龍祥能

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

山家寨輸水管道設(shè)計(jì)及施工

龍祥能

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

為了保證水質(zhì)和水量，管道輸水在水利工程跨區(qū)域輸水中的運(yùn)用越來越廣。管道輸水既能保證水質(zhì)、減少泄漏，同時又能適應(yīng)地形起伏，其在輸水工程中的優(yōu)勢越來越明顯。本文結(jié)合夾巖水利樞紐及黔西北供水工程中的山家寨輸水管道設(shè)計(jì)情況，通過對長距離、大管徑輸水管道的布置，水力計(jì)算以及管道敷設(shè)設(shè)計(jì)的介紹，為類似工程提供一定參考。

輸水管道；水力計(jì)算； 管道敷設(shè)

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程涉及畢節(jié)、遵義兩個地級市。受水對象包括畢節(jié)市：七星關(guān)區(qū)、納雍縣、赫章縣、大方縣、織金縣、黔西縣、金沙縣；遵義市：遵義縣、紅花崗區(qū)、仁懷市。

工程由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3部分組成。夾巖水庫校核洪水位1326.01 m，正常蓄水位1323.0 m，總庫容13.23億 m3,設(shè)計(jì)灌溉面積600.2 km2,壩后電站裝機(jī)容量90 MW。按《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)2.1條規(guī)定[1]，工程等別由水庫總庫容控制，為Ⅰ等大(1)型工程。

山家寨輸水管道建筑物為3級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇?？拐鹪O(shè)防烈度為6°。工程的任務(wù)是以供水和灌溉為主,兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。

2 管線布置及地質(zhì)情況

2.1 管線布置

山家寨輸水管道首部通過連接水池與輸水隧洞相接，連接水池設(shè)計(jì)水位1467.118 m，管道進(jìn)口中心高程1461.941 m，管道出口中心高程1444.5 m，末端水池設(shè)計(jì)水位1450.0 m。管道采用雙管埋管平行布置，輸水管道長度6.8 km，管材為K8級DN1500離心球墨鑄鐵管，管道凈間距0.8 m，為重力式有壓流輸水。設(shè)計(jì)流量為6.0 m3/s，事故流量根據(jù)規(guī)范按設(shè)計(jì)流量的70%計(jì)算，為4.2 m3/s。為滿足事故流量要求，沿管線設(shè)2處聯(lián)通管，將管道分為3段，為方便檢修，沿管道每隔1 km設(shè)置DN800進(jìn)人孔。

2.2 地質(zhì)情況

管線沿線地形相對較緩，為峰叢谷地巖溶地貌。其中管線在樁號為管道0+153.296～管道1+072.999段穿越王家壩谷地。據(jù)鉆探資料，覆蓋層深厚，局部達(dá)20 m以上，堆積物多為灰黑色淤泥質(zhì)土、粉土等靜水沉積產(chǎn)物，力學(xué)性質(zhì)較差，為線路主要不良地質(zhì)體。其余地段覆蓋層較淺，下伏基巖為T1yn1中厚層灰?guī)r、T1yn2薄層泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖、T1yn3中厚層灰?guī)r、T1yn4薄層灰?guī)r夾溶塌角礫巖、T2g1薄層泥質(zhì)白云巖夾泥巖，巖層傾角平緩，多小于20°，強(qiáng)風(fēng)化深4～6 m。邊坡以巖質(zhì)邊坡為主，因巖層傾角平緩，無高陡邊坡存在，自然及天然邊坡穩(wěn)定。因管線沿線為巖溶地基，局部存在溶溝溶槽，為不均勻地基，存在地基變形問題。

3 水力計(jì)算

3.1 管道進(jìn)口淹沒深度計(jì)算

根據(jù)《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 285-2003)規(guī)定[2]，為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦考慮，最小淹沒深度按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：S為最小淹沒深度，m；d為閘孔高度，即管道內(nèi)徑，m；V為閘孔斷面平均流速，m/s；C為系數(shù)，對稱水流取0.55，邊界復(fù)雜和側(cè)向水流取0.73。

經(jīng)計(jì)算得S=1.144 m。連接水池設(shè)計(jì)水位1467.118 m，管道進(jìn)口起點(diǎn)高程1461.941 m，管頂實(shí)際淹沒深度S1=4.427 m，大于最小淹沒深度S，滿足要求。

3.2 水頭損失計(jì)算

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013-2006)規(guī)定[3]，管道總水頭損失，可按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：hz為管道總水頭損失，m；hy為管道沿程水頭損失，m；hj為管道局部水頭損失，m。

3.2.1 沿程水頭損失計(jì)算

采用水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道(球墨鑄鐵管采用水泥砂漿內(nèi)防腐)，可按式(3)計(jì)算沿程水頭損失。

(3)

式中：i為管道單位長度的水頭損失(水力坡降)；C為流速系數(shù)，C=R1/6/n，n為球墨鑄鐵管的粗糙系數(shù)，取0.013；R為水力半徑，m；v為管道內(nèi)流速，m/s；L為管道長度，m。

3.2.2 局部水頭損失計(jì)算

管道的局部水頭損失按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：ζ為管道局部水頭損失系數(shù)。

3.2.3 水頭損失成果

(1)設(shè)計(jì)工況。即兩根管子同時正常運(yùn)行，每根管子通過總設(shè)計(jì)流量的一半，即3.0 m3/s，經(jīng)計(jì)算得hz=13.70 m,小于實(shí)際水頭差hs=17.12 m，滿足要求。

(2)事故工況。由兩處聯(lián)通管將整條管線分成三段，其中一段中一根管子出現(xiàn)事故，另一根管子和其他兩段管子正常工作，即為事故工況。聯(lián)通管布置在樁號為管道2+106.522和管道4+454.89處，第一段局損系數(shù)∑ζ1=3.415 m,第二段局損系數(shù)∑ζ2=1.537 m,第三段局損系數(shù)∑ζ3=2.917,根據(jù)聯(lián)通管布置情況，選擇最不利工況來計(jì)算，當(dāng)?shù)谌沃械囊桓茏映霈F(xiàn)事故，其他兩段正常工作時為最不利工況，經(jīng)計(jì)算得hz=14.22 m,小于實(shí)際水頭差hs=17.12 m，滿足要求。

3.3 管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力

管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力由工作壓力和水錘壓力組成。工作壓力應(yīng)根據(jù)工作時的最大動水壓力和不輸水時的最大靜水壓力確定。水錘壓力通常發(fā)生在關(guān)閉閥門、開停泵等情況時，管段上流速來回波動變化產(chǎn)生的水頭。對典型的直線管道和在相關(guān)的參數(shù)條件下是可以計(jì)算的，但對城鎮(zhèn)的埋地管網(wǎng)，用公式計(jì)算很難做到，而且在給水管道上一般均設(shè)置水錘消除裝置。因此，對城鎮(zhèn)的輸配水管道上出現(xiàn)的水錘殘余壓力可按管道的工作壓力，并根據(jù)其材質(zhì)來指定其設(shè)計(jì)壓力。結(jié)合山家寨輸水管道，在聯(lián)通管處檢修閥位置設(shè)置水錘泄壓閥，從而有效控制水錘壓力。根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332-2002)及《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268-2008)規(guī)定[4-5]，當(dāng)管道上設(shè)置可靠的水錘消除裝置時，鑄鐵管管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力按式(5)和式(6)計(jì)算。

當(dāng)F≤0.5 MPa時，

P=2F

(5)

當(dāng)F≥0.5 MPa時，

(6)

式中：F為工作壓力，MPa；P為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力/試驗(yàn)壓力，MPa。

通過計(jì)算，整條管線上管道最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.35 MPa，而K8級DN1500離心球墨鑄鐵管允許工作壓力為2.2 MPa，所選的管道壓力等級及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4 管道敷設(shè)

4.1 開挖斷面

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268-2008)[5]，管道一側(cè)的工作面寬度，當(dāng)1500

4.2 回填要求

管槽回填要求：砂墊層為中、粗砂，砂墊層最大粒徑≤19 mm，管槽回填采用原土回填，管頂覆土深度不得小于0.8 m，管道的回填土應(yīng)予以壓實(shí)，各部位的壓實(shí)度見圖3。

圖2 管槽標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：mm)

圖3 管槽回填部位與壓實(shí)度示意圖

4.3 管道安裝

管道采用柔性連接(即承插式)，管節(jié)長度采用6 m，管道標(biāo)準(zhǔn)彎頭角度為90°、45°、22.5°、11.25°，管道沿曲線安裝時，接口的允許轉(zhuǎn)角為1°。為防止管子脫節(jié)，在彎頭處設(shè)置鎮(zhèn)墩。

4.4 閥室設(shè)置

輸水管道在隆起點(diǎn)上設(shè)置自動補(bǔ)排氣閥井，管線豎向布置平緩時，宜間隔1000 m左右設(shè)一處自動補(bǔ)排氣閥，補(bǔ)排氣閥規(guī)格為DN150，共設(shè)置22處?？筛鶕?jù)工程的需要在輸水管道低洼處及閥門間管段低處設(shè)置排水閥井，排水閥規(guī)格為DN300，共設(shè)置22處。

在輸水管道的始點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置檢修閥，在管道中部，樁號為管2+106.522和管4+454.890處設(shè)置聯(lián)通管，同時設(shè)置檢修閥。保證每段管道有檢修條件，且輸水干管任何一段發(fā)生故障時仍能通過事故流量。

5 結(jié) 論

貴州省是一個工程性缺水的省份，水資源的不均勻分布，直接制約著貴州省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為保證貴州省經(jīng)濟(jì)又快又好且持續(xù)發(fā)展，必須興水利除水害，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域調(diào)水，解決水資源分布不均的問題。夾巖水利樞紐及黔西北供水工程正是基于這樣的前提而新建的水利工程，山家寨輸水管道作為夾巖水利工程跨區(qū)域調(diào)水的一部分，它的建成將極大緩解畢節(jié)新區(qū)及大方縣用水問題，為地區(qū)發(fā)展提供有力保障。

[1] 中華人民共和國水利部．水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL 252-2000[S]．北京：中國水利水電出版社，2000．

[2] 中華人民共和國水利部．水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 285-2003[S]．北京：中國水利水電出版社，2003．

[3] 中華人民共和國建設(shè)部．室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50013-2006[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2006．

[4] 中華人民共和國建設(shè)部．給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50332-2002[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

[5] 中華人民共和國建設(shè)部．給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50268-2008[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

[6] 中國工程建設(shè)標(biāo)注化協(xié)會．給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程：CECS 142-2002[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

Water transmission pipeline design and construction in Shanjiazhai

LONG Xiangneng

(GuizhouProvinceWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute，Guiyang550002,China)

To ensure water quality and water quantity, applications of pipeline water delivery in cross-regional water conservancy projects are more and more extensive,pipeline water delivery can not only ensure the water quality and reduce leakage, but also can adapt to the ups and downs of the terrain, its advantages are more and more obvious.In this paper, design of water transmission pipeline in Shanjiazhai of Jiayan water conservancy and water supply project in Northwest Guizhou including layout of long distance and large diameter pipeline, hydraulic calculation and pipeline laying design is introduced to provide a reference for similar projects.

pipeline water delivery; hydraulic calculation; pipe laying

龍祥能(1987-)，男，布依族，貴州惠水人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:232704161qq@.com。

TU991

B

2096-0506(2017)04-0066-04