新余市城市供水應(yīng)急水源工程設(shè)計(jì)分析

高 飛

(中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330001)

1 工程概況

新余市目前正常運(yùn)行的市第三水廠現(xiàn)設(shè)計(jì)供水規(guī)模10萬(wàn)m3/d，水源為仙女湖(江口水庫(kù))，取水口在老碼頭位置；市第四水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模15萬(wàn)m3/d，水源為孔目江白云水庫(kù)，取水口在庫(kù)內(nèi)；兩水廠總設(shè)計(jì)供水規(guī)模為25萬(wàn)m3/d，其中枯水期兩水廠的總供水能力僅約19萬(wàn)m3/d。新余市第三、第四水廠供水范圍主要為新余市中心城區(qū)，目前兩水廠供水主管網(wǎng)尚未聯(lián)通，實(shí)行城南和城北分片供水體系[1-5]。

新余市供水工程主要存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題：

(1)江口水庫(kù)水源水質(zhì)問(wèn)題。江口水庫(kù)為市第三水廠取水水源，水庫(kù)水質(zhì)受上游宜春和萍鄉(xiāng)等城區(qū)的生活以及工農(nóng)業(yè)用水影響，而新余市自身無(wú)法對(duì)江口水庫(kù)上游水源進(jìn)行有效的管理，入庫(kù)水質(zhì)無(wú)法得到控制，從而導(dǎo)致市第三水廠水源水質(zhì)可靠性降低。2016年4月，江口水庫(kù)水污染事件爆發(fā)，導(dǎo)致市第三水廠無(wú)法正常供水，新余市全市用水出現(xiàn)極度緊張狀況，近半個(gè)城市居民用水受到影響。同時(shí)，通過(guò)江口水庫(kù)水源水質(zhì)分析，水庫(kù)庫(kù)區(qū)及庫(kù)周底泥中存在一定程度的重金屬污染，水庫(kù)水質(zhì)存在逐漸變差的風(fēng)險(xiǎn)和趨勢(shì)。

(2)應(yīng)急水源問(wèn)題。新余市城市供水無(wú)備用水源，一旦發(fā)生突發(fā)事件，將對(duì)城市供水與社會(huì)穩(wěn)定產(chǎn)生極大的影響。

(3)孔目江存在工程性缺水與資源型缺水。孔目江為新余市主要河流，流域面積597 km2，多年平均徑流量5.09億m3。孔目江水源水質(zhì)較好，便于保護(hù)與管理，是新余市較為理想的水源地，但流域水利工程對(duì)徑流的調(diào)節(jié)能力弱，而流域內(nèi)的生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水不斷增加，水資源利用矛盾突出。白云水庫(kù)為第四水廠取水水源，由于庫(kù)區(qū)淹沒(méi)等問(wèn)題難以解決，至今水庫(kù)一直按死水位運(yùn)行而未蓄水，水庫(kù)基本無(wú)調(diào)蓄能力，水庫(kù)來(lái)水量不能滿足水廠設(shè)計(jì)供水需求。此外，孔目江白云水庫(kù)下游河段為新余市重要景觀濕地河段，生態(tài)需水量大，水質(zhì)要求高，枯水期第四水廠取水后，河段生態(tài)水量缺口大，來(lái)水不能滿足濕地景觀要求。

獅子口水庫(kù)應(yīng)急備用水源工程作為新余市城市備用水源工程規(guī)劃的一期工程，在新余市城市供水體系中的地位尤為明顯，提高了現(xiàn)階段至規(guī)劃水平年新余市城市供水體系抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保障了城市居民用水安全，為維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定起到了不可替代的作用。

2 供水線路選擇

本工程應(yīng)急供水規(guī)模為多年平均日供水量16.0×104t，取水口位于獅子口水庫(kù)，水質(zhì)達(dá)到三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，興利庫(kù)容為1240萬(wàn)m3，經(jīng)論證能夠滿足應(yīng)急供水的要求。

本工程建成后將成為新余市城市供水應(yīng)急備用水源地，現(xiàn)狀規(guī)劃水廠分別為第三水廠和第四水廠，水源地分別為江口水庫(kù)和孔目江。考慮本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)對(duì)新余市應(yīng)急供水突發(fā)事件，供水管線采用單管布置方案。獅子口水庫(kù)至第四水廠供水管線工程是新余市應(yīng)急備用供水線路一期工程，本階段根據(jù)供水工程區(qū)的地形地貌及道路交通分布情況進(jìn)一步對(duì)供水線路進(jìn)行比選，見(jiàn)圖1。

圖1 兩方案線路布置圖示

方案一(推薦方案)：線路為取水口—春龍大道—滬昆高速—陽(yáng)光大道—第四水廠，長(zhǎng)7.535 km；

方案二(比較方案)：線路為取水口—S223省道—三石建材—滬昆高速—鐵路線—賽維大道—第四水廠，長(zhǎng)7.53 km。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，兩個(gè)方案的地質(zhì)情況基本相同，方案一與方案二線路長(zhǎng)度基本相等，方案一比方案二建筑投資多178萬(wàn)元，但是方案二線路主要是沿著省道及鐵路線布置，省道交通繁忙，且沿著鐵路線施工需與鐵路部門協(xié)商，管線施工難度較大且對(duì)交通影響很大；方案一管線便于施工且對(duì)交通影響不大，為了滿足該工程施工目標(biāo)，因此，本次選擇方案一線路方案。

3 輸水方式及主要建筑物

3.1 輸水方式

新余城區(qū)應(yīng)急供水從獅子口水庫(kù)引水，水庫(kù)死水位為62.8 m，水廠水池頂高程為75.5 m，不具備自流條件，需新建提升泵站，輸水方式采用加壓式。同時(shí)由于大部分供水管線位于城區(qū)，為避免沿途水質(zhì)污染，擬采用管道輸水。為減少管線施工開(kāi)挖，減少工程投資，采用“先提升、后輸水”的方案。

3.2 管徑確定

新余應(yīng)急供水采用泵站加壓輸水方案。本工程設(shè)計(jì)流量為2 m3/s，若采用大管徑則可減少水頭損失，降低泵站裝機(jī)，但相應(yīng)增加管材投資；若采用小管徑則可減少管材投資，但水頭損失加大，相應(yīng)增加泵站裝機(jī)。本次設(shè)計(jì)考慮管道經(jīng)濟(jì)流速的因素初步選用管徑1.0 m、1.2 m、1.5 m三種管徑方案進(jìn)行比選，三種管徑主要工程量及投資見(jiàn)表1。

表1 三種管徑主要工程量及投資

通過(guò)工程量及投資比較可知，1.0 m管徑方案投資最省，管道流速為2.6 m/s，1.2 m管徑方案投資次之，管道流速為1.8 m/s，1.5 m管徑方案投資最大，管道流速為1.1 m/s。考慮到應(yīng)急供水流量大、運(yùn)行時(shí)間短等特點(diǎn)，工程投資主要由管材決定，而管徑增大相應(yīng)管材投資亦大幅增加。雖然1 m管徑方案投資最省，但管道流速最大，對(duì)管道產(chǎn)生的水錘影響較大，因考慮縮短管道直徑的前提下盡量在經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)加大管道流速，且1.0 m管徑方案時(shí)的裝機(jī)容量為3600 kW，比1.2 m管徑方案增加較多，運(yùn)行期運(yùn)行費(fèi)用將大幅增加，綜合比選，本階段選取1.2 m管徑方案。

3.3 管材選擇

供水工程對(duì)輸水管道在安全性、管材強(qiáng)度、耐壓性、密封性、水力條件、施工維修、使用壽命等方面有較高的要求。輸水管道按材質(zhì)分，主要有預(yù)應(yīng)力混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管和玻璃鋼夾砂管等，作為供水工程輸水管道各具優(yōu)缺點(diǎn)。

考慮輸水安全性、管道安裝方便、工程地質(zhì)條件以及綜合造價(jià)，并結(jié)合當(dāng)?shù)毓┧芫€管材使用情況及城市供水的重要性，本工程輸水管線采用球墨鑄鐵管，跨高速路及鐵路段采用鋼管。

3.4 輸水方案布置比選

本次設(shè)計(jì)對(duì)兩種布置方案進(jìn)行定性比較：

方案一：泵站加壓和重力輸水方案。樁號(hào)0+000～1+800段采用泵站加壓提水，樁號(hào)1+800～7+535段采用重力加壓輸水至水廠。泵站布置在獅子口水庫(kù)取水口，泵房提升后2根出水鋼管合并成一根鋼管與球墨鑄鐵管連接后沿春龍大道布置至高位水池，該段長(zhǎng)1.8 km。高位水池布置在樁號(hào)1+800處，高位水池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底高程為95.0 m，斷面尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)16.0 m×16.0 m×6 m。高位水池出口接球墨鑄鐵管采用重力輸水的方式至水廠，該段長(zhǎng)5.735 km。本工程球墨鑄鐵管管徑為1.2 m，供水管線總長(zhǎng)7.535 km。

方案二：泵站加壓輸水方案。該方案采用泵站加壓提水至水廠。泵站布置在獅子口水庫(kù)取水口，泵房加壓提水后由2根出水鋼管合并成一根鋼管與球墨鑄鐵管連接后沿春龍大道和陽(yáng)光大道至水廠，球墨鑄鐵管管徑為1.2 m，長(zhǎng)7.535 km。

通過(guò)比較，兩方案采用的管材及管徑相同，供水線路總長(zhǎng)相同，考慮到本工程設(shè)計(jì)水頭較小，雖然方案二加壓管道比方案一管道加壓管道長(zhǎng)，產(chǎn)生水錘影響大，但方案二工程投資小，運(yùn)行管理方便，水質(zhì)也能更好地控制，經(jīng)綜合分析，本階段選擇方案二為推薦方案。

4 工程總體布置

本次設(shè)計(jì)供水水源為獅子口水庫(kù)。獅子口水庫(kù)為中型水庫(kù)，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇；正常蓄水位為72.8 m(黃海高程，下同)，設(shè)計(jì)洪水位為73.56 m，校核洪水位為74.16 m，死水位為62.8 m；水庫(kù)總庫(kù)容1750.0萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1240萬(wàn)m3，死庫(kù)容220.5萬(wàn)m3。本工程采用的泵站加壓的輸水方式，線路為取水口—春龍大道—陽(yáng)光大道—第四水廠。在取水口新建泵站1座，采用2臺(tái)SN700-M14/602型離心泵，裝機(jī)1260 kW，泵站進(jìn)水口采用分層取水，取水管中心高程為61 m和66 m，出水管采用兩個(gè)直徑700 mm的鋼管合并成一根直徑1.2 m的鋼管與球墨鑄鐵管連接，經(jīng)泵站提升輸水至第四水廠。本工程供水管線采用球墨鑄鐵管，管徑為1.2 m，長(zhǎng)7.535 km，管橋2座。根據(jù)管線布置，供水管線沿線共布置排泥(水)閥井10個(gè)，排氣閥井17個(gè)，檢修閥井11個(gè)。

4.1 泵站

(1)泵站站址選擇。由于獅子口水庫(kù)的死水位為62.8 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形查勘及水庫(kù)庫(kù)底高程的復(fù)核，為了能夠在滿足泵站布置進(jìn)水口高程在死水位以下，供水線路最短，投資最省，并且方便施工布置，泵站站址選擇在距春龍大道1.0 km左岸位置。

(2)泵站布置。泵站由吸水管、泵房、出水管組成。

進(jìn)水口采用分層取水的方式，進(jìn)水口鋼管分上、下兩層布置，在泵站內(nèi)合并后采用直徑900 mm 鋼管與泵站機(jī)組連接，采用單機(jī)單管布置，進(jìn)水管中心線高程分別為60.0和68.0 m。

泵房采用鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑14.0 m，外徑15.8 m，底板高程59.15 m，泵房?jī)?nèi)設(shè)有2臺(tái)SN700-M14/602型水泵、2臺(tái)YX2-500-6/630型異步電機(jī)、閥門及管路等，機(jī)組之間間距為4 m；安裝間布置在泵房一側(cè)；泵房工作平臺(tái)地面高程為75.20 m，泵房屋頂梁底高程為82.70 m。

出水口采用2根700 mm鋼管合并成一根直徑1200 mm與球墨鑄鐵管連接。

泵房建基面高程為56.95 m，基礎(chǔ)持力層地基承載力滿足要求。

(3)泵房工作平臺(tái)高程確定。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50265—2010)，泵站上部的工作平臺(tái)設(shè)計(jì)高程應(yīng)按設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位加波浪高度和安全超高確定。

根據(jù)工作平臺(tái)高程計(jì)算并結(jié)合岸邊道路高程情況，綜合考慮運(yùn)行管理、檢修及設(shè)備安裝、運(yùn)輸?shù)缺憷ぷ髌脚_(tái)高程應(yīng)與岸邊道路齊平，因此確定工作平臺(tái)設(shè)計(jì)高程75.20 m。

(4)泵房穩(wěn)定分析。根據(jù)地質(zhì)資料，泵房基礎(chǔ)坐落于砂巖層上，承載力標(biāo)準(zhǔn)值僅300 kPa。

泵房穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 泵房穩(wěn)定計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果表明，泵房抗浮穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，由于基礎(chǔ)持力層為基巖，基礎(chǔ)承載力及抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4.2 輸水管線

4.2.1 管道設(shè)計(jì)

輸水管采用鋼管、球墨鑄鐵管，管徑為DN1200。根據(jù)管線布置，供水管線沿線共布置排水閥井10個(gè)，排氣閥井17個(gè)，檢修閥井11個(gè)。本次設(shè)計(jì)管道頂部覆土深度為1.0 m。

4.2.2 管道水力計(jì)算

管線上各點(diǎn)的水頭損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水頭損失計(jì)算 m

綜上所述，輸水管線過(guò)流能力滿足應(yīng)急供水的要求。

4.3 管橋設(shè)計(jì)

根據(jù)輸水線路布置，在樁號(hào)1+450和7+080處采用鋼管跨滬昆高速和上新鐵路。樁號(hào)1+450處采用二跨布置，每跨長(zhǎng)15 m，C30混凝土支墩下設(shè)C25混凝土墊梁，墊梁基礎(chǔ)為細(xì)砂巖，承載力為260 kPa，能滿足要求，支墩斷面尺寸為長(zhǎng)×寬×高(3.51 m×1.52 m×8.50 m)；樁號(hào)7+080處采用三跨不等跨布置，中間跨長(zhǎng)15 m，邊跨長(zhǎng)10 m，C30混凝土支墩下設(shè)C25混凝土墊梁，基礎(chǔ)為礫質(zhì)黏土，承載力為260 kPa，能滿足要求，支墩斷面尺寸為長(zhǎng)×寬×高(3.51 m×1.52 m×7.30 m)。鋼管與支墩之間設(shè)置1.3 m高C30混凝土支座，鋼管直徑為1.2 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

文章從新余市城市供水工程存在的問(wèn)題展開(kāi)論述，通過(guò)方案比選確定供水路線，并根據(jù)工程實(shí)際情況確定輸水方式，繼而確定輸水管徑、管材等；文章通過(guò)論證確定工程方案，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算及復(fù)核分析證明方案是合理可行的。應(yīng)急備用水源項(xiàng)目的實(shí)施，將對(duì)新余市應(yīng)急供水提供保障，對(duì)于確保區(qū)域經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展具有十分重大的意義。