惠山三茅峰高扬程单级加压供水工程介绍

贾 平

(无锡市给排水工程有限责任公司，江苏无锡214073)

进行高扬程供水工程方案设计时，通常会选用分级串联加压的供水方式，但其工程投资相对偏高且日常运行管理不便，采用单级直接加压的供水方式能较好地解决该问题。笔者以三茅峰惠山历史文化馆供水工程为例，介绍了小流量高扬程单级加压供水方案的设计和相应的安全防护措施，以期为类似工程的设计提供借鉴、参考。

1 工程概况

惠山历史文化馆地处无锡市西侧惠山国家森林公园内三茅峰山顶上，距离城市商业中心3 km，海拔标高为323.3 m。三茅峰主要由泥盆系石英砂岩组成，属天目山“穹隆背斜”的余脉，山体表面土沿等高线呈带状分布。其中海拔标高20～60 m为缓坡区，土层平均厚度为40 cm，呈黄棕色，酸性较强；海拔标高60～270 m为低矮山头和较陡坡区，土层平均厚度为25 cm，呈暗棕色，酸性减弱；海拔标高270 m以上为陡坡区，土层较薄，厚度约为20 cm，呈褐棕色，含有机质较多，酸性较弱。根据气象记录，年平均温度为15.4 ℃，极端最低气温记录为-12.5 ℃，极端最高温度记录为38.9 ℃，无霜期平均为218 d，东南风为全年主导风。

惠山历史文化馆原有1只12 m3的不锈钢水箱，供水主要靠车辆运输至水箱。为了改善配套的基础设施，提高供水水质并保障其安全使用。拟由山下的动物园供水通过泵站直接加压送至山顶水箱，再通过原有的室内管网输送至历史文化馆各楼层。

2 工程设计

2.1 泵站设计

根据现场勘测情况并通过沟通协商，加压泵站选址为动物园外围的东北侧山坡。该处水源、电源进线方向较为合理，输水至山顶水箱管线也较短(932 m)，满足交通运输和运行管理的要求，且与周围环境相协调，工程投资也最优[1]。

泵站标高为54 m，山顶原有不锈钢水箱地形标高为324 m，水箱有效水深为2.5 m，其设计水面标高为326.5 m。因此，加压泵站供水静扬程为272.5 m。

由于加压泵站与水箱地形标高相差为270 m，供水采用单级直接加压方式，其泵站内加压泵与管道压力较大。同时，考虑水锤的影响，综合考虑安全等因素，泵站设计采取以下方案。

① 泵房布置遵循《泵站设计规范》(GB 50265—2010)，水泵室与电气控制柜均独立设置，做到干湿分离、动静分开，且能预防高压管道爆裂等危险因素。

② 从人身安全方面考虑，泵站内外墙体和屋顶全部采用钢筋混凝土现场浇筑，其中靠近动物园一侧为实体钢筋混凝土墙且禁止设置门窗。

③ 泵房采光、通风、维护和泵站安全防护等设施布置，均需满足日常生产运行管理方面的使用要求。

2.2 输水管道设计

2.2.1 管道走向的确定原则

① 为了减少水头损失并降低能耗，输水管道一般尽量沿垂直等高线布置，以缩短输水管线的长度。

② 为了防止滑坡和泥石流危害的影响，管道走向必须经现场踏勘，选择地质情况良好的山坡敷设。

③ 为了避免产生弥合性水锺，管道尽量沿山坡稳步上升敷设，中途不应出现管道峰顶或坡度剧变的现象。

2.2.2 管道数量和管径的选择

由于三茅峰惠山历史文化馆的日常用水主要供应2个室内公共卫生间和工作人员生活用水，用水量比较小。设计时考虑在室外增设1只消火栓，兼顾附近山林防火。消火栓选用SN65型，其消防用水量为18 m3/h。根据用水需求情况，除考虑应急山林防火消防供水外，供水方案主要为山顶不锈钢水箱补充水量，因此单管敷设完全能满足正常的使用需求。

在确定管径时，要综合考虑实现系统优化。当管径增大时，管道造价会增加，但输水流速降低，水头损失相应减小，泵站运行能耗也会减小；反之，减小管径，管道造价虽然降低，但输水流速会增大，日常运行能耗也相应增加。因此，根据压力输水管道经济流速的要求并综合考虑降低管道沿程损失，选定输水管道管径为DN89，满足消防用水量时的管道流速为1.01 m/s。

2.2.3 管道管材确定

根据加压泵站与山顶水箱输水高程变化的实际情况，输水管设计最低承压为1.0 MPa(输水管末端)，最高工作压力为3.0 MPa(输水管起端)，水锤压力以不超过5.0 MPa考虑(超过上述设定压力时，自动开启泄压)。根据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》(CECS 193:2005)的有关规定，输水管道宜采用能承受高压的钢管[2]。同时,考虑该工程的实际用水和山体土质情况，输水钢管拟采用管内壁光滑、水阻小、耐腐蚀的S304不锈钢管道。

钢管壁厚采用满足规定的构造壁厚和承压力计算壁厚之中的大值[3]，工程设计时根据泵站地面的相对标高进行分段，确定承压和壁厚见表1。

表1 输水管道承压与壁厚

2.2.4 管道敷设的要求

① 由于管道敷设在山坡岩石或半岩石基础上，管道底部应铺设厚度为150 mm的中粗砂垫层。

② 由于日常用水量较少，供水间隙时间较长，为防止冬天管道结冰，沿线管道原则上采用暗敷的方式，其管顶覆土不得少于30 cm。若局部区域无法满足上述要求，应做好相应的防冻保温措施。

③ 为防止水土流失和沟槽土方滑坡，坡度较陡的管线需每间隔5 m在沟槽横断面上砌筑石挡土墙，其他一般地段每间隔10 m在沟槽横断面上砌筑石挡土墙。

④ 为稳定管顶覆土并防止水土流失，建议在管道沟槽表面种植根系发达的草皮或播撒草籽。

2.3 水泵选型

该工程设计主要为通过加压泵站将自来水输送至山顶原有不锈钢水箱，同时兼顾山林消防用水，故单台水泵设计流量按12 m3/h考虑。根据山下动物园室外供水管网的分布情况，加压泵站水泵吸水方式采取直接从动物园DN200管道上抽水。

根据《给水排水设计手册第1册常用资料》[4]，输水管道长度为932 m的沿程水头损失为13.0 m，局部水头损失按沿程水头损失的15%计算，则总水头损失为15.0 m。因此，水泵所需扬程为289 m(富裕水头取1.5 m) 。选择DGF25-12多级离心泵2台(1用1备)，应急山林防火消防时可同时开启2台水泵，水泵性能参数见表2。

表2 水泵性能参数

3 附属设施与管道附件

3.1 附属设施

由于输水管道沿线山坡覆土层较浅且质地轻壤，常规支墩设置方式无法满足该管道支撑。设计要求在输水管道弯管、三通、分支管均须设置锚固拖拉支墩，其中锚固钢筋伸入山坡岩石的长度不得少于35倍钢筋直径，同时在镇墩的两边1.5 m处各设置1座固定支架[5]。

3.2 管道附件

3.2.1 缓闭止回阀

在每台水泵出口管道上设置微阻缓闭式止回阀，大大减轻了停泵倒流时水流产生的压力冲击，减少了水锤的产生，保障了管线和设备的使用安全。

3.2.2 中压安全阀

在泵站出水总管起端安装安全阀，其超压排泄通过DN100钢制管道连通Ф500专用钢制消能罐，高压水经消能降压后排入Ф1200钢筋混凝土井，以保证设备和管道内的水压力不超过设定压力。

3.2.3 中压减压阀

为了输水管道和泵房内检修放空排水的需要，在泵房出口干管上设计旁通排水管。由于泵房内管道的静水压力为272.5 m，因此在排水管上必须安装减压阀，同时在其两侧安装高、低压压力表，以便观察阀前后的压力变化。减压阀后的管道直径选定比阀前进口管径大2号，设计时采用DN150钢制管道。

3.2.4 波纹伸缩节

为防止输水管道地基不均匀沉降和温度应力危害管道，设计时每隔100 m左右设置1只不锈钢波纹伸缩节。

4 安全防护

4.1 水锤防护

由于该工程为单管高扬程供水且输水管道沿线地形变化大，易产生具有很大破坏力的高压水锤。为了减小管道水锤对泵站的影响，采取如下主要措施。

① 在每台水泵的出口管道上设置缓闭式止回阀，有效降低水锤的危害。

② 在泵站出水总管起端安装安全阀(泄压阀)，当泵站管道内压力超过设定水锤最高压力时，安全阀自动开启泄压，保证系统最高水压不超过设定压力，保障水泵和管道的正常工作，防止意外发生。该工程中安全阀的设定自动开启压力为5.0 MPa。

③ 输水管道出口底标高应大于水箱最高水位10 cm。由于该输水管道距离比较短，沿线敷设无倒坡现象，其中途未布置自动排气阀，因此该管道出口为整个输水管道的最高点。发生水锤时，该管道出口可起到进、排气功能，从而稳定管道内气压。出现水击现象时，又能迅速泄出部分水锤高压水，中断水锤波的连续性，降低缓冲运行中产生的水锤压力。

4.2 排水防护

由于泵站内出水总管的压力较高，管道放空排水时必须减压消能后才可正常排放，以避免高压直接排水发生的次生危害。工程设计考虑管道放空排水时先通过减压阀降压后再排入Ф1 200钢筋混凝土消能井，最后敷设DN200的排水管接入山坡截洪沟。

4.3 雷击防护

由于泵站地处山坡上，周围地形地势复杂、高低悬殊，地理环境特殊，为防止雷击对系统的破坏，对建筑物采取了相应的防雷措施。

① 在泵站四周设置环形接地网，下引线与基础钢筋网及桩基连接，用测地阻摇表测试，其接地电阻值不得大于4 Ω。

② 在泵房屋面周边安装Ф10热镀锌圆钢避雷带，其避雷下引线应与泵站设置的接地网连接，从而做好直击雷的有效防护。

③ 泵房内设置与防雷接地相连的等电位联结端子箱，将水泵、设备控制柜等基础保护接地与其连接。做好电气配电箱等金属外壳与等电位端子可靠连接，形成一个泵房等电位连接网，防止感应雷的危害。

5 结论

该工程属于山区高扬程单级加压供水工程。在正常情况下，虽然输水流量较小，但水泵需一次加压输水至设计标高为326.5 m的水箱，实际运行停泵时泵房出口承受产生的最大水锤达到4.3 MPa，其停泵水锤压力为日常工作压力的1.4倍，未超出设计允许最大压力5.0 MPa。因此，为有效防止水锤对泵站及管道产生危害，应根据现场客观情况采取相应的安全防护措施。工程运行实践表明，小流量高扬程供水工程可以采用单级直接加压的供水方式，具有经济合理、安全可靠、管理维护方便等优点，完全能满足正常使用需求。