彝良縣城市輸水管線設計方案探討

羅建維

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830001)

1 工程概況

彝良縣位于云南省東北部，昭通市中部，介于東經105°51′～104°45′、北緯27°16′～27°57′之間，地處云、貴、川3省結合部的烏蒙山區(qū)。近年來彝良縣社會經濟發(fā)展較快，城鎮(zhèn)人口不斷增長，生活用水量和工業(yè)用水量迅速增長。彝良縣缺水問題逐漸突顯。目前彝良縣有兩座水廠，第一自來水廠設計供水規(guī)模為1萬m3/d，廠址位于發(fā)達河東面彝海公路起點處。現狀供水量已經不能滿足城市發(fā)展以及人民生活水平日益發(fā)展的需要，且該水廠由于修建年代久遠，供水安全性不高。第二自來水廠設計供水規(guī)模為2萬m3/d，該水廠始建于2013年3月，目前已建成。其輸水管道兩次水源點相繼因面源污染等客觀原因遲遲未修建。因此，為保障縣城供水安全，盡早啟用第二自來水廠顯得尤其迫切。因此根據實際需要，擬建設重力流輸水管線及其附屬建筑物，用于向彝良縣城市進行供水。

2 輸水管道設計

2.1 輸水線路比選

根據彝良縣1∶10000地形圖分析及現場勘測結果表明：發(fā)達河兩側山體渾厚，山頂高程1800 m～1960 m，水源地花溪溶洞洞口高程僅為1005 m，因此輸水管道線路只能沿發(fā)達河河谷布置。線路前段由于受水源高程低的限制，輸水管道只能順河埋設。線路后段接近城區(qū)，房屋非常密集，且與第二自來水廠距離較近。為節(jié)省工程投資，避免征地協調，輸水管道后段結合彝牛二級路布置。最終設定方案如下。

2.1.1 方案一

輸水管道自花溪溶洞取水，由于取水高程較低，管道出花溪溶洞后穿過曹海段道路后跨至發(fā)達河左岸埋設，之后沿發(fā)達河左岸布置，管道過花魚洞、發(fā)達村后至花橋電站取水壩，為避開陡崖峭壁，沿崖頂布置過白沙坡、溝邊等村寨，在豐境生態(tài)農莊處下穿043鄉(xiāng)道后，繼續(xù)沿發(fā)達河左側岸坎布置，過巖腳、河壩等村寨后，管道在靛塘村下方處穿過河道至發(fā)達河右岸，之后沿右岸岸坎布置，至角奎水文站。繼續(xù)順坡而上，跨過小河電站引水溝后，止于公路旁揚水泵站進水池。管道流量0.342 m3/s，管徑為DN600和DN500，總長17.157 km。

本方案的特點是基本沿發(fā)達河岸坎布置，盡量減少與道路、溝渠的交叉干擾，線路長度相對方案二較短，但占用耕地較多，施工時需要新建施工便道，施工工期較長。

2.1.2 方案二

輸水管道自花溪溶洞取水，由于取水高程較低，管道出花溪溶洞后穿過曹海段道路后跨至發(fā)達河左岸埋設，之后沿發(fā)達河左岸布置，管道過花魚洞后至郭家灣子右岸曹海段公路，沿公路邊及花橋電站引水溝布設至豐境生態(tài)農莊門口的043鄉(xiāng)道，跨至發(fā)達河左岸通村路，之后沿路邊埋設，在角奎水文站及一水廠揚水站下游約200 m處穿河至右岸，止于公路旁揚水泵站進水池。管道流量0.342 m3/s，管徑為DN600和DN500，總長17.705 km。

本方案的特點是沿道路和引水渠布置，少占耕地，可利用現有道路施工，施工便捷，但線路長度相對方案一較長，同時對交通造成不利影響，也增加路面及排水溝恢復費用。

2.1.3 方案比選

本次比選主要從地形地質條件、工程布置及施工條件等幾個方面闡述，比選過程及結論見表1，方案布置情況見圖1。從工程布置、工程規(guī)模、征占地、施工條件、運行管理、概算投資綜合比選后，選擇管線短，施工運行管理方便，投資概算低的方案一。

表1 輸水線路比選表

2.2 輸水管材比選

輸水管材的確定是在控制工程投資和保證輸水管線安全運行的重要環(huán)節(jié)，根據《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282-2016)規(guī)定，輸水管材應根據輸水用途、地質情況、管材性能、管道荷載、土壤凍融情況等綜合確定

本工程管道主要為人飲供水，同時整條線路地形較陡，交通不便，因此管道布置為明管與有壓淺埋管結合，同時滿足有壓引水要求，方便施工，應選經濟耐用、可靠性高、無毒安全的管材。根據給水工程輸水系統對管材的要求，結合彝良縣在輸配水管道的使用情況，經綜合考慮，初選鋼管、PVC-O管，并進行比選。

鋼管韌性、彎曲等力學性能良，強度、剛度、抗沖擊、耐磨性能強，對變形適應力較差，耐壓等級高，彈性系數較大，抗水錘能力強。接口安全穩(wěn)定性高，不具有柔性，施工要求高，但管材彎曲與柔韌性能好，抗震性能好。糙率n=0.011，DN600價格1540.8元/m(8 mm)，DN600價格1758.92元/m(10 mm)。

PVC-O韌性、彎曲等力學性能良，但強度、剛度、抗沖擊性能差，對變形適應力較強，耐壓等級較低，抗腐蝕性強，彈性系數較大，抗水錘能力強。接口具有柔性，管材彎曲與韌性能較好，采用普通的承插式粘接施工或RR膠圈承插連接施工，操作簡單。糙率n=0.009，1531.96元/m(1.0 MPa)，1760.1元/m(1.6 MPa)

由于項目區(qū)滑坡、落石等地質災害現象頻發(fā)，為保障供水安全性，推薦選用抗沖擊韌性較強的鋼管，并考慮飲水安全性和造價等因素，在鋼管材質中選擇造價相對較低的螺旋鋼管，防腐采用內涂環(huán)氧樹脂(EP)，外涂聚乙烯(PE)。同時工期緊張，考慮到PVC-O管質地輕，無需吊裝，人工即可完成安裝，施工速度快，為節(jié)省工期，本階段考慮在地形相對平緩且水頭較低的地段，采用PVC-O管。

因此本工程管材推薦選擇以鋼管為主，輔以PVC-O管，在保證安全輸水的基礎上，又可加快工程進度，盡快發(fā)揮水廠效益，滿足縣城供水需求。

2.3 輸水管道水錘分析計算

2.3.1 水錘分析

本項目輸水工程輸水方式為有壓重力輸水，在輸水管道中設有排氣閥、排水閥等閥件。可能導致水錘產生的情況是：(1)在開、關閥門和流量調節(jié)操作過程中，由于迅速操作，導致管內流速發(fā)生變化而產生水錘；(2)管內排氣不暢，產生氣囊運動，導致管內流速發(fā)生變化而產生水錘。

2.3.2 水錘計算

管道沿線長17209 m，管徑630 mm，設計方案中管線末端設置水力控制閥。本工程水錘壓力采用數值模擬軟件Bently HAMMER進行計算，對設計方案閥門設置進行了模擬計算。管線末端控制閥關閥時間設定為：前40 s關至60%，后80 s關至100%。

本次主要針對以下幾種工況進行計算：

a.沿線未設置任何水力控制閥；

b.沿線在15+500處設置超壓泄壓閥。

水波傳播波速1359.87 m/s，海森威廉系數130，管徑600 mm，流量145 L/s。

根據水錘模擬軟件的分析結果最大水錘壓力約2.7 MPa(15+500處，圖2)。管線為人飲水工程，為增加管道輸水的安全性，防止極端危險的情況發(fā)生，在15+500處安裝超壓泄壓閥。重新復核計算后管道沿線的最大水錘壓力為2.0 MPa，經計算，管道的承壓級別滿足要求(圖3)。

圖2 沿線未設置任何水錘防護措施

圖3 沿線在15+500處設置超壓泄壓閥

2.4 附屬建筑物設計

2.4.1 閥門井

根據《室外給水設計標準》(GB 50013-2018)要求，閥門井主要設置在管道分水、進排氣、排水閥門處，閥門井均采用鋼混結構形式。本工程共設置控制閥井4座，分水閥井2座，進排氣井26座，排水井7座。其中閥門井平面尺寸為3.0 m×3.0 m，壁厚0.4 m，底板厚0.5 m。為便于人員操作、維修，其上留有邊長1.0 m的進人孔，井內側均在隔墻上設有鋼爬梯。此外，在上部控制閥室為便于檢修，加快日常維護等工作，對部分閥門井進行加裝檢修控制間。檢修控制間為磚混結構，內置配電箱、量水設施等，便于電腦端對管線進行監(jiān)控。

2.4.2 鎮(zhèn)墩、支墩

為防止管道發(fā)生位移，根據《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282-2016)要求，本次設計明管段每隔6 m設置支墩1座。管道沿線共設置鎮(zhèn)墩178座，設置支墩786座。

2.4.3 管道交叉建筑物

本項目輸水管道線路長，管道交叉建筑物多，主要分為穿路建筑物、跨溝(河)建筑物，根據平面布置，本次設計共布置穿路建筑物8座，跨溝(河)建筑物6座。

3 結論

彝良縣城市補水管網輸水管網的鋪設方案，對整個工程有著重要的影響。雖然當地環(huán)境地質條件較差，工況復雜，輸水危險系數較高。但為保證彝良縣正常供水，必須合理對該管線進行設定。本文通過對管線、管材等進行必選，同時校核水錘現象對管道的影響，最終選定出合理的輸水路線，以保證彝良縣正常供水，使該管線的經濟效益和社會消息順利發(fā)揮。