大坪大壩供水工程管線布置及管道施工探析

杜丹強

(韶關市利源工程建設有限公司，廣東 韶關 512000)

0 引 言

大坪大壩工程供水規模W=330m3/d，為IV型工程。工程主要建設內容為：新建取水陂頭3座，粗濾池3座，新建250m3清水池1座，20t/h一體化凈水設備1套，設備管理房34.4m2，設備管理區180m2，大坪村新建配水主管及支管16.41km，巷道管及入戶管8.34km，新谷村新建配水主管及支管6.63km，巷道管及入戶管8.64km，新建原水輸水管8.27km，輸配水管網總長48.31km。輸配水主管及支管沿線共設置閘閥、排氣閥、泄水閥、減壓閥以及水池消納器74個，主管及支管安裝水表共20個，設置閥門井94座。

1 工程概要

乳源瑤族自治縣大坪供水工程位于大橋鎮境內，全鎮21個村委會，1個居委會，265個自然村，8322戶；共266個村(居)民小組。鎮有總人口41000人，戶籍總數8499戶，戶籍總人口39662人，其中農業人口38749；總面積384km2，耕地面積3.94萬hm2，林地面積2.65萬hm2，森林覆蓋率72%。

該工程共新建水陂頭3座，水陂A-1后輸水管為dn200，水陂A-2及A-3后輸水管均為dn160，水陂A-3輸水管沿廢棄引水渠至水陂A-2所在支流處接入水陂A-2的輸水管dn160，繼續沿廢棄引水渠至原水源點下游處與水陂A-1后的dn200輸水管匯合后，通過dn200輸水管沿現狀廢棄排水渠至下山峽附近，穿過清溪洞村道輸水管道由dn200轉dn160后基本沿等高線880m至巖前村后山頂較高點的馬坳墩附近932m高程處設250m3清水池1座，并配20t/h一體化自動凈水設備1套及配套管理防護措施。輸水主管沿線設閘閥4個，泄水閥3個，排氣閥2個，水錘消納器2個。

2 管線布置

2.1 配水管線布置

配水主管共布設3條，其中BK供水范圍為臘子窩、上窩，出水池與輸水管并排埋設至分叉口，分別設入村支管，主管段BK長1.4km，管徑為dn63。

BN供水范圍為巖前、塘洞、新屋，出水池沿現有土路至巖前，沿村道至塘洞村，分別設入村支管進入巖前、塘洞和新屋，主管段BN長1.66km，主管管徑dn75。

BJ供水范圍為大坪村委其余的大坪、跌茍龍、石山背、竹子排、黃六塘等5個自然村以及新谷村的9個自然村，主要沿717鄉道及939鄉道布設，主管段BN長6.16km，主管管徑dn110，沿線在各自然村道路入口分別設支管入村。

配水管線較長的在最低點設有泄水閥，最高點設有排氣閥，各入村支管前端均設有閘閥及水表，對于入戶靜水壓高于40m水頭的管線前端設有減壓閥。

配水主管線沿線共設閘閥30個，泄水閥9個，排氣閥4個，減壓閥3個，減壓閥16個，水錘消納器4個[1-2]。

2.2 巷道管及入戶管網

村內巷道管結合村內地形采用dn25-dn40的管敷設，入戶管每戶按20m考慮，其中表前每戶dn25管15m，表后每戶dn20管5m，每戶均安裝鎖閥1個，水表1個，止回閥1個，閘閥1個。

3 管線水力計算

3.1 設計流量

該工程輸水主管設計流量應按最高日最高時用水量確定，經計算，輸水主管設計流量為34.05m3/h。

3.2 設計流速

輸水管的設計流速，宜采用經濟流速。各管徑的經濟流速如下：

dn<150mm時，流速：0.5-1.0m/s；

150

d>300mm，流速：1.0-1.5m/s。

管徑小、管線長取低值；塑料管道流速可略高于金屬管和混凝土管流速。本工程管線管徑均≤200mm，水源至各自然村線路較長，高差較大，且低洼段均布設排水閥，故本工程管線流速盡量控制在0.5-1.0m/s，局部輸配水主管流速略<0.5m。

3.3 水力計算

管線水力計算主要為水頭損失計算，管道水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。

1)沿程水頭損失按下式計算：

H1=iL

(1)

式中：h1為沿程水頭損失，m；L為計算管道的長度，m；i為單位管長水頭損失，m/m；UPVC、PE、SRCP、SP-C管的單位管長水頭損失按下式計算：

i=10.67q1.852C-1.852d-4.87

(2)

式中：i為單位管長水頭損失；q為管段設計流量，m3/s；d為管道內徑，m；C為海曾威廉系數，因管線均為塑料管，故取塑料管的低值140。

2)局部損失按沿程損失的5%-10%計算，本工程取10%。

3)管線水力計算過程見表2。

表2 管線水力計算表

其他管道水力計算結果略。

4 管道敷設

4.1 管道敷設設計

該工程應防止配水管人為破壞及凍壞等防護措施。

1)開挖溝槽，溝深≥0.7m，溝底寬≥0.7m，如有局部超挖需用符合要求的原土分層夯實，當溝底的地基為巖石或半巖石時，應鏟除至設計高以下0.15m-0.2m，然后鋪上土或砂墊層整平夯實。

2)回填溝槽，安裝敷設完畢后應盡快回填；管道下部與管底的空隙必須填實；接口前后0.2m范圍內不得回填，以便試壓時觀察。管槽回填分層厚度<200mm，夯填密實度要求達80%-85%以上，管道兩側及管頂以上500mm內的回填土不得含有碎石，磚塊，垃圾等雜物。水壓試驗合格后，應及時回填其余部分空隙。

圖1 管溝開挖標準斷面圖

3)特殊地基情況，如軟弱地基采用換沙基礎或其他特殊地基視情況處理，穿越(或跨越)河道、橋涵等構筑物時，按實際情況確定，或從底穿過，或鋼管架空跨過。

圖2 過公路破路標準斷面圖

4.2 管道附屬設施

4.2.1 管道附件

本工程引水管線管道主要附件包括閥門、排水閥、排氣閥、水表等。

1)閘閥或球閥：

配水管道的起點、終點、分叉處均需設置閥門以備檢修，且線路2公里范圍內需至少有1個檢修閥門。

2)排水閥：

輸配水管道低洼處及閥門間管段低處，需設置排水閥，根據測量資料及沿線實際地形需要。

3)排氣閥：

管線隆起點上應設通氣設施，管線豎向布置平緩時，宜間隔1000m左右設一處通氣設施。根據測量資料及沿線實際地形需要，支線高點也應設置排氣閥。

4)減壓閥：

當進入自然村的管線靜水壓超過40m時，須在入村口設置減壓閥，減壓值可根據實際壓力進行調整。

4.2.2 閥門井布置

干管上及入村主管的閥門以及水表均設閥門井，檢修切斷閥門井采用鋼筋混凝土結構，閥門井內徑采用1200，本工程設置閥門井共94個，閥門井做法參照國標圖集07MS101-2。

5 設計計算

5.1 水陂抗滑穩定計算

水陂的結構設計、消能防沖設計參照《水閘設計規范》(SL265-2016)中，根據現場地質條件，各水陂均坐落于巖基上。

5.1.1 計算公式

根據《水閘設計規范》(SL265-2016)，水閘抗滑穩定計算公式：

(1)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數(對于土質地基，基本組合Kc≥1.20，特殊組合Kc≥1.05)；f為閘室底板與河床之間的摩擦系數，根據地質報告，取0.40；∑W為kN，代表作用于閘室上全部垂直力的總和；∑P為kN，代表作用于閘室上全部水平力的總和。

閘室基底壓應力計算公式：

(2)

式中：Pmax、min為kPa，代表閘室基底應力的最大值或最小值；∑G為kN，代表作用在閘室上的全部豎向荷載；∑M為kN·m，代表作用在閘室上的全部豎向荷載和水平荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩之和；∑W為m3，代表閘室基礎底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩；A為m2，代表閘室基礎底面的面積。

5.1.2 荷載組合

分別對基本組合和特殊組合的各種計算情況進行抗滑穩定及應力計算。

5.1.3 計算典型斷面

本次選取水陂A-3作為典型斷面進行抗滑穩定、及基底應力計算。計算簡圖見設計圖。

5.1.4 計算基本資料

1)水位資料：采用斷面對應的校核洪水位和正常蓄水位；

2)根據地質勘察報告，巖基摩擦系數取f=0.55，地基承載力為1000kPa；

3)水陂容重r=23kN/m3,水重r水=9.81kN/m3；

4)A=1.98m，陂頂高程990m，陂底高程988.1m；

5)基本工況：上游水位990.56m，下游水位988.9m；

特殊工況：上游水位990m，下游水位989.55m。

5.1.5 計算結果

結果見表2。

表2 水陂穩定計算成果表

5.2 水陂消能防沖計算

5.2.1 計算公式

水陂消力池深度、消力池長度、消力池底板厚度計算采用《水閘設計規范》附錄B中的相關公式，計算公式如下：

1) 消力池深度計算：

消力池深度按下列公式進行計算：

(3)

式中：d為消力池深度，m；σ0為1.05，代表水躍淹沒系數；α為1.00，代表水流動能校正系數；q為m2/s，代表過閘單寬流量；b1為m，代表首端寬度；b2為m，代表末端寬度；T0為m，代表板頂面算起的總勢能；ΔZ為m,代表落差；hs′為m，代表河床水深。

2)消力池長度計算：

消力池長度按下列公式進行計算：

(4)

式中：Lsj為m，長度；Ls單位為m，代表斜坡段水平投影長度；β般為0.75，代表校正系數；Lj單位為m，代表水躍長度。

3)消力池底板厚度計算：

消力池底板厚度根據抗沖和抗浮要求，按下列公式進行計算，并取其大值。

(5)

式中：t單位為m，代表始端厚度；ΔH′單位為m，代表上、下游水位差；q單位為m2/s，代表過閘單寬流量；k1般為0.2，代表底板計算系數；k2般為1.30，代表底板安全系數；U單位為kPa，代表底面的揚壓力；W單位為kPa，代表頂面的水重；Pm單位為kPa，代表脈動壓力；γb單位為kN/m3，代表飽和重度[3-4]。

5.2.2 計算結果

經計算得：消力池長度為4.607m，消力池深度為0.284m，由于本工程3個水陂均坐落于巖基上，且下游河床坡降較大，水陂以上集雨面積較小，結合實際地形地質情況，水陂下游設0.5m后的石籠，長5m。

6 結 語

根據《水閘設計規范》(SL265-2016)，水陂的抗滑穩定安全系數如下：建筑物級別為5級，對于基礎落在巖基上的擋土墻抗滑穩定安全系數應滿足正常運用條件下≥1.05，非常運用條件≥1.0；根據表中計算結果水陂抗滑穩定系數基本組合為1.38，大于規范值1.05，特殊組合為1.11，>規范值1.0，故滿足規范要求。水陂基礎未出現拉應力，最大應力為28.39(kPa)，小于地質報告中提供的巖基承載力為1000kPa，故基礎滿足承載力要求。