大坪大坝供水工程管线布置及管道施工探析

杜丹强

(韶关市利源工程建设有限公司，广东 韶关 512000)

0 引 言

大坪大坝工程供水规模W=330m3/d，为IV型工程。工程主要建设内容为：新建取水陂头3座，粗滤池3座，新建250m3清水池1座，20t/h一体化净水设备1套，设备管理房34.4m2，设备管理区180m2，大坪村新建配水主管及支管16.41km，巷道管及入户管8.34km，新谷村新建配水主管及支管6.63km，巷道管及入户管8.64km，新建原水输水管8.27km，输配水管网总长48.31km。输配水主管及支管沿线共设置闸阀、排气阀、泄水阀、减压阀以及水池消纳器74个，主管及支管安装水表共20个，设置阀门井94座。

1 工程概要

乳源瑶族自治县大坪供水工程位于大桥镇境内，全镇21个村委会，1个居委会，265个自然村，8322户；共266个村(居)民小组。镇有总人口41000人，户籍总数8499户，户籍总人口39662人，其中农业人口38749；总面积384km2，耕地面积3.94万hm2，林地面积2.65万hm2，森林覆盖率72%。

该工程共新建水陂头3座，水陂A-1后输水管为dn200，水陂A-2及A-3后输水管均为dn160，水陂A-3输水管沿废弃引水渠至水陂A-2所在支流处接入水陂A-2的输水管dn160，继续沿废弃引水渠至原水源点下游处与水陂A-1后的dn200输水管汇合后，通过dn200输水管沿现状废弃排水渠至下山峡附近，穿过清溪洞村道输水管道由dn200转dn160后基本沿等高线880m至岩前村后山顶较高点的马坳墩附近932m高程处设250m3清水池1座，并配20t/h一体化自动净水设备1套及配套管理防护措施。输水主管沿线设闸阀4个，泄水阀3个，排气阀2个，水锤消纳器2个。

2 管线布置

2.1 配水管线布置

配水主管共布设3条，其中BK供水范围为腊子窝、上窝，出水池与输水管并排埋设至分叉口，分别设入村支管，主管段BK长1.4km，管径为dn63。

BN供水范围为岩前、塘洞、新屋，出水池沿现有土路至岩前，沿村道至塘洞村，分别设入村支管进入岩前、塘洞和新屋，主管段BN长1.66km，主管管径dn75。

BJ供水范围为大坪村委其余的大坪、跌苟龙、石山背、竹子排、黄六塘等5个自然村以及新谷村的9个自然村，主要沿717乡道及939乡道布设，主管段BN长6.16km，主管管径dn110，沿线在各自然村道路入口分别设支管入村。

配水管线较长的在最低点设有泄水阀，最高点设有排气阀，各入村支管前端均设有闸阀及水表，对于入户静水压高于40m水头的管线前端设有减压阀。

配水主管线沿线共设闸阀30个，泄水阀9个，排气阀4个，减压阀3个，减压阀16个，水锤消纳器4个[1-2]。

2.2 巷道管及入户管网

村内巷道管结合村内地形采用dn25-dn40的管敷设，入户管每户按20m考虑，其中表前每户dn25管15m，表后每户dn20管5m，每户均安装锁阀1个，水表1个，止回阀1个，闸阀1个。

3 管线水力计算

3.1 设计流量

该工程输水主管设计流量应按最高日最高时用水量确定，经计算，输水主管设计流量为34.05m3/h。

3.2 设计流速

输水管的设计流速，宜采用经济流速。各管径的经济流速如下：

dn<150mm时，流速：0.5-1.0m/s；

150

d>300mm，流速：1.0-1.5m/s。

管径小、管线长取低值；塑料管道流速可略高于金属管和混凝土管流速。本工程管线管径均≤200mm，水源至各自然村线路较长，高差较大，且低洼段均布设排水阀，故本工程管线流速尽量控制在0.5-1.0m/s，局部输配水主管流速略<0.5m。

3.3 水力计算

管线水力计算主要为水头损失计算，管道水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。

1)沿程水头损失按下式计算：

H1=iL

(1)

式中：h1为沿程水头损失，m；L为计算管道的长度，m；i为单位管长水头损失，m/m；UPVC、PE、SRCP、SP-C管的单位管长水头损失按下式计算：

i=10.67q1.852C-1.852d-4.87

(2)

式中：i为单位管长水头损失；q为管段设计流量，m3/s；d为管道内径，m；C为海曾威廉系数，因管线均为塑料管，故取塑料管的低值140。

2)局部损失按沿程损失的5%-10%计算，本工程取10%。

3)管线水力计算过程见表2。

表2 管线水力计算表

其他管道水力计算结果略。

4 管道敷设

4.1 管道敷设设计

该工程应防止配水管人为破坏及冻坏等防护措施。

1)开挖沟槽，沟深≥0.7m，沟底宽≥0.7m，如有局部超挖需用符合要求的原土分层夯实，当沟底的地基为岩石或半岩石时，应铲除至设计高以下0.15m-0.2m，然后铺上土或砂垫层整平夯实。

2)回填沟槽，安装敷设完毕后应尽快回填；管道下部与管底的空隙必须填实；接口前后0.2m范围内不得回填，以便试压时观察。管槽回填分层厚度<200mm，夯填密实度要求达80%-85%以上，管道两侧及管顶以上500mm内的回填土不得含有碎石，砖块，垃圾等杂物。水压试验合格后，应及时回填其余部分空隙。

图1 管沟开挖标准断面图

3)特殊地基情况，如软弱地基采用换沙基础或其他特殊地基视情况处理，穿越(或跨越)河道、桥涵等构筑物时，按实际情况确定，或从底穿过，或钢管架空跨过。

图2 过公路破路标准断面图

4.2 管道附属设施

4.2.1 管道附件

本工程引水管线管道主要附件包括阀门、排水阀、排气阀、水表等。

1)闸阀或球阀：

配水管道的起点、终点、分叉处均需设置阀门以备检修，且线路2公里范围内需至少有1个检修阀门。

2)排水阀：

输配水管道低洼处及阀门间管段低处，需设置排水阀，根据测量资料及沿线实际地形需要。

3)排气阀：

管线隆起点上应设通气设施，管线竖向布置平缓时，宜间隔1000m左右设一处通气设施。根据测量资料及沿线实际地形需要，支线高点也应设置排气阀。

4)减压阀：

当进入自然村的管线静水压超过40m时，须在入村口设置减压阀，减压值可根据实际压力进行调整。

4.2.2 阀门井布置

干管上及入村主管的阀门以及水表均设阀门井，检修切断阀门井采用钢筋混凝土结构，阀门井内径采用1200，本工程设置阀门井共94个，阀门井做法参照国标图集07MS101-2。

5 设计计算

5.1 水陂抗滑稳定计算

水陂的结构设计、消能防冲设计参照《水闸设计规范》(SL265-2016)中，根据现场地质条件，各水陂均坐落于岩基上。

5.1.1 计算公式

根据《水闸设计规范》(SL265-2016)，水闸抗滑稳定计算公式：

(1)

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数(对于土质地基，基本组合Kc≥1.20，特殊组合Kc≥1.05)；f为闸室底板与河床之间的摩擦系数，根据地质报告，取0.40；∑W为kN，代表作用于闸室上全部垂直力的总和；∑P为kN，代表作用于闸室上全部水平力的总和。

闸室基底压应力计算公式：

(2)

式中：Pmax、min为kPa，代表闸室基底应力的最大值或最小值；∑G为kN，代表作用在闸室上的全部竖向荷载；∑M为kN·m，代表作用在闸室上的全部竖向荷载和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩之和；∑W为m3，代表闸室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩；A为m2，代表闸室基础底面的面积。

5.1.2 荷载组合

分别对基本组合和特殊组合的各种计算情况进行抗滑稳定及应力计算。

5.1.3 计算典型断面

本次选取水陂A-3作为典型断面进行抗滑稳定、及基底应力计算。计算简图见设计图。

5.1.4 计算基本资料

1)水位资料：采用断面对应的校核洪水位和正常蓄水位；

2)根据地质勘察报告，岩基摩擦系数取f=0.55，地基承载力为1000kPa；

3)水陂容重r=23kN/m3,水重r水=9.81kN/m3；

4)A=1.98m，陂顶高程990m，陂底高程988.1m；

5)基本工况：上游水位990.56m，下游水位988.9m；

特殊工况：上游水位990m，下游水位989.55m。

5.1.5 计算结果

结果见表2。

表2 水陂稳定计算成果表

5.2 水陂消能防冲计算

5.2.1 计算公式

水陂消力池深度、消力池长度、消力池底板厚度计算采用《水闸设计规范》附录B中的相关公式，计算公式如下：

1) 消力池深度计算：

消力池深度按下列公式进行计算：

(3)

式中：d为消力池深度，m；σ0为1.05，代表水跃淹没系数；α为1.00，代表水流动能校正系数；q为m2/s，代表过闸单宽流量；b1为m，代表首端宽度；b2为m，代表末端宽度；T0为m，代表板顶面算起的总势能；ΔZ为m,代表落差；hs′为m，代表河床水深。

2)消力池长度计算：

消力池长度按下列公式进行计算：

(4)

式中：Lsj为m，长度；Ls单位为m，代表斜坡段水平投影长度；β般为0.75，代表校正系数；Lj单位为m，代表水跃长度。

3)消力池底板厚度计算：

消力池底板厚度根据抗冲和抗浮要求，按下列公式进行计算，并取其大值。

(5)

式中：t单位为m，代表始端厚度；ΔH′单位为m，代表上、下游水位差；q单位为m2/s，代表过闸单宽流量；k1般为0.2，代表底板计算系数；k2般为1.30，代表底板安全系数；U单位为kPa，代表底面的扬压力；W单位为kPa，代表顶面的水重；Pm单位为kPa，代表脉动压力；γb单位为kN/m3，代表饱和重度[3-4]。

5.2.2 计算结果

经计算得：消力池长度为4.607m，消力池深度为0.284m，由于本工程3个水陂均坐落于岩基上，且下游河床坡降较大，水陂以上集雨面积较小，结合实际地形地质情况，水陂下游设0.5m后的石笼，长5m。

6 结 语

根据《水闸设计规范》(SL265-2016)，水陂的抗滑稳定安全系数如下：建筑物级别为5级，对于基础落在岩基上的挡土墙抗滑稳定安全系数应满足正常运用条件下≥1.05，非常运用条件≥1.0；根据表中计算结果水陂抗滑稳定系数基本组合为1.38，大于规范值1.05，特殊组合为1.11，>规范值1.0，故满足规范要求。水陂基础未出现拉应力，最大应力为28.39(kPa)，小于地质报告中提供的岩基承载力为1000kPa，故基础满足承载力要求。