高 艷

(北票市三寶水利服務(wù)站，遼寧 北票 122121)

0 引 言

北票市位于遼寧省西北部，常年干旱少雨，現(xiàn)有水源工程不能滿足居民基本飲用水和農(nóng)作物灌溉用水需求，需對(duì)現(xiàn)有水源工程進(jìn)行擴(kuò)建，建設(shè)抗旱應(yīng)急備用水源[1]。該應(yīng)急備用水源工程可以緩解北票市生活用水危機(jī)，保證居民正常用水供應(yīng)，確保其經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

北票市地區(qū)主要由低山、丘陵及河谷地貌組成，水資源總含量為532萬(wàn)m3，其中，地表的水資源總量為346.93萬(wàn)m3，可開(kāi)采地下水總量為185.07萬(wàn)m3，依據(jù)《遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)用水定額》和《抗旱規(guī)劃實(shí)施方案技術(shù)大綱》規(guī)定，鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民人飲水標(biāo)準(zhǔn)按30～40L/人·d確定，而北票市每日用水定額為35L/人·d，受災(zāi)人口為3.28萬(wàn)人，應(yīng)急供水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的調(diào)研，區(qū)域內(nèi)有東山咀水庫(kù)一座，蓄水量為145.6萬(wàn)m3，正常水位庫(kù)容209萬(wàn)m3，能夠滿足抗旱應(yīng)急引水工程用水量要求，可建設(shè)成為北票市抗旱應(yīng)急備用水源。

表1 抗旱應(yīng)急水源用水量計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，最高日設(shè)計(jì)用水量為1283.98m3/d，抗旱應(yīng)急水源預(yù)備時(shí)間為200d，故抗旱北票市抗旱應(yīng)急輸水需水量為2.57萬(wàn)m3。東山咀水庫(kù)需水量滿足北票市抗旱應(yīng)急需水量，可以建設(shè)成為應(yīng)急備用水源。

2 工程總體布置

本工程抗旱應(yīng)急水源選擇區(qū)域內(nèi)東山咀水庫(kù)，水庫(kù)現(xiàn)有蓄水量為148.4萬(wàn)m3，正常水位時(shí)的總庫(kù)容為210.6萬(wàn)m3。該水庫(kù)為小(1)型水庫(kù)，工程等別為Ⅳ等。該水庫(kù)主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物的級(jí)別為5級(jí)。2008年相關(guān)部門對(duì)水庫(kù)主要建筑物進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，水庫(kù)安全性和使用性均能滿足供水要求。本水源不但可以緩解北票市巴圖營(yíng)鄉(xiāng)目前的供水壓力，滿足巴圖營(yíng)鄉(xiāng)廣大人民群眾大旱之年生活用水需求，而且能滿足2025年供水需求。

在東山咀水庫(kù)輸水洞出水口處取水，通過(guò)輸水管路到達(dá)五間房鎮(zhèn)蓄水池，并通過(guò)蓄水池給用戶供水，其輸水管路管線全長(zhǎng)約1900m，供水規(guī)模為216m3/d。本次工程總體布置結(jié)合從水庫(kù)到北票市沿線地形特征，選擇重力和加壓組合的輸水方式，先從水庫(kù)出水口處通過(guò)加壓送至高位蓄水池，然后再配水到五間房鎮(zhèn)蓄水池[2]。

3 應(yīng)急水源輸水管線設(shè)計(jì)分析

3.1 輸水管道線路和輸水方式設(shè)計(jì)

輸水管道路線選擇需要考慮的因素有供水安全、施工過(guò)程安全、運(yùn)營(yíng)正常。路線選擇需要符合當(dāng)?shù)匾?guī)劃要求，通過(guò)與路線上工農(nóng)業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的幾個(gè)，選擇最短線路，節(jié)約施工工作量和投資。管道走線應(yīng)該盡量沿河道和現(xiàn)有道路進(jìn)行，便于進(jìn)行管道施工和檢修。管道應(yīng)該盡量減少對(duì)農(nóng)業(yè)用地的占用，盡量減少與公路、河流及鐵路的交叉，降低施工難度。管線沿程應(yīng)該避開(kāi)容易滑坡的土層，并避開(kāi)巖層、沼澤及水覆蓋的地區(qū)。最后從投資和施工等方面進(jìn)行綜合比較，確定最終管道的走線和位置。

本抗旱應(yīng)急水源輸水工程取水位置為東山咀水庫(kù)的出水口，取水后通過(guò)管路送達(dá)巴圖營(yíng)鄉(xiāng)蓄水池。沿線盡量減少轉(zhuǎn)彎，減少與道路、鐵路河流的交叉。輸水管線按上述原則進(jìn)行走向設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)為1900m。

本工程輸水方式為先通過(guò)加壓方式將水從水源地提升至中間某海拔較高的蓄水池，然后再通過(guò)重力輸水方式配送至巴圖營(yíng)鄉(xiāng)的蓄水池。

3.2 輸水管材選擇

本工程輸水管線距離較遠(yuǎn)，工程量大，施工難度高，是本工程的重要組成部分，在整體工程投資中占較大比例。管道材質(zhì)不僅影響管道輸水安全，同時(shí)也對(duì)工程造價(jià)有很大影響。管材選擇應(yīng)結(jié)合受力特性、施工方便、環(huán)境因素和材料成本等因素綜合進(jìn)行選擇。常用的輸水管材包括鋼筋混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管、鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管等，下面對(duì)不同輸水管材進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2 輸水管材技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

每種管道各有優(yōu)點(diǎn)，也各有不足。鋼筋混凝土管材料價(jià)格較低，耐腐蝕性能好，但安全性不好，水質(zhì)不能得到有效保障。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管從管材性能來(lái)講是最好的，但價(jià)格比鋼筋混凝土管高，一般應(yīng)用于大管徑輸水管路，由于本設(shè)計(jì)給水管材的管徑為DN600，屬于中小管徑，采用鋼筒混凝土管會(huì)浪費(fèi)材料且增加投資，故本工程不采取。鋼制管材抗壓強(qiáng)度高，受力性能好，適應(yīng)沿線變形能力強(qiáng)，但耐腐蝕性不好，在濕潤(rùn)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生銹蝕，降低管材受力強(qiáng)度，并且也會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響。球墨鑄鐵管具有很高的抗壓能力，耐腐蝕性也好，壽命長(zhǎng)，價(jià)格也相對(duì)較低。

經(jīng)比較，球墨鑄鐵管抗壓能力強(qiáng)、安全性高、使用壽命長(zhǎng)，投資造價(jià)也較低，且由于輸水管路作為抗旱應(yīng)急水源工程，對(duì)管道安全性和保證率有較高要求，另外沿線高差大，地質(zhì)條件復(fù)雜，球墨鑄鐵管可以適應(yīng)復(fù)雜的外部環(huán)境。因此，本工程選擇球墨鑄鐵管作為主要輸水管材。除與河流交叉，或公路、鐵路附近等特殊地段要采用鋼管穿越，其他均采用球墨鑄鐵管。

3.3 輸水管徑選擇

輸水管徑根據(jù)管道供水流量設(shè)計(jì)流速進(jìn)行選擇，管徑小會(huì)增加輸水途中管道阻力，產(chǎn)生較大水頭損失，增加水泵動(dòng)力；管徑大不僅浪費(fèi)管材，且沿線管道敷設(shè)費(fèi)用增加。因此需要通過(guò)計(jì)算確定最優(yōu)管徑，輸水管徑通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：d為供水管徑，m；q為供水流量，m3/s，本工程輸水管段設(shè)計(jì)給水量為212.43m3/h，即0.059m3/s；v為設(shè)計(jì)流速，m/s。供水管路的經(jīng)濟(jì)流速為1.2 m/s到2.0m/s范圍內(nèi)，本工程取1.2m/s。

經(jīng)計(jì)算，輸水管徑為250mm?？紤]未來(lái)人口增加，用水量增加，需留有一定富裕，且需要考慮水頭損失和自流的因素，綜合考慮，輸水管路管徑選取為600mm。

3.4 水頭損失計(jì)算

水頭損失為輸水過(guò)程中沿線阻尼造成的沿程水頭損失和管道局部彎折變徑等造成的局部水頭損失，根據(jù)管線總體布置和地形計(jì)算水頭損失，結(jié)合水源地和目的地海拔高差確定水泵揚(yáng)程。

1)沿程水頭損失hf計(jì)算：

采用下式計(jì)算管道沿程水頭損失，公式為：

(2)

式中：hf為管道的沿程水頭損失，m；L為管長(zhǎng)，m；Q為管內(nèi)通過(guò)的流量，m3/h；d為管道內(nèi)徑，mm；f、m、b為鑄鐵管材系數(shù)，f=6.25×105，m=1.90，b=5.10。

經(jīng)計(jì)算，沿程水頭損失hf為0.40m。

2)局部水頭損失hj計(jì)算：

局部水頭損失一般根據(jù)沿程水頭損失進(jìn)行估算，一般取沿程水頭損失的10%-20%。本工程局部水頭損失取沿程水頭損失的15%，即hj=0.15hf=0.06m。

故管道輸水過(guò)程中總消減水頭為0.4+0.06=0.46m。

東山咀水庫(kù)輸水洞出水口處工作壓力水頭需>21.65m。

3.5 水錘分析

在管道輸水過(guò)程中，當(dāng)管道閥門瞬間開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)會(huì)引起水錘壓力，當(dāng)水錘壓力高超過(guò)管道和附件壓力時(shí)，會(huì)造成管道及附件的損壞。當(dāng)水錘壓力低在管道內(nèi)形成負(fù)壓時(shí)，也會(huì)造成管道破壞。本工程管線較長(zhǎng)，管道沿線有高點(diǎn)，并且距離供水壓力線較近。高點(diǎn)位置在正常供水情況下壓力較小，供水過(guò)程水流忽然停止時(shí)，水柱可能出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，管道非常可能發(fā)生損壞。因此，對(duì)管道內(nèi)水錘進(jìn)行計(jì)算如下：

(3)

式中：C為水擊波速度，m/s；α-K/E為水的彈性系數(shù)與管壁材料的彈性系數(shù)比值為0.02；d為管道內(nèi)徑，cm，d=60cm；δ為管壁厚度，cm，為0.79cm；Hα為直接水擊壓強(qiáng)水頭，m；VO為關(guān)閉前水流速度，m/s，212.43/π×0.32/3600=0.209m/s。

經(jīng)計(jì)算，直接水擊壓強(qiáng)水頭Ha為19.3m。

輸水管線管材選擇DN600K9的標(biāo)準(zhǔn)球墨鑄鐵，可承受最大水壓力可以達(dá)到1.6MPa，爆破壓力可以達(dá)到5MPa，滿足泵站揚(yáng)程和直接水擊壓強(qiáng)水頭要求，可以保證管線輸水過(guò)程中安全使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)水源工程和用水地區(qū)的相對(duì)位置，及沿線地形高差及地質(zhì)條件，綜合外部環(huán)境條件，對(duì)應(yīng)急水源輸水管線進(jìn)行線路和輸水方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)各種材質(zhì)輸水管進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)管道安全性和保證率要求，輸水管道選擇DN600K9的標(biāo)準(zhǔn)球墨鑄鐵管，保證管線輸水過(guò)程中安全使用，同時(shí)可以降低工程造價(jià)[3]。該應(yīng)急備用水源工程建成后，可為北票市提供應(yīng)急水源，在旱災(zāi)發(fā)生時(shí)保證用水正常供應(yīng)，有效解決當(dāng)?shù)厝罕娪盟倘眴?wèn)題，為居民正常生活提供保障，保證當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。