計算管徑應≥150mm，在滿足設計輸水流量前提下，常用管徑選擇有DN250、DN300等。考慮縣城供水水頭較高，根據水力計算，當管徑越小，流速越大，水頭損失亦越大。當選擇DN250管時，流速為0.71m/s，水頭損失為57.8m；當選擇DN300管時，流速為0.5m/s，水頭損失為24.4m。由于進縣城段水頭較高，若采用DN250管徑則供水范圍較小，局部需要提水。經技術和經濟比選后，確定管徑為DN300。

3.3.2 壁厚設計

根據《水電站壓力鋼管設計規范》(NB/T 35056-2015)，鋼管壁厚需滿足構造要求、抗內壓強度要求以及抗外壓穩定要求等[5]。其中，構造要求上管壁最小厚度需考慮制造工藝、安裝、運輸等要求，以保證必需的剛度；抗內壓根據相應強度校核公式計算，且亦應考慮2mm的磨蝕厚度；抗外壓根據相應穩定性公式計算。管壁厚度計算見表3。經分析可知，由于該工程管徑較小，管壁厚度計算中以抗內壓為主，管道在樁號HT7+726.0-HT+8+816.0段和樁號HT10+615.0-HT16+559.0(跨南利河段)前后水頭最大，對此段采用Q235和Q345兩種鋼材進行比較。經查實，鋼材Q235與Q345價格相差不大，管材厚度可以從Q235的12mm減少到Q345鋼管的8mm，因此該段管材采用較為經濟的Q345鋼管。其余管段采用K9球墨鑄鐵管，可滿足強度要求。

表3 管壁厚度計算表

3.4 管道結構及附屬建筑物設計

根據工程區地形地質條件，輸水管道采用明管和埋管相結合的鋪設方案：當管線基礎出露基巖或沿公路布置時，采用明管鋪設，并在管線變化處設計鎮墩(見圖3)。鎮墩采用C20鋼筋混凝土，其寬1.2m，長1.2-1.45m，高1.2-1.45m。管道每隔5m設置一座支墩，支墩采用C20混凝土，支墩寬0.6m、厚0.40m，支墩頂設置二氈三油滑動層。當管線基礎為土基時，采用埋管敷設(見圖4)。管槽開挖邊坡為 1∶0.5，管道安裝時，兩側預留30-50cm的施工空間，安裝完成后，回填開挖料(跨溝、河管道外包25-50cm厚混凝土，其上再回填開挖料；部分管段需跨越道路時，埋管按路基標準回填后，再恢復路面至原狀并壓實)，管道埋深≥70cm(跨溝、跨河管道埋至最大沖刷深度以下)。經過交通路面的埋管管段以C20混凝土外包，其結構斷面尺寸為700mm×700mm(寬×高)。管道在平面或立面轉彎、變管徑、三通處設C20鋼筋混凝土鎮墩。根據工程布置方案，供水管線共設置平面鎮墩610個、豎向鎮墩490個；共設支墩5500個、伸縮節259個。

圖3 明管典型斷面圖

圖4 埋管典型斷面圖

供水管道每隔2km設置一個檢修閥(總計設置13個檢修閥)；在管道凸起點設置排氣閥，長距離無凸起點的管段每隔1km左右設置排氣閥(總計設置25個排氣閥)；在管線低點處設置排污閥(總計設置13個排污閥)。在新建水廠及縣城水廠設置放水閥，總計3個(其中新建水廠2個，縣城水廠1個)，每個放水閥配置電磁流量計。根據《室外給水管道附屬構筑物》(07MS101-2)，閘閥井采用C20矩形鋼筋混凝土結構。排氣閥內部尺寸為1.2m×1.2m×1.8m(長×寬×高)，壁厚300mm；檢修閥、放水閥和排污閥內部尺寸為1.3m×1.3m×1.8m(長×寬×高)，壁厚300mm。

3.5 水廠設計

考慮水庫引水至英代村后供水范圍為線性向各鄉鎮供水，英代村附近有一處廢舊采石場滿足縣城應急供水的高程條件，因此考慮在樁號HT22+038處設置水廠。水廠廠址選在可滿足建筑物布置要求，且地形相對開闊、地質條件相對較好、高程符合供水要求、離供水區較近和便于管理的地方。經現場勘察，廠址可選在離西疇縣東南向約2km處小山包附近。水廠主要建筑物包括：反應沉淀池、濾池、投礬加氯間、除鐵錳裝置、清水池、管理房等。廠區總圖布置原則為：流程短捷、布置緊湊、占地節省、功能齊全、管理方便。廠區總平面布置基本上按功能劃分為生產(水處理)區、生產建筑物等。各區之間以綠化帶和道路分隔。

4 結 論

荒田水庫至西疇縣城應急供水工程具有高水頭、長線路的特點，工程沿線跨越建構筑物較多。結合供水工程設計實際，在系統分析項目建設條件的基礎上，進行了供水工程的專項方案設計和研究。工程的建設，可加快解決縣城應急供水困難問題，保障縣城用水安全，對推動區域經濟水平高速發展具有極為重要的作用。主要結論如下：

1)方案二(左岸方案)施工干擾較少、施工條件較易、管理維護條件較好、工程投資較省，確定其作為供水線路推薦方案.

2)當水壓力≤4MPa時采用球墨鑄鐵管，當水壓力>4MPa時采用無縫鋼管。

3)根據水力學計算，輸水管徑確定為DN300，高水頭鋼管段管壁厚度以抗內壓為主，并采用較經濟的壁厚8mm的Q345鋼管。

4)輸水管道采用明管和埋管相結合的鋪設方案，并沿線設置鎮墩、支墩、閥井等附屬建筑物，確保工程的安全、穩定運行。