供水工程干管连通设计

李继杰

新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000

1 项目区概况

项目区水源为喀河水源，通过灌区外供水总干管工程，向某团二期灌区供水，灌区设计灌溉面积为0.42万hm2，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》表3.0.1 水利水电工程分等指标规定，确定该工程的工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型工程。

2 项目区工程设计

2.1 设计标准

该工程总干管设计流量为3.35 m3/s，设计流量小于5 m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》表4.7.1供水工程永久性水工建筑物级别的规定，主要建筑物级别为3 级，次要建筑级别为4级。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》表5.5.1灌溉和供水工程永久性水工建筑物设计洪水标准，确定总干管工程设计防洪标准为10年一遇，不设校核洪水标准。

此输水总干管工程大部分区域位于一期灌区内，不涉及防洪工程内容。

2.2 管网系统设计

2.2.1 管网系统设计工作压力

2.2.1.1 设计工作水头要求

管网系统的工作压力是实施灌区正常灌溉的主要控制指标，灌区内分干管分水口压力应满足田间滴灌系统和喷灌设备进口工作压力。根据节水灌溉系统典型设计，滴灌系统进口需要工作水头为25 m 左右（含首部及过滤器损失），喷灌系统喷灌机的额定工作压力需要20 m（含首部阀门等损失），最终确定确定分干管放水口后的工作水头为25 m。

其他骨干管道的工作压力都应满足田间系统进口压力要求，经水力计算，灌区总干管汇水点（四条现状干管汇水点，O1）设计工作水头应在37 m左右。

2.2.1.2 压力控制设计

通过水力学计算，各系统的进口工作水头为25～35 m，可以满足各灌溉的需求，二期灌区范围内西南侧局部高处需配套管道泵局部增压。

2.2.2 压力等级确定

该工程属于有压管道，根据管道沿线的地面高差，计算各管段的最大静水压力值作为输水管道的最大工作压力，按照相关管道输水的技术规程，此次设计采用静水压的1.50 倍作为管材的最小设计压力值，经计算，输水总干管压力等级选用1.20 MPa。

2.2.3自压骨干管网设计及计算

根据流量推算和选用管材，通过水力计算确定管径。骨干管网是自压输水，即积累地形落差提供水头，管道输水有沿程损失和局部损失及管道主要附属设备产生的水头损失，地形落差提供的水头减去损失的总水头即为骨干管网向灌水系统起始点提供的水头。在总干管进口水头一定的情况下，通过调整管径改变水头损失来满足灌溉系统进口的压力。

2.2.3.1 设计流量

根据推算，该工程总干管的设计流量为3.50 m3/s。

2.2.3.2 水力计算

管道沿程水头损：失经管材比选确定工程采用玻璃钢管，按照《微灌工程技术标准》和《管道输水灌溉工程技术规范》中均推荐下式计算。各类管材参数见表1。

表1 各类管材参数表

式中：hf—管道沿程水头损失，m；f—沿程水头损失；Qg—管段的计算流量，L/h；D—管道内径，m；L—管长，m；m—流量指数；b—管径指数。

局部水头损失：原则上应根据管道附件的布置类型及数量，逐个计算，累加得出，此次按沿程水头损失的10%计。

2.2.3 管道纵横断面设计

水力计算确定管径后，进行纵横断面设计。

2.2.3.1 横断面设计

根据国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》，确定本项目区管槽开挖底宽L为管道外径D与两侧工作面宽度b之和，即L=D+2b。具体取值为：

综上，按照地质条件，确定总干管管槽的标准开挖断面底宽为3.80 m，临时开挖边坡Ⅰ段（0+000～9+290）：为1∶1.50，Ⅱ段（9+290～16+041）为1∶1.75。考虑管网安全，管顶以上覆土厚度不小于1.00 m，冬季排空管道余水。

管槽开挖、回填横断面要求如下：①管槽底夯实，管槽回填分三层回填区，管底至0.50倍管径高处为第一回填层，采用原土夯填，必须采用人工夯填；②0.05 倍管径高处至管顶0.50 m以下为第二回填层，原土回填，可采用机械从管道轴线两侧同时回填；③管顶0.50 m以上为第三回填层，原土回填。

2.2.3.2 纵断面设计

管道应短而直，管道纵剖面设计应尽量使管道在立面上顺直，但要避免大量开挖，在管道沿线地面起伏较大时，地埋管道也可随地面起伏，同时要避免山峰状隆起。在起伏的管道上，隆起的部位要设置进排气阀，低谷的部位要设置泄水阀。

2.2.4 总干管附属设备设计

为了控制或确保系统正常运行，系统中必须安装必要的附属设备，即控制、量测与保护装置。主要包括控制阀、进排气阀、排水冲沙阀、泄压阀、进人孔、压力表、测流设备和连接件等。

2.2.4.1 控制阀

控制阀用于控制管道的启闭和截断管网水流，方便系统运行管理维修，包括进水阀和节制阀两种。

2.2.4.2 进水阀

进水阀是指安装在各级管道入口的阀门，其作用是当灌溉开始时开启阀门使水流通过，而灌溉结束时关闭阀门切断水流。此工程在总干管与4条干管的交汇点分别设置进水阀，进水阀采用钢制蝶阀，口径为DN1200-DN600。

2.2.4.3 节制阀

当各级骨干管网上的某处管道出现故障而需要排除时，若关闭故障所在管道的进水阀则会引起该管道以下均没有水流通过，近而使其控制范围内的作物得不到灌溉。为了减小影响，需在这些管道上设置节制阀，当关闭节制阀时，节制阀前的管道依然可以供水和灌溉作物。此工程在总干管重要节点位置设置节制阀，共计3处，节制阀口径同主管道直径为DN2400。

2.2.4.4 进排气阀

进排气阀设置在管道系统的驼峰处，参照《灌溉与排水工程设计标准》在长距离输水且无明显驼峰时应设置进排气阀的要求，在总干管上每隔0.50 km左右设一处进排气阀，另在管道局部高处也设置进排气阀。

进排气阀垂直管道安装，通气孔直径依据公式确定：

式中：Dc—通气孔直径，mm；D—主管道直径，mm；V—管内流速，m/s；Va—排出空气流速，一般取45 m/s。

根据计算分析，此工程进排气阀规格为DN300，压力等级为1.60 MPa。

2.2.4.5 排水冲砂阀

排水阀设置在管道局部低洼处和两节制阀之间最低处，在管道检修或灌溉结束时进行排水或冲砂。此工程排水冲砂阀采用闸阀，共计3处，口径为DN300。

2.2.4.6 泄压阀

泄压阀是一种由其自身的进口水压来开启的自动泄压防护装置，它是压力管道最为重要的安全附件之一。它的功能是：管道在运行过程中若流量小于设计流量使管内压力超过某一定值、或因快速关阀引起水锤而使管内压力超过某一定值时，泄压阀依靠自身的进口压力自动开启阀门，迅速排出一定数量的水泄压，而当管道内的压力降到允许值时，阀门又自动关闭，使管道内压力始终低于允许压力的上限，从而自动防止管道因超压可能造成的破坏事故，要求泄压阀安装在阀门的迎水面。

该工程在总干管节制阀前设置泄压阀，每处1 个DN300mm泄压阀，在一级过滤器房前设置节制阀，根据水锤分析，需设置泄压阀DN400一个。为方便检修，泄压阀前安装同管径的闸阀。

2.2.4.7 进人孔

设置进人孔目的是当管道出现故障需要排除时，可以使工作人员确定故障的确切位置，便于对管道及时维护和检修，但小口径管道上没有设得必要，只需在管内径大于等于1 200 mm的管道上设置进人孔。该工程进人孔的设置与进排气阀位置及其他阀门位置结合，间距以2 km为宜，进人孔直径为800 mm。

2.2.4.8 压力表

压力表安装在各级管道入口处、节制阀前后、过滤系统进出口及各节水灌溉系统进口位置，是用于观测管道的压力状况。管网只有具备了完善的观测体系，才能防患于未然，及时平衡和调控各级阀门的开闭，以达到合理调配水量的目的。

根据各入口处的静水压力，此工程选择量程为0～1.60 MPa的压力表，要求压力表需要具备远传功能。

2.2.5 总干管附属建筑物设计为满足管道正常输水运行、流量控制、管道线路与其他设施交叉，需要设置各种阀井及建筑物。

2.2.5.1 顶管

此次工程规划的总干管位于九次干道以北，现状一、二、三干管均位于九次干道以南，需要穿越九次干道与总干管连接，因附近无合适穿越涵洞、交通桥，综合考虑个管道高程与路面高程的关系，此次规划采用顶管方案穿越九次干道，顶管采用钢筋混凝土顶管，顶管内套钢管，前后承插连接。顶管特性统计表详见表2。

表2 顶管统计表

2.2.5.2 盖板涵

此次工程总干管与现状非等级道路以及规划道路的交叉采用盖板涵，盖板涵采用暗涵结构形式，涵内穿管，盖板为C35预制钢筋混凝土盖板。

2.2.5.3 穿河建筑物

此次工程规划总干管线路需穿越杜瓦河河道1次，因穿越位置高边坡，需要架设管桥穿越，长度约90 m，位置为总干管9+357～9+432段，采用钢管架空形式跨越杜瓦河。

2.2.5.4 阀井

阀井包括检查井、进排气阀井、分水阀井、测流井、排水井等，主要分布在总干管上设置进排气设备、流量观测设备以及管道上设置阀门处，集水井设在管道末端设置排水处；各类井的尺寸按照井内布置的设备确定。各类阀井底部设置排水涵管，当阀井内漏水，采用潜水泵放置在排水涵管中，将积水抽出阀井。

2.2.5.5 镇墩

为保证管道安全，正常运行，需在管道变径、转弯处及管道末端设置镇墩，镇墩采用封闭式钢筋混凝土结构，并对土基处采取换填砂砾石垫层。根据镇墩受力情况，通过抗滑稳定计算、抗倾覆稳定计算及基底应力计算最终确定镇墩尺寸。

3 结论

综上所述，该项目的建设符合国家国民经济发展要求，有利于增强项目地区的发展后劲，项目在技术上和经济上是可行的，应多方筹措资金早日实施项目，加强组织管理，力争经济、社会、生态三大效益协调统一发展。