李海圣

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建成區(qū)自來水的需求量大幅增加。破解供水難題，切實(shí)保障城市供水運(yùn)行穩(wěn)定和人民群眾飲水安全，是全面建設(shè)小康社會(huì)的重要任務(wù)之一[1]。尤其是對(duì)于水源結(jié)構(gòu)單一、供水保證率低的城市，亟需合理確定城市應(yīng)急水源方案。位于云南省東南邊陲的西疇縣目前存在水源體系不完備、供水結(jié)構(gòu)不完善、水體質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等問題，嚴(yán)重威脅區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和當(dāng)?shù)匕傩丈a(chǎn)、生活安全。為增加縣城供水可靠性、緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾，加快西疇縣應(yīng)急供水工程建設(shè)迫在眉睫。

由于區(qū)域內(nèi)荒田水庫調(diào)節(jié)性能較好、自流供水范圍較大，應(yīng)急供水工程以荒田水庫作為水源補(bǔ)給，通過新建輸水管道向西疇縣城供水。工程在水庫放水管(DN400鋼管)出口處，旁分一支直徑DN300的輸水岔管，后接供水主管引水至西疇縣英代村附近的水處理廠，經(jīng)處理后輸水至西疇縣水廠進(jìn)行統(tǒng)籌安排。項(xiàng)目設(shè)計(jì)供水流量0.035m3/s，新建供水管24.654km、水廠1座，工程類型為IV型，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)[2]。由于管道在水庫取水口高程為1617.25m，管線中部經(jīng)過南利河1051.47m，而縣水廠高程為1514m，管道最大設(shè)計(jì)壓力達(dá)6.4MPa。工程屬于典型的高水頭、長線路供水工程，具有流速快、水損大的特點(diǎn)[3]。筆者結(jié)合荒田水庫至西疇縣城應(yīng)急供水設(shè)計(jì)實(shí)際，對(duì)該工程的高水頭供水方案技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)研究和總結(jié)，以期為類似城市高水頭供水工程提供有益的指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目建設(shè)條件

1.1 水文氣象條件

荒田水庫位于西疇縣城東北方向約19km處的西疇、硯山、廣南三縣交界處，南利河上游壩達(dá)河左岸支流達(dá)內(nèi)河上游，屬紅河流域?yàn)o江水系。壩址以上徑流面積2.5km2，河長1.59km，河道平均比降1.07%?；奶锼畮焯幱诘途暥鹊貐^(qū)，屬南亞熱帶高原季風(fēng)氣候類型。氣候具有冬春干涼、夏秋濕潤；冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑等特征。

1.2 地質(zhì)條件

工程位于云貴高原的南緣斜坡地帶，高程范圍為1600-1960m，區(qū)域地勢東高西低，屬低中山區(qū)侵蝕地貌。工程區(qū)主要由碳酸鹽巖夾碎屑巖組成，侵蝕和溶蝕作用是區(qū)內(nèi)地貌形成的主要營力，近代和現(xiàn)代的侵蝕作用以河流迅速下切，溯源侵蝕為主要特征。工程區(qū)山脈走勢基本與構(gòu)造線一致，主要呈北東南西向延伸。擬建管道主要沿山路鋪設(shè)，沿途所經(jīng)地層大部分基巖直接出露，部分區(qū)域表層覆蓋有殘坡積碎石土、含碎石粉質(zhì)黏土等，厚度0.50-2.50m不等，往下為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化巖，受母巖巖性影響較大，風(fēng)化程度、風(fēng)化厚度不一。全線僅HT4+952-5+152段位于一大峽谷內(nèi)，常年可見季節(jié)性洪水，其余區(qū)域未見大型滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，整體工程地質(zhì)條件較好。

2 供水規(guī)模設(shè)計(jì)

2.1 管道設(shè)計(jì)流量

根據(jù)《城市供水水源規(guī)劃導(dǎo)則》(SL627-2014)[4]，應(yīng)急供水工程設(shè)計(jì)規(guī)模應(yīng)綜合考慮應(yīng)急備用供水對(duì)象、供水破壞概率、缺水造成損失等因素來確定，其備用供水量一般≥城市居民生活需水量的60%-70%。結(jié)合西疇縣實(shí)際情況，干旱年份時(shí)縣城現(xiàn)有水源體系可靠程度不高，為充分保障非正常氣候條件時(shí)縣城居民的生活用水需求，進(jìn)入應(yīng)急供水時(shí)水源應(yīng)至少保障縣城居民生活用水需求的70%，據(jù)此計(jì)算保障城鎮(zhèn)居民生活最大用水量為2513m3/d，折合流量0.029m3/s。同時(shí)，未來荒田水庫將承擔(dān)下游部分耕地灌溉供水以及縣城以東部分農(nóng)村人口的生活用水及牲畜用水任務(wù)，農(nóng)村生活日均供水量364m3/d，最大日供水量509m3/d，非應(yīng)急供水時(shí)期管道所需的最大流量為0.006m3/s。因此，荒田水庫應(yīng)急供水管道設(shè)計(jì)流量應(yīng)為縣城最大應(yīng)急供水流量0.029m3/s與農(nóng)村居民生活最大供水流量0.006m3/s之和，即0.035m3/s。

2.2 應(yīng)急供水量

根據(jù)西疇縣城水源體系組成結(jié)構(gòu)以及國內(nèi)其他地區(qū)應(yīng)急水源供水經(jīng)驗(yàn)，以最不利條件組合估算應(yīng)急供水量，即已有水庫水源均失去供水能力的情況下，在應(yīng)急供水期31d內(nèi)保障縣城居民平均日用水量的70%，即1933m3/d。據(jù)此估計(jì)縣城設(shè)計(jì)供水需求總水量約為6萬m3，按照3月份削減灌溉水量4萬m3后再動(dòng)用荒田水庫多年庫容2萬m3左右即可保障應(yīng)急狀態(tài)下縣城居民的基本生活用水需求。

3 供水工程設(shè)計(jì)

3.1 供水線路比選

荒田水庫至西疇縣地形高低不平，落差相對(duì)較大，且需要跨越南利河，考慮采用渠道布置時(shí)，跨越?jīng)_溝較多，倒虹吸規(guī)模大，工程施工工期較長、施工難度較大、投資較高。經(jīng)綜合考慮，工程采用管道供水。結(jié)合現(xiàn)狀地形地貌條件和管道輸水特點(diǎn)，擬定2條設(shè)計(jì)供水線路進(jìn)行比選(布置見圖1)。

圖1 線路比選方案

方案1(右岸方案)：根據(jù)管道走線，在滿足水頭的條件下，管道沿達(dá)內(nèi)河右岸布置，在水庫低輸水隧洞內(nèi)埋管至隧洞出口，出口設(shè)置分水閥。閥后取水管線沿河右岸布置至朱家沖上游約600m處，再沿達(dá)內(nèi)河右岸1530-1570m之間等高線布置至上達(dá)內(nèi)村山坡處。管線再垂直于沖溝方向跨越三所村沖溝至1543m高程處，繼而順右岸沿1540-1560m之間等高線布置至新寨村山坡處，穿過470m長隧洞至李子平山坡處，出隧洞后跨越南利河沿山而上，進(jìn)而沿1500-1540m(S201省道)之間等高線朝西疇縣城方向布置至新建水廠。該方案新建管道總長23.197km。

方案2(左岸方案)：管道沿達(dá)內(nèi)河左岸布置，在水庫低輸水隧洞內(nèi)埋管至隧洞出口，出口設(shè)置分水閥。閥后取水管線沿河左岸邊布置至朱家沖，然后再沿達(dá)內(nèi)河左岸通村公路附近經(jīng)十二毛坡至三家寨附近跨越達(dá)內(nèi)河，再沿達(dá)內(nèi)河右岸公路附近布置，至瓦廠電站下游跨越南利河，然后沿老鷹巖景區(qū)、劉家塘隧洞，到達(dá)英代村附近新建水廠。該方案新建管道總長24.654km。

兩方案對(duì)比如表1所示。由表對(duì)比分析可知，本階段推薦施工干擾較少、施工條件較易、管理維護(hù)條件較好、工程投資較省的方案2。供水方案示意節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

表1 供水線路方案比較表

圖2 推薦供水方案示意節(jié)點(diǎn)圖

3.2 輸水管材選擇

工程輸水管道承受壓力較大，管道基本沿河道兩岸公路鋪設(shè)，選擇的管材應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，且應(yīng)滿足施工方便、安全衛(wèi)生。結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展實(shí)際水平，選擇鋼管(包括無縫鋼管和螺旋焊管)、球墨鑄鐵管和PE管作為工程比選管材。管材價(jià)格對(duì)比見表2。經(jīng)分析可知，球墨鑄鐵管價(jià)格方面優(yōu)勢明顯，PE管最貴，鋼管價(jià)格適中；從施工上說,PE管施工方便，但承壓能力低。球墨鑄鐵管施工難度較大，但考慮管線基本沿通村公路布置，交通較方便。由于跨越南利河段時(shí)，管道最大水壓力達(dá)6.4MPa，壓力較大，為保證供水管道可靠性，該段優(yōu)先采用無縫鋼管。綜合考慮管道施工的難易程度以及工程投資，管材確定為：當(dāng)水壓力≤4MPa時(shí)采用球墨鑄鐵管，當(dāng)水壓力>4MPa時(shí)采用無縫鋼管。

表2 輸水管材價(jià)格比較表

3.3 管徑及壁厚設(shè)計(jì)

3.3.1 管徑設(shè)計(jì)

輸水管道管徑選擇考慮兩個(gè)因素：①在水庫死水位時(shí)保持輸水管道管頂最小水頭≥2m，以確保供水可靠；②輸水管道流速應(yīng)控制在不沖不淤流速(0.5-3.0m/s)，并盡可能靠近經(jīng)濟(jì)流速(1.5-2.0m/s)。管道直徑采用以下水力學(xué)公式計(jì)算：

(1)

式中：Q為輸水管設(shè)計(jì)流量，m3/s；v為輸水管設(shè)計(jì)流速(m/s)。

經(jīng)計(jì)算管徑應(yīng)≥150mm，在滿足設(shè)計(jì)輸水流量前提下，常用管徑選擇有DN250、DN300等?？紤]縣城供水水頭較高，根據(jù)水力計(jì)算，當(dāng)管徑越小，流速越大，水頭損失亦越大。當(dāng)選擇DN250管時(shí)，流速為0.71m/s，水頭損失為57.8m；當(dāng)選擇DN300管時(shí)，流速為0.5m/s，水頭損失為24.4m。由于進(jìn)縣城段水頭較高，若采用DN250管徑則供水范圍較小，局部需要提水。經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選后，確定管徑為DN300。

3.3.2 壁厚設(shè)計(jì)

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056-2015)，鋼管壁厚需滿足構(gòu)造要求、抗內(nèi)壓強(qiáng)度要求以及抗外壓穩(wěn)定要求等[5]。其中，構(gòu)造要求上管壁最小厚度需考慮制造工藝、安裝、運(yùn)輸?shù)纫?，以保證必需的剛度；抗內(nèi)壓根據(jù)相應(yīng)強(qiáng)度校核公式計(jì)算，且亦應(yīng)考慮2mm的磨蝕厚度；抗外壓根據(jù)相應(yīng)穩(wěn)定性公式計(jì)算。管壁厚度計(jì)算見表3。經(jīng)分析可知，由于該工程管徑較小，管壁厚度計(jì)算中以抗內(nèi)壓為主，管道在樁號(hào)HT7+726.0-HT+8+816.0段和樁號(hào)HT10+615.0-HT16+559.0(跨南利河段)前后水頭最大，對(duì)此段采用Q235和Q345兩種鋼材進(jìn)行比較。經(jīng)查實(shí)，鋼材Q235與Q345價(jià)格相差不大，管材厚度可以從Q235的12mm減少到Q345鋼管的8mm，因此該段管材采用較為經(jīng)濟(jì)的Q345鋼管。其余管段采用K9球墨鑄鐵管，可滿足強(qiáng)度要求。

表3 管壁厚度計(jì)算表

3.4 管道結(jié)構(gòu)及附屬建筑物設(shè)計(jì)

根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件，輸水管道采用明管和埋管相結(jié)合的鋪設(shè)方案：當(dāng)管線基礎(chǔ)出露基巖或沿公路布置時(shí)，采用明管鋪設(shè)，并在管線變化處設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩(見圖3)。鎮(zhèn)墩采用C20鋼筋混凝土，其寬1.2m，長1.2-1.45m，高1.2-1.45m。管道每隔5m設(shè)置一座支墩，支墩采用C20混凝土，支墩寬0.6m、厚0.40m，支墩頂設(shè)置二氈三油滑動(dòng)層。當(dāng)管線基礎(chǔ)為土基時(shí)，采用埋管敷設(shè)(見圖4)。管槽開挖邊坡為 1∶0.5，管道安裝時(shí)，兩側(cè)預(yù)留30-50cm的施工空間，安裝完成后，回填開挖料(跨溝、河管道外包25-50cm厚混凝土，其上再回填開挖料；部分管段需跨越道路時(shí)，埋管按路基標(biāo)準(zhǔn)回填后，再恢復(fù)路面至原狀并壓實(shí))，管道埋深≥70cm(跨溝、跨河管道埋至最大沖刷深度以下)。經(jīng)過交通路面的埋管管段以C20混凝土外包，其結(jié)構(gòu)斷面尺寸為700mm×700mm(寬×高)。管道在平面或立面轉(zhuǎn)彎、變管徑、三通處設(shè)C20鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩。根據(jù)工程布置方案，供水管線共設(shè)置平面鎮(zhèn)墩610個(gè)、豎向鎮(zhèn)墩490個(gè)；共設(shè)支墩5500個(gè)、伸縮節(jié)259個(gè)。

圖3 明管典型斷面圖

圖4 埋管典型斷面圖

供水管道每隔2km設(shè)置一個(gè)檢修閥(總計(jì)設(shè)置13個(gè)檢修閥)；在管道凸起點(diǎn)設(shè)置排氣閥，長距離無凸起點(diǎn)的管段每隔1km左右設(shè)置排氣閥(總計(jì)設(shè)置25個(gè)排氣閥)；在管線低點(diǎn)處設(shè)置排污閥(總計(jì)設(shè)置13個(gè)排污閥)。在新建水廠及縣城水廠設(shè)置放水閥，總計(jì)3個(gè)(其中新建水廠2個(gè)，縣城水廠1個(gè))，每個(gè)放水閥配置電磁流量計(jì)。根據(jù)《室外給水管道附屬構(gòu)筑物》(07MS101-2)，閘閥井采用C20矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。排氣閥內(nèi)部尺寸為1.2m×1.2m×1.8m(長×寬×高)，壁厚300mm；檢修閥、放水閥和排污閥內(nèi)部尺寸為1.3m×1.3m×1.8m(長×寬×高)，壁厚300mm。

3.5 水廠設(shè)計(jì)

考慮水庫引水至英代村后供水范圍為線性向各鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水，英代村附近有一處廢舊采石場滿足縣城應(yīng)急供水的高程條件，因此考慮在樁號(hào)HT22+038處設(shè)置水廠。水廠廠址選在可滿足建筑物布置要求，且地形相對(duì)開闊、地質(zhì)條件相對(duì)較好、高程符合供水要求、離供水區(qū)較近和便于管理的地方。經(jīng)現(xiàn)場勘察，廠址可選在離西疇縣東南向約2km處小山包附近。水廠主要建筑物包括：反應(yīng)沉淀池、濾池、投礬加氯間、除鐵錳裝置、清水池、管理房等。廠區(qū)總圖布置原則為：流程短捷、布置緊湊、占地節(jié)省、功能齊全、管理方便。廠區(qū)總平面布置基本上按功能劃分為生產(chǎn)(水處理)區(qū)、生產(chǎn)建筑物等。各區(qū)之間以綠化帶和道路分隔。

4 結(jié) 論

荒田水庫至西疇縣城應(yīng)急供水工程具有高水頭、長線路的特點(diǎn)，工程沿線跨越建構(gòu)筑物較多。結(jié)合供水工程設(shè)計(jì)實(shí)際，在系統(tǒng)分析項(xiàng)目建設(shè)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了供水工程的專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)和研究。工程的建設(shè)，可加快解決縣城應(yīng)急供水困難問題，保障縣城用水安全，對(duì)推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平高速發(fā)展具有極為重要的作用。主要結(jié)論如下：

1)方案二(左岸方案)施工干擾較少、施工條件較易、管理維護(hù)條件較好、工程投資較省，確定其作為供水線路推薦方案.

2)當(dāng)水壓力≤4MPa時(shí)采用球墨鑄鐵管，當(dāng)水壓力>4MPa時(shí)采用無縫鋼管。

3)根據(jù)水力學(xué)計(jì)算，輸水管徑確定為DN300，高水頭鋼管段管壁厚度以抗內(nèi)壓為主，并采用較經(jīng)濟(jì)的壁厚8mm的Q345鋼管。

4)輸水管道采用明管和埋管相結(jié)合的鋪設(shè)方案，并沿線設(shè)置鎮(zhèn)墩、支墩、閥井等附屬建筑物，確保工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。