建陽區城鄉供水一體化工程集鎮分區供水方案設計

徐良成

（南平市富建水利水電勘察設計有限公司,福建 南平 354200）

1 項目概況

集鎮分區供水工程位于建陽區黃坑鎮,項目區水廠位于桂林采育場北側,設計供水規模2600 m3/d,年引水量90萬m3,參照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》,屬于V等工程,防洪標準按10年一遇設計。工程包含的主要設施有一體化凈水設備、清水池、廢水沉淀池、污泥干化池等。

2 供水水源方案設計

2.1 水源方案的比較

根據實地考察所得信息,設計了3套水源方案：方案一有3個水源點,每個水源點建設1座引水壩,取水水源為桂林村上六墩、下六墩2處自然村的山澗水；方案二有2個水源點,取水水源為桂林村塅上村山澗水；方案三有2個水源點,取水水源為新峰村小黃坑村山澗水與五福洋水庫二級電站尾水。

對比來看,方案一水源點上游為自然保護區,水質較好；方案二水源點上游為礦場,水質較差；方案三水質較好,但是在取水量較多的情況下,會影響下游水電站的正常發電。最終選擇了方案一的水源點位置見圖1,根據該方案將1#引水壩的取水口設置為輸水主干管的起點,沿道路方向一直鋪設到桂林水廠；2#和3#引水壩各鋪設一條輸水支管,與主干管匯合后共同流入桂林水廠。

圖1 方案一 3處水源點位置圖

2.2 水源點取水方式

水源點常用取水方式有壩前取水和壩后取水2種,從實踐來看,壩前取水結構簡單、易于施工,但是抗淤積能力不強。本工程中取水壩位于山區,落葉較多,容易造成水管堵塞,不僅影響工程的正常供水,而且還會增加后期的維護成本。相比之下,壩后取水則能避免上述問題。將取水口布置在壩后,當壩前水滿以后,水流經擋水堰進入壩后取水口。在取水口處放置過濾網,可以將漂浮在水面上的落葉、樹枝等攔截下來,提高了供水能力。

3 城鄉供水一體化工程集鎮分區供水方案設計

3.1 取水工程設計

1#引水壩設計為上游壩坡垂直、下游壩坡比為1∶1的梯形結構,壩體材料為C20埋石混凝土,壩高2.7 m,壩長15.0 m,壩頂寬度1.0 m。引水壩上游側為長度2.0m、厚0.5 m的C20埋石混凝土鋪蓋；下游側為長度4.5 m、厚0.5 m的C20埋石混凝土護坦,護坦末端為寬0.5 m、高1.0 m齒墻,在護坦上設計多個直徑為75 mm的PVC排水孔,采用2 m×2 m梅花型布置。側向取水構筑物設在引水壩右側,與左側壩體用0.4 m厚C20 鋼筋砼導墻連接,右側壩頂寬為1.0 m、長度為1.6 m,上游壩坡垂直,下游壩坡坡比1∶0.5,導墻側向預留兩個直徑為200 mm進水孔。1#引水壩的上、下游岸坡連接段采用C20埋石混凝土擋墻,迎水坡垂直,背水坡坡比1∶0.35。擋土墻的墻背使用密度不低于0.6 的混合料回填、壓實,墻身上設計多個直徑為75 mm的PVC排水孔,采用1.5 m×1.5 m梅花型布置。

2#和3#引水壩也設計為梯形結構,壩體材料與1#壩相同。壩高2.7 m,壩長5.0 m,引水壩以中心線為界,左右兩側采用不同設計。左側壩頂寬度1.0 m、長度3.0 m,上游側壩坡垂直,下游側壩坡坡比為1∶1,上游側為長度2.0 m、厚0.5 m的C20埋石混凝土鋪蓋；側向取水構筑物設在引水壩右側,與左側壩體用0.4 m厚C20 鋼筋砼導墻連接,右側壩頂寬度為1.0 m、長度為1.6 m,上游壩坡垂直,下游壩坡坡比1∶0.5,導墻側向預留兩個直徑200 mm進水孔。引水壩的上游側岸坡連接段設計為C20埋石混凝土擋墻,材料為相對密度不低于0.6的混合料,墻身排水孔設計與1#壩相同。壩后取水見圖2、圖3。

圖2 側向壩后式取水平面示意圖

圖3 A-A剖面圖

3.2 水廠工程設計

3.2.1 凈水廠廠址選擇

選擇凈水廠廠址時,需要考慮的因素有地形地貌、道路交通、修建難度、運維成本等,盡量將凈水廠設在地下水位偏低、濕陷等級不高、地層較為穩定的地區。綜合各項因素并開展實地勘察后,最終將黃坑鎮集鎮分區供水工程的凈水廠設在桂林采育場北側山包處,設計高程416.00 m,占地面積3098.06 m2,劃分為生產區和辦公管理區兩部分。

3.2.2 凈水工藝

本工程中采用“三池合一”的一體化凈水工藝,工藝流程見圖4。

圖4 凈水工藝流程圖

原水進入靜態混合器后,該設備能夠根據當前水流量自動計算需要投加的混凝劑質量,保證濃度在10%左右。投加的混凝劑（聚合氯化鋁）能夠與原水充分混合,起到高效絮凝的效果,降低原水中雜質的含量。初步凈化后的原水在進水排氣井內實現氣液分離,剩余原水流入濾紋板網絡反應區,通過生化反應進一步凈化水質。凈化后形成的懸浮物、沉淀物在斜管沉淀區和石英砂濾池區被過濾掉,最后向所得清液中加入消毒劑（次氯酸鈉）,清液消毒后進入清水池,經檢測達標后供給用戶。

3.3 輸配水工程設計

3.3.1 管材選擇

結合本工程中輸配水需要,所用管材應滿足抗震與防爆裂性能好,施工安裝方便,采購價格較低,輸水能力強等要求。從市場調查情況來看,有4種可供選擇的管材,分別是鋼管、夾砂玻璃鋼管、球墨鑄鐵管和PE給水管,4種管材的性能對比見表1。

表1 4種管材的性能對比表

綜合對比后,本次黃坑鎮集鎮分區供水工程選擇了球墨鑄鐵管和PE管。在管道內徑超過200 mm的情況下,使用球墨鑄鐵管；在管道內徑低于200 mm的情況下,使用PE管。

3.3.2 輸配水管管徑選擇

參考《村鎮供水工程設計規范》（SL 310-2019）的相關要求,管徑計算公式為：

式中：D為輸配水管的經濟管徑；Q為輸配水管的設計流量,以最高日、最高時用水量確定；V為輸配水管道的設計流速。

以配水主干管以節點編號“節點1～節點2”的管段為例,該段管道最高日最高時供水規模為5188.31 m3/d,配水管道的設計流量為0.0601 m3/s,經濟流速取0.6 m/s～0.9 m/s,計算經濟管徑為292 mm～357 mm；該段選擇管道內徑300 mm的K9級球墨鑄鐵管,該段流速0.85 m/s屬于經濟流速內。

3.3.3 輸配水管網水力計算

本文根據《村鎮供水工程設計規范》（SL 310-2019）中提供的“海曾-威廉”公式計算沿程水頭損失,根據計算結果決定輸配水管網水利。公式如下：

式中：h1為沿程水頭損失,m；L為管段長度,m；i為單位管長的水頭損失,m/m；q為設計流量,m3/s；C為海曾-威廉系數,球墨鑄鐵管取130,PE管取140；d為管道內徑,m。

管道局部水頭損失h2按其沿程水頭損失的10%取值。

根據“海曾-威廉”公式,以配水主干管以節點編號“節點1-節點2”的管段為例,配水管道的設計流量為 0.0601 m3/s,流速為 0.85 m/s,計算管道內徑為300 mm的K9級球墨鑄鐵管；管道長度478 m,沿程水頭損失為1.19 m,管道局部水頭損失為0.12 m。

經過計算可知,選擇的各干管管徑能滿足各分區水量、水壓的要求。

3.3.4 管道埋設設計

（1）用于埋設PE管的溝槽,底寬應當超出PE管管徑40 cm；穿越巖石段或者混凝土公路時,開挖邊坡為1∶0.1；穿越土壤地段時,開挖邊坡為1∶0.33。用于埋設球墨鑄鐵管的溝槽,底寬要超出球墨鑄鐵管管徑60 cm,開挖坡比為1∶0.33的邊坡。PE管的底部回填厚度不低于10 cm的細狀土；球墨鑄鐵管底部用砂墊層回填夯實,厚度不低于15 cm。

（2）PE管的最大彎曲半徑宜控制在150 DE內,若管線轉角超過5°,必須設有彎管,同時設置混凝土支墩,起到保護作用。若管線轉角不足5°,則用承插管自身逐漸借轉,每一節管的轉角不宜超過1°。球墨鑄鐵管采用滑入式柔性接頭,最大允許轉角可達到3.5°,同時在水平和垂直轉角處設有混凝土支墩。

（3）所有管道的回填土均應夯實。在夯實處理中,應按照“由外向里、同時夯實”的原則,不得單側夯實。要求經過夯實后的回填土壓實度必須達到90%。管道上方覆土在夯實以后,最小厚度應不低于70 cm。在管道附屬構筑物段,需要在管道周圍砌筑混凝土。

3.3.5 管道附屬設施設計

（1）在輸配水管的隆起點、過河上岸點均需要設置自動進排氣閥；平緩地帶每隔1 km,也要設置自動進排氣閥,及時排氣、降壓,避免管道內部壓力過大出現爆裂事故。在輸配水管道的低洼處,或者管道的下凹處,則需要設置排泥閥,定期排出沉積的污泥,保證水流速度。

（2）在輸配水管道的分叉口的支管上,以及輸配水管道上每隔一定距離處,要設計檢修閥。在定期維護、檢修時,可以關閉臨近的檢修閥,為檢修和養護作業提供良好的環境。支管起點處除了安裝檢修閥外,還要設置流量計、壓力計等觀測儀器,以便于檢修人員掌握輸配水管道內部的實時流量和實時壓力。

（3）在管道的三通、彎管、盲法蘭等位置,需要設置混凝土支墩進行加固,各種閥門要設井保護。在管道彎角處,以及管道直線段每隔100 m處,均要設置標志樁。

3.4 加壓泵站設計

經過現場勘查后,將加壓泵站的位置確定為紅莊村路口附近的山頭上,高程為381.0 m。該加壓泵站的設計日供水水量為174.78 m3/d,屬于IV型工程。參照《村鎮供水工程技術規范》（SL 310-2019）中的相關規定,對于IV型工程,清水池或高位水池容積可按照最高日用水量的25%～40%計算。根據該規定,本工程管中加壓泵站高位水池容積設定為100 m3。

4 結語

結合黃坑鎮實際情況,設計了集鎮分區供水方案。該方案中明確了水源點的位置及壩后取水的取水方式,對凈水工程、管道工程、泵站工程的設計與建設提供了參考。該方案的制定,為黃坑鎮集鎮分區供水工程的實施提供了依據,為建陽區早日實現城鄉供水一體化建設任務產生了積極幫助。