基于供水工程中壓力管道的設計流程

林詩然

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 51063)

1 工程概況

稔平半島供水工程從西枝江取水將水送至黃坑水庫，通過輸水建筑物和加壓泵站，為沿海旅游基地、種植園、經濟開發區等主要對象供水，并兼顧補充沿線稔山、鐵涌、平海和港口四鎮綜合用水。西枝江鯉魚嶺作為稔平半島供水工程取水口，取水流量為5.2m3/s。

2 管道平縱面設計

壓力管道布置需要經過多次的現場查勘，確定初步的設計線路，然后下達地質跟測量勘察任務書，取得平縱面設計的最基礎成果。結合平面測量圖跟地質資料和現場踏勘結果進行管線布置。以下是平面布置的幾點經驗：①考慮管道布置經過的地塊屬性，比如：農田、林地和山地等；②管道盡量選擇平坦的地方布置，比如路邊，山邊和河邊等；③管道布置遇到地形復雜的情況，比如高山、河流和高速道路可采用隧洞、頂管和盾構等暗挖的施工方法通過[1]。

壓力管道平縱面布置設計步驟：①根據前期的選址確定取水口和送水點；②在取得的測量圖上繪制管道中心線；③根據管道中心線將管道跟地面的縱斷面剖出來；④在縱斷面上調整壓力管道的覆土深度。

3 管道橫斷面設計

3.1 隧洞

本工程隧洞共有4條，包括1#鯉魚嶺隧洞、2#賽場坑隧洞、4#碧山隧洞、5#王爺徑隧洞，隧洞開挖面為城門洞形，主要考慮隧洞過水面為圓形且為有壓隧洞，隧洞襯砌及支護需要一定厚度，并且隧洞施工道路及排風等要求[2]。

圍巖Ⅱ～Ⅲ類用隧洞1型標準斷面；圍巖Ⅲ類用隧洞2型標準斷面；圍巖Ⅲ～Ⅳ類、Ⅳ類用隧洞3型標準斷面；圍巖Ⅴ類用隧洞3型標準斷面，且進行鋼拱架支護。

輸水隧洞典型斷面型式表，見表1。

隧洞進洞口及出洞口邊坡用放坡加錨桿支護。臨時邊坡采用1∶1坡比開挖，錨桿Φ20@2000，單根長度L=4.5m；坡面設Φ10@200鋼筋網，噴C25混凝土護面，厚度120mm。坡面設Φ50PVC排水孔，洞口周邊及邊坡頂部設素混凝土截水溝和防護網。

3.2 埋地輸水管

鯉魚嶺泵站至稔山分水口段，主管材為PCCP管，單節管長6m，管道內徑2m，管線長13.7Km，管道采用溝埋方式鋪設，管頂覆土厚度>2.5m，大部分管頂覆土厚度≤3.0m，管頂最大覆土厚度<6.0m。輸水流量5.2m3/s，管內設計平均流速1.655m/s。正常運行工況下，管道管頂以上為16～39m水頭。管線轉彎處采用鋼管，彎頭止推采用外包混凝土鎮墩。由地質報告知，該段地形地貌為一級階地及低山丘陵。供水管地基主要為②-1第四系沖積黏土和②-2泥質細～中粗砂層；其余為中粗粒花崗巖全風化層。局部管道地基存在淤泥質土，需要進行基礎處理。輸水隧洞典型斷面型式表，見表1；典型斷面圖，見圖2。

表1 輸水隧洞典型斷面型式表

圖2 典型斷面圖

3.3 管道穿公路

3.3.1 管道穿一般公路

輸水管沿線穿越國道、省道、縣道和眾多的低等級公路，穿公路管道采用鋼管外包鋼筋混凝土型式[3]。混凝土強度等級C20，厚度除D900為300mm外，其余均為400mm。典型斷面，見圖3。

圖3 典型斷面圖

3.3.2 頂管穿深汕高速

輸水管線在樁號A15+255～A15+340穿越沈海高速，采用頂管方案，頂管直徑D3000，頂管壁厚32mm，長度90m，頂管內鋪D2000鋼管，壁厚20mm。出發井和接收井為矩形，長×寬=15m×12m，采用連續墻+混凝土內襯型式，連續墻厚1.0m，內襯混凝土厚0.7m[4]。

3.3.3 跨河管道

輸水管道沿線跨越河道、沖溝和渠道較多，主要跨河道、沖溝有廣汕公路旁河溝(樁號A13+805～A14+650)、范和村旁河溝(樁號A27+045～A27+125)和竹瀝下旁河溝(樁號B8+340～B8+636)等，跨河管道采用鋼管外包混凝土型式，管道外包混凝土厚度同管道穿一般公路結構，管頂設漿砌石護底防沖，漿砌石厚度400mm。

4 管道設施一覽表設計

管道設施一覽表是管道各節點間管材的長度。通過計算表格先確定各節點轉彎半徑、半鎮墩長度和主管材長度(鋼管或PCCP管)，管道設施一覽表，見表2。

表2 管道設施一覽表

續表2 管道設施一覽表

5 管道水力計算

根據《室外給水設計規范》，水力計算公式為：

h=hf+hj

(1)

式中：hf為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m。

(2)

式中：ξ為局部水頭損失系數；v為管道斷面水流平均流速，m/s。

本工程管材有預應力鋼套筒混凝土管(PCCP)、鋼管和DIP管，PCCP和鋼管內涂防腐涂料，本工程DIP管粗糙系數的設計值取0.012[5]。

5.1 DIP管、鋼管沿程水頭損失

DIP管、鋼管沿程水頭損失采用下式計算：

(3)

式中：C為流速系數；n為管道的粗糙系數；R為水力半徑，m；L為管道長度，m。

關于管道的粗糙系數n，《室外給水設計規范》規定鋼管(涂料內襯)的粗糙系數一般取值為n=0.0105～0.0115，考慮到隨著運行時間變長，管道糙率有一定增加，所以本工程鋼管(內涂環氧涂料，防止貝類等微生物附著在管壁上)粗糙系數的設計值取0.012。

5.2 鋼管局部損失系數

本工程陸地埋管彎頭部分采用鋼制彎頭外包混凝土，主要是為了解決止推問題；三通采用鋼制三通外包混凝土，檢修閥前后連接段采用鋼管，所以，管線局部水損按以下公式計算：

1)彎管

3)排氣、排泥等處三通

采用直角岔管：ζ=0.10

4)檢修閥(碟閥)：ζ=0.2

5.3 計算結果

鯉魚嶺泵站～黃坑水庫管道壓坡線圖，見圖4。

圖4 鯉魚嶺泵站～黃坑水庫管道壓坡線圖

6 結 語

稔平半島屬于珠江三角洲沿海地區，多為山地、丘陵，平地狹長，島嶼眾多。本區經常受臺風、暴雨災害的危害。由于本區域中部多分布為高山、丘陵，地形上沒有蓄水建庫條件，屬于水源性缺水地區，對本地區農業生態環境的建設和發展造成一定的影響，除了繼續開發興建本地區蓄水工程外，跨流域引水已成必然。

綜上所述，供水工程實施后，極大緩解了稔平半島未來的水資源供需矛盾，對確保半島國民經濟持續發展和生態環境建設有著重大的意義。