平面設(shè)計在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用

宋珂，劉威

（蘭陵縣水利勘測設(shè)計室，山東 臨沂 277700）

1 引言

近幾年，農(nóng)村飲水安全項目不斷增加，成為新農(nóng)村建設(shè)至關(guān)重要的基礎(chǔ)工程。 但是，在當前農(nóng)村飲水安全項目建設(shè)時，前期設(shè)計不受關(guān)注，無法適應(yīng)高度復(fù)雜的工程環(huán)境，加之整體工程布局不合理，影響了項目的順利推進。 而應(yīng)用平面設(shè)計有望解決這一問題，因此，探究平面設(shè)計在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實意義。

2 水利工程設(shè)計目標原則

2.1 功能性

在水利工程設(shè)計中，應(yīng)落實功能性目標原則，全面收集與水利工程建設(shè)相關(guān)的資料， 統(tǒng)籌考慮水利工程特殊的功能需求，突出水利工程的特色[1]。 同時從平面設(shè)計視角著手，科學(xué)論證， 精準設(shè)計， 協(xié)調(diào)水利工程建筑設(shè)計各個環(huán)節(jié)以及周邊環(huán)境、生態(tài)自然，為功能設(shè)計目標實現(xiàn)營造良好的人文環(huán)境、生態(tài)環(huán)境。

2.2 創(chuàng)造性

在水利工程設(shè)計中，應(yīng)落實創(chuàng)造性的設(shè)計原則。 根據(jù)水利工程設(shè)計與建筑藝術(shù)之間的密切聯(lián)系， 在夯實基礎(chǔ)彌補水利工程本身疏漏的前提下，大膽探索，突破已有水利工程建筑造型[2]。 同時，結(jié)合水利工程大小、功能、結(jié)構(gòu)等特征，尋求傳統(tǒng)設(shè)計與創(chuàng)新創(chuàng)造的結(jié)合點， 提高水利工程在當代精神文明建設(shè)中的價值。

2.3 系統(tǒng)性

在水利工程設(shè)計中，應(yīng)落實系統(tǒng)性的原則。 根據(jù)水利工程建筑空間分配合理性、有序性要求，從各部分功能著手，系統(tǒng)規(guī)劃內(nèi)部空間線條。 同時，在水利工程主體建筑物內(nèi)部合理功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，科學(xué)銜接各功能，并利用集中（或分散）的設(shè)計方法，統(tǒng)一配套水工建筑物與周邊環(huán)境，系統(tǒng)展示水利工程的結(jié)構(gòu)美與功能美[3]。

3 平面設(shè)計對水利工程設(shè)計的影響分析

在水利工程設(shè)計中，平面設(shè)計對水利工程的經(jīng)濟性、安全性具有極其顯著的影響，是水利工程設(shè)計的關(guān)鍵。 根據(jù)平面設(shè)計方法的差異，對水利工程設(shè)計的影響也具有一些差別。 常見的平面設(shè)計方法主要有直線形設(shè)計方法和曲線形設(shè)計方法。

直線型設(shè)計方法是水利工程設(shè)計中應(yīng)用頻率較高的方法， 特指在測設(shè)中借助系列連續(xù)導(dǎo)線控制水利工程的基本位置和走向，進而在轉(zhuǎn)彎位置適應(yīng)地形要求，采用多樣曲線（或曲線組合）完成轉(zhuǎn)折位置合理過渡，形成整個水利工程的平面線形。 在水利工程直線型設(shè)計中，直線是工程方位、走向控制的依據(jù)，占據(jù)主導(dǎo)地位。 應(yīng)用直線形平面設(shè)計方法，可以采用對稱的形狀， 以長度、 兩端緩和曲線參數(shù)為依據(jù)進行便捷計算。 但是，因平曲線在整個水利工程設(shè)計中處于次要地位，無法系統(tǒng)地應(yīng)用直線、緩和曲線、圓曲線，加之對稱平曲線線型的應(yīng)用，緩和曲線、圓曲線無法恰當應(yīng)用，埋下了水利工程平面線型連續(xù)性、 均衡性不足的隱患。 特別在地物約束較嚴格（或地形復(fù)雜）的條件下，直線形平面設(shè)計無法與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，引發(fā)大面積挖方填方作業(yè)，嚴重破壞自然環(huán)境，損害水利工程經(jīng)濟效益。

曲線型設(shè)計方法是根據(jù)水利工程設(shè)計標準、地形地物、環(huán)境約束條件，結(jié)合線性組合均衡性、協(xié)調(diào)性要求，借助曲線單元與線形參數(shù)控制水利工程具體位置、走向并進行幾何繪制、計算的方法，可以獲得以曲線為主體的平面線型。 在曲線形水利工程設(shè)計過程中，圓曲線、直線、緩和曲線處于同等重要地位，其中，緩和曲線可以作為主要線性要素被靈活應(yīng)用，在一定程度上增強了水利工程線型的平順度、 視覺協(xié)調(diào)性以及布置自由度。 特別是在山區(qū)復(fù)雜地形條件下，曲線形設(shè)計方法可以根據(jù)地形、地物約束條件控制水利工程數(shù)量，獲得與環(huán)境高度協(xié)調(diào)的線型[4]。 以曲直法為例，其是主要的曲線形設(shè)計方法，在以往直線形設(shè)計方法（借助直線控制水利工程總體方位與走向）的基礎(chǔ)上，采用圓弧段（曲線）進行具體線位控制，形成線型骨架并配置緩和曲線， 具有計算靈活、 成果直觀的優(yōu)越性，可以對水利工程安全效益、經(jīng)濟效益產(chǎn)生有益影響。

4 平面設(shè)計在水利工程設(shè)計中的具體應(yīng)用

4.1 水利工程概述

一村飲水安全項目，根據(jù)SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》 建設(shè)等級為V 等， 主要建筑物級別為5級，次要建筑物為5 級。 項目設(shè)計年限為20 a，最高日居民生活用水定額取值范圍為50 ~70 L/（d·人）。 工程內(nèi)容包括新打1 眼水源機井及配套水泵、低壓電纜等機電設(shè)備，新建泵房及配套輸水管道、凈水設(shè)備。項目村涉及人口1 600 人，大用戶配水流量0.083 L/s，節(jié)點處流量0.135 L/s，地面標高77.4 m，節(jié)點水壓線標高115.848 m，自由水頭23.248 m。 項目主要用管道名稱為聚乙烯管，管材為PE100，設(shè)計流量為5.287 L/s，管道流速為0.554 m/s，管道長度為80.0 m，管徑為125 mm，管道總水頭損失為0.275 m，單位管道水頭損失為0.003 4 m/m，延程水頭損失為0.250 1 m/m。 同時配置1 個DN20 閘閥、12 個DN25 閘閥、1 個DN100 閘閥以及24 個32 mm×1″（1″表示1寸，即3.33 cm）塑鋼接頭、2 個25 mm×3/4″（3/4″即20 絲）塑鋼接頭、4 套DN125 法蘭接頭、4 套DN110 法蘭片、1 個DN100水表等。

工程所在地為暖溫帶季風(fēng)區(qū)的大陸性氣候， 年均溫度12.8 ℃，年均日照2 647.6 h，0 ℃以上持續(xù)期276 d，水庫流域多年平均流量837 mm，歷史年降雨最大量1 321.7 mm。

4.2 前期分析

水利工程平面設(shè)計是一個環(huán)環(huán)相扣的實踐邏輯鏈， 涉及地質(zhì)、建筑、設(shè)計等諸多領(lǐng)域知識，龐大而復(fù)雜。 設(shè)計方案的合格與否不單單體現(xiàn)在理論可行性，而且涉及水文、地形、降水量、巖層、土壤等實際施工條件，設(shè)計人員只有協(xié)調(diào)各方要素，才可以保證設(shè)計方案的可行性、經(jīng)濟性、科學(xué)性。 水文地理環(huán)境的差異直接決定了水利工程體量的差異， 間接影響了水利工程平面設(shè)計所規(guī)劃的具體內(nèi)容。 因此，設(shè)計人員應(yīng)提前與飲水安全項目有關(guān)工程技術(shù)人員進入項目村進行實地勘察，并與項目村主要負責(zé)人現(xiàn)場確認水利工程規(guī)模、建設(shè)任務(wù)。 進而協(xié)同水利勘測設(shè)計測量人員完成工程外業(yè)測量， 匯總實地勘測資料、建設(shè)方實際資料。 由勘測資料可知，工程位于山東省南部，東經(jīng)117°41′~118°18′，北緯34°37′~35°06′，東西最大橫距48 km，南北最大縱距55 km，區(qū)域土地總面積1 724.84 km2，總?cè)丝?45.91 萬人。區(qū)域地處魯南低山丘陵南緣，其中，山地、丘陵占53.94%，其余為平原，地勢由西北向東南逐漸降低。西北部、北部為山嶺地帶，由沉積巖組成，海拔高度在100~200 m，中部為沖積平原，海拔高度在35~65 m，南部為低洼地，海拔高度在30~35 m。

為了給全面施工實踐提供參考， 設(shè)計人員應(yīng)提前了解水利工程可能涉及的平面設(shè)計要素， 提前規(guī)劃適宜的平面設(shè)計方法、建模軟件、設(shè)計原理，并模擬設(shè)計效果[5]。 比如，對于飲水安全項目中大用戶配水設(shè)計，從設(shè)計原則、基本剖面、實用剖面、剖面優(yōu)化思路著手，在梳理思路的基礎(chǔ)上，細化配水管線構(gòu)造方法、配水管道材料選擇與運用、建設(shè)期溫度應(yīng)力與防裂措施等，飲水安全項目中大用戶配水施工實踐提供參考。

4.3 設(shè)計實踐

在水利工程的平面化設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計者應(yīng)依托結(jié)構(gòu)學(xué)、力學(xué)知識，兼顧視覺審美需求，優(yōu)化整合水文地理要素，并選擇恰當?shù)男问剑瑢⑷S立體的建筑要素整合到平面設(shè)計圖中，獲得精準、 科學(xué)、 融合自然且具有高度審美價值的水工建筑作品，為后期施工提供指導(dǎo)。 開始設(shè)計時，選擇曲線形設(shè)計法，在地形圖上根據(jù)飲水安全項目路線控制走向、位置，繪制系列直線、圓弧，構(gòu)成線性骨架。 首先，判斷是否為直圓形，是則配置緩和曲線，否則判定是否為卵形，是則配置緩和曲線，否則判定是否為S 形，是則配置緩和曲線，否則判定是否為C 形，是則配置緩和曲線，否則求解交點坐標、偏角，根據(jù)曲線組合類型進行曲線敷設(shè)設(shè)計。 進而判定線位是否合理，是則結(jié)束，否則進入地形圖直線繪制環(huán)節(jié)，重新開始循環(huán)。

4.4 總平面布置

4.4.1 臨時施工道路

臨時施工道路是水利工程平面設(shè)計的重要內(nèi)容。 由前期收集資料可知，項目所在區(qū)域道路狀況不佳，雨天無法正常通行。 因此，設(shè)計人員可以綜合考慮近期交通功能、遠期發(fā)展需要，統(tǒng)籌平面線型、橫斷面布置與縱斷面線型，在減少土方、工程量、施工難度與造價的基礎(chǔ)上優(yōu)化技術(shù)標準，保證交通運輸?shù)陌踩浴⑹孢m性、高效性。 臨時施工道路硬化項目等級設(shè)定為鄉(xiāng)村公路支路，設(shè)計速度為15 km/h，路基設(shè)計回彈模量超過20 MPa，路面設(shè)計強度為C30 水泥混凝土路面且設(shè)計彎拉強度達到4.0 MPa，地震動峰值加速度為0.15g。

為減少拆遷、土方開挖回填量，在現(xiàn)有已成型道路中，借助1985 國家高程標準以及1980 西安坐標系，進行設(shè)計。 臨時施工道路縱面設(shè)計考慮與前段、后段已有道路銜接，因項目所在地的地形復(fù)雜， 地勢高低不一， 設(shè)計最大坡度小于或等于10%，盡最大努力利用現(xiàn)狀路面。 而在橫斷面設(shè)計時，則設(shè)置路基較路面寬1 m，路拱橫坡為2.0%，長度為555 m，寬度為4 m， 石子墊層厚度為11.7 mm， 其他均滿足JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標準》。

4.4.2 臨時供水排水布置

臨時用水是由供水點接出、流入施工點的過程，涉及居民生活用水、施工用水等，其中，施工用水主要為砂漿攪拌用水、養(yǎng)護用水等。 臨時供水管網(wǎng)借鑒類似水利工程設(shè)計經(jīng)驗，主桿線與支管分別采用φ50 mm 鍍鋅管、φ25 mm 鍍鋅管， 現(xiàn)場環(huán)向封閉布置，確保管網(wǎng)個別位置出現(xiàn)故障時水流可靠供應(yīng)。

臨時排水主要借助縱向排水溝，處于施工便道兩側(cè)。 排水溝寬度、深度分別為1.0 m、0.8 m，溝內(nèi)鋪入10 cm 厚細石混凝土，并設(shè)置砂漿護坡，控制底部縱坡超過0.3%。 在排水溝穿越臨時道路時，借助排水管過路。 施工期間的居民生活用水，則采用化糞池集中沉淀、處理。

4.4.3 臨時供電布置

根據(jù)飲水安全項目用電量（動力用電、照明用電），綜合考慮高峰施工期水泵排水、生活照明、夜間施工與水管焊接用電要求，配置380 V/220 V 電源，三相五線制架空配置。 線路水平架設(shè)在項目所在地臨時道路內(nèi)側(cè)，經(jīng)電線桿接出分支線、引入線。電線桿為木桿，相鄰電線桿之間距離為30 m。同時，在距離地面高度超過1.2 m 且便于操作的位置配置配電箱（含漏電保護器）。

4.4.4 臨時設(shè)施布置

照明是飲水安全項目順利推進的關(guān)鍵。 在照明設(shè)施平面設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)依據(jù)低功耗、低污染、高能效的標準，選擇平均亮度達到0.6 cd/m2、均勻性達到0.35 的截光型燈具，光源為顯色指數(shù)超過80 的30 WLED 光源， 燈珠之間經(jīng)混聯(lián)矩陣網(wǎng)狀連接，額定電壓直流12 V，照明時間8 h（連續(xù)陰雨天正常工作3~5 d），全自動光控開關(guān)。 除照明設(shè)施以外，根據(jù)飲水安全項目實際情況，設(shè)計人員可以在現(xiàn)場設(shè)置材料堆場，為各種材料的規(guī)范、整齊堆放提供支持。

5 結(jié)語

綜上所述， 工程設(shè)計是水利工程施工建造作業(yè)順利進行的保障。 因此，設(shè)計人員應(yīng)從水利工程設(shè)計階段著手，借助平面設(shè)計方法，對水利建筑方案進行細化完善，根據(jù)水文地理信息，結(jié)合水利工程功能，進行科學(xué)布局，突出水利工程平面設(shè)計的實用價值與藝術(shù)審美價值。