彝良县城市输水管线设计方案探讨

罗建维

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830001)

1 工程概况

彝良县位于云南省东北部，昭通市中部，介于东经105°51′～104°45′、北纬27°16′～27°57′之间，地处云、贵、川3省结合部的乌蒙山区。近年来彝良县社会经济发展较快，城镇人口不断增长，生活用水量和工业用水量迅速增长。彝良县缺水问题逐渐突显。目前彝良县有两座水厂，第一自来水厂设计供水规模为1万m3/d，厂址位于发达河东面彝海公路起点处。现状供水量已经不能满足城市发展以及人民生活水平日益发展的需要，且该水厂由于修建年代久远，供水安全性不高。第二自来水厂设计供水规模为2万m3/d，该水厂始建于2013年3月，目前已建成。其输水管道两次水源点相继因面源污染等客观原因迟迟未修建。因此，为保障县城供水安全，尽早启用第二自来水厂显得尤其迫切。因此根据实际需要，拟建设重力流输水管线及其附属建筑物，用于向彝良县城市进行供水。

2 输水管道设计

2.1 输水线路比选

根据彝良县1∶10000地形图分析及现场勘测结果表明：发达河两侧山体浑厚，山顶高程1800 m～1960 m，水源地花溪溶洞洞口高程仅为1005 m，因此输水管道线路只能沿发达河河谷布置。线路前段由于受水源高程低的限制，输水管道只能顺河埋设。线路后段接近城区，房屋非常密集，且与第二自来水厂距离较近。为节省工程投资，避免征地协调，输水管道后段结合彝牛二级路布置。最终设定方案如下。

2.1.1 方案一

输水管道自花溪溶洞取水，由于取水高程较低，管道出花溪溶洞后穿过曹海段道路后跨至发达河左岸埋设，之后沿发达河左岸布置，管道过花鱼洞、发达村后至花桥电站取水坝，为避开陡崖峭壁，沿崖顶布置过白沙坡、沟边等村寨，在丰境生态农庄处下穿043乡道后，继续沿发达河左侧岸坎布置，过岩脚、河坝等村寨后，管道在靛塘村下方处穿过河道至发达河右岸，之后沿右岸岸坎布置，至角奎水文站。继续顺坡而上，跨过小河电站引水沟后，止于公路旁扬水泵站进水池。管道流量0.342 m3/s，管径为DN600和DN500，总长17.157 km。

本方案的特点是基本沿发达河岸坎布置，尽量减少与道路、沟渠的交叉干扰，线路长度相对方案二较短，但占用耕地较多，施工时需要新建施工便道，施工工期较长。

2.1.2 方案二

输水管道自花溪溶洞取水，由于取水高程较低，管道出花溪溶洞后穿过曹海段道路后跨至发达河左岸埋设，之后沿发达河左岸布置，管道过花鱼洞后至郭家湾子右岸曹海段公路，沿公路边及花桥电站引水沟布设至丰境生态农庄门口的043乡道，跨至发达河左岸通村路，之后沿路边埋设，在角奎水文站及一水厂扬水站下游约200 m处穿河至右岸，止于公路旁扬水泵站进水池。管道流量0.342 m3/s，管径为DN600和DN500，总长17.705 km。

本方案的特点是沿道路和引水渠布置，少占耕地，可利用现有道路施工，施工便捷，但线路长度相对方案一较长，同时对交通造成不利影响，也增加路面及排水沟恢复费用。

2.1.3 方案比选

本次比选主要从地形地质条件、工程布置及施工条件等几个方面阐述，比选过程及结论见表1，方案布置情况见图1。从工程布置、工程规模、征占地、施工条件、运行管理、概算投资综合比选后，选择管线短，施工运行管理方便，投资概算低的方案一。

表1 输水线路比选表

2.2 输水管材比选

输水管材的确定是在控制工程投资和保证输水管线安全运行的重要环节，根据《城市给水工程规划规范》(GB 50282-2016)规定，输水管材应根据输水用途、地质情况、管材性能、管道荷载、土壤冻融情况等综合确定

本工程管道主要为人饮供水，同时整条线路地形较陡，交通不便，因此管道布置为明管与有压浅埋管结合，同时满足有压引水要求，方便施工，应选经济耐用、可靠性高、无毒安全的管材。根据给水工程输水系统对管材的要求，结合彝良县在输配水管道的使用情况，经综合考虑，初选钢管、PVC-O管，并进行比选。

钢管韧性、弯曲等力学性能良，强度、刚度、抗冲击、耐磨性能强，对变形适应力较差，耐压等级高，弹性系数较大，抗水锤能力强。接口安全稳定性高，不具有柔性，施工要求高，但管材弯曲与柔韧性能好，抗震性能好。糙率n=0.011，DN600价格1540.8元/m(8 mm)，DN600价格1758.92元/m(10 mm)。

PVC-O韧性、弯曲等力学性能良，但强度、刚度、抗冲击性能差，对变形适应力较强，耐压等级较低，抗腐蚀性强，弹性系数较大，抗水锤能力强。接口具有柔性，管材弯曲与韧性能较好，采用普通的承插式粘接施工或RR胶圈承插连接施工，操作简单。糙率n=0.009，1531.96元/m(1.0 MPa)，1760.1元/m(1.6 MPa)

由于项目区滑坡、落石等地质灾害现象频发，为保障供水安全性，推荐选用抗冲击韧性较强的钢管，并考虑饮水安全性和造价等因素，在钢管材质中选择造价相对较低的螺旋钢管，防腐采用内涂环氧树脂(EP)，外涂聚乙烯(PE)。同时工期紧张，考虑到PVC-O管质地轻，无需吊装，人工即可完成安装，施工速度快，为节省工期，本阶段考虑在地形相对平缓且水头较低的地段，采用PVC-O管。

因此本工程管材推荐选择以钢管为主，辅以PVC-O管，在保证安全输水的基础上，又可加快工程进度，尽快发挥水厂效益，满足县城供水需求。

2.3 输水管道水锤分析计算

2.3.1 水锤分析

本项目输水工程输水方式为有压重力输水，在输水管道中设有排气阀、排水阀等阀件。可能导致水锤产生的情况是：(1)在开、关阀门和流量调节操作过程中，由于迅速操作，导致管内流速发生变化而产生水锤；(2)管内排气不畅，产生气囊运动，导致管内流速发生变化而产生水锤。

2.3.2 水锤计算

管道沿线长17209 m，管径630 mm，设计方案中管线末端设置水力控制阀。本工程水锤压力采用数值模拟软件Bently HAMMER进行计算，对设计方案阀门设置进行了模拟计算。管线末端控制阀关阀时间设定为：前40 s关至60%，后80 s关至100%。

本次主要针对以下几种工况进行计算：

a.沿线未设置任何水力控制阀；

b.沿线在15+500处设置超压泄压阀。

水波传播波速1359.87 m/s，海森威廉系数130，管径600 mm，流量145 L/s。

根据水锤模拟软件的分析结果最大水锤压力约2.7 MPa(15+500处，图2)。管线为人饮水工程，为增加管道输水的安全性，防止极端危险的情况发生，在15+500处安装超压泄压阀。重新复核计算后管道沿线的最大水锤压力为2.0 MPa，经计算，管道的承压级别满足要求(图3)。

图2 沿线未设置任何水锤防护措施

图3 沿线在15+500处设置超压泄压阀

2.4 附属建筑物设计

2.4.1 阀门井

根据《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)要求，阀门井主要设置在管道分水、进排气、排水阀门处，阀门井均采用钢混结构形式。本工程共设置控制阀井4座，分水阀井2座，进排气井26座，排水井7座。其中阀门井平面尺寸为3.0 m×3.0 m，壁厚0.4 m，底板厚0.5 m。为便于人员操作、维修，其上留有边长1.0 m的进人孔，井内侧均在隔墙上设有钢爬梯。此外，在上部控制阀室为便于检修，加快日常维护等工作，对部分阀门井进行加装检修控制间。检修控制间为砖混结构，内置配电箱、量水设施等，便于电脑端对管线进行监控。

2.4.2 镇墩、支墩

为防止管道发生位移，根据《城市给水工程规划规范》(GB 50282-2016)要求，本次设计明管段每隔6 m设置支墩1座。管道沿线共设置镇墩178座，设置支墩786座。

2.4.3 管道交叉建筑物

本项目输水管道线路长，管道交叉建筑物多，主要分为穿路建筑物、跨沟(河)建筑物，根据平面布置，本次设计共布置穿路建筑物8座，跨沟(河)建筑物6座。

3 结论

彝良县城市补水管网输水管网的铺设方案，对整个工程有着重要的影响。虽然当地环境地质条件较差，工况复杂，输水危险系数较高。但为保证彝良县正常供水，必须合理对该管线进行设定。本文通过对管线、管材等进行必选，同时校核水锤现象对管道的影响，最终选定出合理的输水路线，以保证彝良县正常供水，使该管线的经济效益和社会消息顺利发挥。