胡紹林

(崇義縣水務(wù)集團(tuán)有限公司，江西 崇義 341300)

0 引 言

合理調(diào)度和分配水資源，改善環(huán)境質(zhì)量，做到有計(jì)劃地開發(fā)利用水資源，并達(dá)到水資源的開發(fā)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)相互協(xié)調(diào)是水資源規(guī)劃主要目標(biāo)[1]。為此，在對(duì)某一地區(qū)的水量需求問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，通常需要精準(zhǔn)預(yù)測(cè)出這一地區(qū)在特定時(shí)間內(nèi)的需水量，這一課題需要我們進(jìn)行深入研究[2]。經(jīng)過(guò)科學(xué)地預(yù)測(cè)，掌握在規(guī)劃期內(nèi)的用水量，適量開發(fā)水資源，將有限水資源最大限度發(fā)揮出作用[3_5]；需水量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)更利于科學(xué)合理投資供水工程，如給水工程的擴(kuò)建、優(yōu)化、改造等。另外，對(duì)于不同區(qū)域用水量的分配也提供了便利條件，將供水成本控制在合理范圍內(nèi)[6]；合理的水量預(yù)測(cè)可指導(dǎo)水廠整體規(guī)劃布局，預(yù)防和控制水污染?；诖?，本文以崇義縣城現(xiàn)有供水水源為研究對(duì)象，對(duì)其供水輸水管工程布置及主體建筑設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了研究。

1 工程概況及總體布局

1.1 工程概況

江西省崇義縣縣城現(xiàn)有供水水源取自長(zhǎng)河壩電站下游，崇義縣水務(wù)集團(tuán)有限公司現(xiàn)有自來(lái)水廠1座，位于縣城西南方向的橫水鎮(zhèn)上營(yíng)村。水廠20世紀(jì)80年代建廠初期供水0.2萬(wàn)t/d，90年代提高到1萬(wàn)t/d。2000年對(duì)水廠進(jìn)行了擴(kuò)建，設(shè)計(jì)供水能力提高至2萬(wàn)t/d (即現(xiàn)狀日供水規(guī)模)，自來(lái)水廠供水管出口中心高程為305 m。近年來(lái)，隨著縣城經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，經(jīng)過(guò)對(duì)老水廠的改造，目前輸水管的輸水能力難以滿足今后城區(qū)正常的工業(yè)市政和居民生活用水。因此，崇義縣供水改擴(kuò)建工程對(duì)保障崇義縣規(guī)劃區(qū)內(nèi)的供水安全具有重要意義。

1.2 工程總體布局

崇義縣供水改擴(kuò)建工程的輸水管工程主要為崇義縣縣城供水的輸水管道工程，主要由輸水管道及輸水隧洞等組成。新建輸水管道基本沿原有管道一側(cè)布置，起點(diǎn)位于崇義縣長(zhǎng)河壩電站引水隧道鋼管段開口三通處，沿進(jìn)廠道路右側(cè)布置；出廠房大門后沿原輸水管道右側(cè)，在狐貍杰至原輸水隧洞進(jìn)口附近采用在河坑子附近新建輸水隧洞，隧洞出口后接管道至原輸水隧洞鋼管，利用原輸水隧洞鋼管輸水。原輸水隧洞鋼管出口后新建輸水管道沿原管道走向接入崇義縣自來(lái)水廠反應(yīng)池。

輸水管道總長(zhǎng)8.90 km，其中新建輸水管道4.114 km(其中球墨鑄鐵管管長(zhǎng)3.640 km，鋼管段長(zhǎng)0.474 km)，管徑為DN700。新建輸水隧洞2.06 km，村砌后洞徑為1.8 m和2.4 m，利用原隧洞內(nèi)明鋼管2.726 km。

管道在穿河及管底高程相對(duì)較低的位置設(shè)置了排水閥(排泥閥)，管底高程相對(duì)較高的位置設(shè)置了排氣閥。管道在首端、未端和輸水隧洞進(jìn)、出口均設(shè)有閘閥，沿管道排水三通和排氣閥處均設(shè)有檢修閘閥。

2 取水方案選擇

崇義縣自來(lái)水廠現(xiàn)狀取水管道為1根DN600的水泥管輸水，管道取水地點(diǎn)為長(zhǎng)河壩水庫(kù)下游的發(fā)電站尾水，總長(zhǎng)8.93 km，其中輸水隧洞+明鋼管布置長(zhǎng)2.726 km,取水口水位高程為329.00 m；自來(lái)水廠出水口高程為305 m，日供水能力為2.0萬(wàn)t/日。崇義縣自來(lái)水廠遠(yuǎn)期供水規(guī)模為5.0萬(wàn)t/日，現(xiàn)狀取水管道不能滿足日益增加的用水需求；同時(shí)原輸水管道經(jīng)多年運(yùn)行，多處破損，運(yùn)行費(fèi)用高且存在時(shí)常爆管停水搶修的安全隱患，難以保證安全供水。因此，對(duì)取水方案進(jìn)行了布置分析。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及資料調(diào)查，輸水管道取水口位置有兩個(gè)選擇：分別為長(zhǎng)河壩水庫(kù)下游的發(fā)電站尾水和長(zhǎng)河壩電站引水隧道鋼管段開口三通處。

目前長(zhǎng)河壩水庫(kù)為崇義縣縣城供水的惟一來(lái)源，取水口范圍500 m內(nèi)為一級(jí)保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)存在的可能污染水源需進(jìn)行整改。因此，此次取水口設(shè)置在發(fā)電機(jī)組前，防止發(fā)電機(jī)組對(duì)水源產(chǎn)生污染。

然后，對(duì)以上兩種方案進(jìn)行綜合比較：從管道輸水能力上看，兩種方案均能滿足供水要求，方案一供水能力最優(yōu)。從投資上看，方案一與方案二相比新增輸水管道更小，但是方案一原輸水管道設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，現(xiàn)狀輸水管道壓力等級(jí)為1.6 MPa，需對(duì)原輸水管道進(jìn)行更換，投資更大。因此，從投資上看方案二最節(jié)省。從運(yùn)行管理上看，方案一采用的兩管并行運(yùn)行需同時(shí)對(duì)2根管進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)成本較高。方案二運(yùn)行時(shí)只使用新增輸水管道，原輸水管道作為備用管道，平時(shí)只需定時(shí)進(jìn)行維護(hù)即可，可節(jié)省管理成本。因此，從運(yùn)行管理上看方案二最優(yōu)。

經(jīng)綜合比較各方案的優(yōu)劣，推薦采用方案二作為本次設(shè)計(jì)的方案，即從發(fā)電引水鋼管取水，原輸水管作為備用管。

3 主要建筑物布置及設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 輸水管道布置設(shè)計(jì)及計(jì)算

輸水管道首先需要對(duì)管徑及管材進(jìn)行選擇，管徑及管材的選擇主要從地形地質(zhì)條件、管道引水量、水壓力及水錘、水頭損失、施工、投資及運(yùn)行管理等方面考慮比較。滿流或壓力流的輸水管管徑，以及管道過(guò)流能力需采用管道孔口出流公式計(jì)算。輸水管道按材質(zhì)主要有預(yù)應(yīng)力混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管和連續(xù)纏繞玻璃鋼夾砂管等，作為輸水管道各具優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1.1 管材比較

現(xiàn)在市面上較常見的城市供水網(wǎng)管的材料為非金屬管和金屬管，其中預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼管(纏繞式)和聚乙烯管(PE)歸為非金屬管，球墨鑄鐵管(DCIP)、鋼管(SP)被歸為金屬管類別。幾種輸水管道管材經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比情況如下所示(見表1)，管徑較小的城市供水管可使用玻璃鋼加砂管，但這種管材也有一定缺點(diǎn)，如耐腐蝕性差、價(jià)格相對(duì)較高。

表1 4種輸水管道管材技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較

綜合沿程地質(zhì)、施工條件以及工程對(duì)安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求等因素，本工程設(shè)計(jì)采用球墨鑄鐵管和鋼管兩種管材結(jié)合使用。全線管材按如下條件選擇：管線在穿越難點(diǎn)地段時(shí)，如過(guò)河道、水塘、高速公路、鐵路等地段采用鋼管；地質(zhì)條件相對(duì)較好地段、可開挖直埋管段采用球墨鑄鐵管。

3.1.2 輸水管道費(fèi)用分析

給水管段每米長(zhǎng)的綜合建造費(fèi)用在管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算中一般采用下列公式：

CD=a+bDα

(1)

式中，D為管徑(m)；a、b、α為建造費(fèi)用公式中待定的常數(shù)、常系數(shù)和指數(shù)。

表2為球墨鑄鐵管的綜合造價(jià)(見表2)，根據(jù)表中的球墨鑄鐵管的綜合造價(jià)值，采用回歸分析的方法確定建造費(fèi)用公式中待定的常數(shù)、常系數(shù)和指數(shù)，得到公式(1)中的a、b、α分別等于252、3 931及1.63。然后采用公式CD=252+3 931D1.63，對(duì)表中各管徑的造價(jià)進(jìn)行擬合。由管道造價(jià)公式的擬合結(jié)果來(lái)看，準(zhǔn)確度達(dá)到要求。

表2 綜合造價(jià)統(tǒng)計(jì)擬合值及其誤差

3.1.3 水擊壓力計(jì)算

輸水管道取水起點(diǎn)壓力根據(jù)水庫(kù)水位變化進(jìn)行變化，變化范圍為水庫(kù)死水位至正常蓄水位，此次水錘壓力計(jì)算考慮水庫(kù)最高水位同時(shí)也是正常運(yùn)行水位。水擊波傳播速度采用如下公式計(jì)算：

(2)

式中，C為水擊波傳播速度(m/s)；d為管徑(m)；e為管壁厚度(m)；α為水的彈性系數(shù)和管材彈性系數(shù)之比。經(jīng)計(jì)算，水擊波傳播速度為1 030 m/s。

3.1.4 水擊水頭計(jì)算

水擊水錘為間接水錘，關(guān)閉時(shí)間為Ts-30 s，為了防止管道出現(xiàn)負(fù)壓，閥門啟動(dòng)時(shí)間定為60 s。當(dāng)閥門突然關(guān)閉時(shí)，將產(chǎn)生最大正水擊壓力；當(dāng)閥門突然啟動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生最大負(fù)水擊壓力。最大正水擊壓力和最大負(fù)水擊壓力按以下公式計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

式中，Vm為管道水的流速(m/s)；Ts為關(guān)閉、啟動(dòng)閥門時(shí)間(s)；g為重力加速度，g=9.81 m/s3；H為管道水頭(m)；L為管道長(zhǎng)度(m)。選特征位置分別計(jì)算管道內(nèi)不同位置處的水擊壓力及靜水壓力(見表3)。

表3 特征位置管道壓力(部分)

經(jīng)計(jì)算，管道最大壓力為108.9，根據(jù)規(guī)范加上20～40管道富裕量，管道設(shè)計(jì)壓力需大于1.1～1.3 MPa。本工程管道球墨鑄鐵管采用K9等級(jí)，可承擔(dān)不大于1.6 MPa壓力；壓力鋼管壁厚為8 mm，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，管道壓力指標(biāo)均能滿足要求。

3.1.5 水頭損失計(jì)算

管道水頭損失計(jì)算分為兩部分，輸水隧洞段及輸水管道段。輸水隧洞段長(zhǎng)2.06 km，隧洞襯砌內(nèi)徑為2.4 m或1.8 m，C20混凝土砌；輸水管道段長(zhǎng)6.84 km，采用DN700管。輸水管道的總水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失相加組成。

hz=hy+hj

(6)

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)。

由計(jì)算結(jié)果分析可知，管道末段在水庫(kù)最低水位情況下水頭為11.3 m，滿足管道靠重力自流的要求。

3.2 輸水隧洞布置設(shè)計(jì)及計(jì)算

輸水隧洞長(zhǎng)2 060 m，樁號(hào)為洞0+000.000～洞2+060.000(K2+830～K4+890)。進(jìn)口底板頂高程為314.0 m，出口底板頂高程為313.0 m，縱坡為0.048 5%。隧洞進(jìn)、出口末端接壓力鋼管。根據(jù)地質(zhì)鉆探情況，隧洞內(nèi)巖石較好、山體覆蓋層較厚；為了節(jié)省投資，隧洞采用圓形有壓隧洞設(shè)計(jì)。

3.2.1 管道布置原則

盡可能選擇短而直的路線，這樣可以縮短管道的長(zhǎng)度，降低造價(jià)，減小水頭損失，降低水錘壓力。盡量選擇良好的地質(zhì)條件，盡可能在現(xiàn)有管道旁征地范圍內(nèi)布置，盡量減少管道的起伏波折，避免出現(xiàn)反坡，以利管道排空；應(yīng)滿足便于操作和維修的要求。

3.2.2 管線布置

新建輸水管道基本沿原有管道一側(cè)布置，起點(diǎn)位于崇義縣長(zhǎng)河壩電站2號(hào)發(fā)電機(jī)組引水支管末端蝶閥后，沿進(jìn)廠道路右側(cè)布置；出廠房大門后沿原輸水管道布置。在河坑子至原輸水隧洞進(jìn)口附近采用在河坑子附近新建輸水隧洞，隧洞出口后接管道至原輸水隧洞鋼管，利用原輸水隧洞鋼管輸水；原輸水隧洞鋼管出口后新建輸水管道沿原管道走向接入崇義縣自來(lái)水廠蓄水池。輸水管道總長(zhǎng)8.90 km，其中新建輸水管道4.14 km(其中球墨鑄鐵管管長(zhǎng)3.640 km，鋼管段長(zhǎng)0.474 km)，管徑為DN700新建輸水隧洞2.06 km；襯砌后洞徑為1.8 m和2.4 m，利用原隧洞內(nèi)明鋼管2.726 km，新建倒虹吸3座。

3.2.3 隧洞襯砌段計(jì)算

代表斷面取進(jìn)、出口樁號(hào)洞0+010、洞2+050斷面進(jìn)行計(jì)算。

樁號(hào)洞0+010。基本荷載組合 (設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力)：山巖壓力+村砌自重+均勻內(nèi)外水壓力。特殊荷載組合(水錘壓力)：山巖壓力+村砌白重+均勻內(nèi)水壓力。

樁號(hào)洞2+050?；竞奢d組合(設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力)：山巖壓力十襯砌白重十均勻內(nèi)外水壓力。特殊荷載組合(水錘壓力)：山巖壓力十襯砌自重+均勻內(nèi)水壓力。

計(jì)算采用屠規(guī)彰等提出的襯砌結(jié)構(gòu)的非線性常微分方程組，應(yīng)用初參數(shù)數(shù)值解法，解算隧洞襯砌在水壓力、山巖壓力及襯砌自重等荷載作用下彈性抗力分布，算出變位和內(nèi)力，并按水工鋼筋混凝土規(guī)范進(jìn)行配筋計(jì)算。對(duì)于11種隧洞過(guò)水?dāng)嗝妫绦驅(qū)⒁r砌(左半部)分10等分段，輸出每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的軸向力、剪力、彎矩、受壓鋼筋面積、受拉鋼筋面積、抗裂安全系數(shù)以及裂縫開展寬度。經(jīng)計(jì)算同時(shí)根據(jù)規(guī)范對(duì)襯到隧洞的最小厚度要求，隧洞襯徹厚度采用0.4 m，滿足限裂和應(yīng)力要求。

3.2.4 引水隧洞錨噴混凝土襯砌段圍巖厚度計(jì)算

有壓隧洞最小圍巖覆蓋層厚度根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)中的公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(7)

式中，CRM為巖體最小覆蓋層厚度(m)；F為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.3～1.5 m；hs為洞內(nèi)靜水壓力水頭(m)；rw為水的容重(kN/m3)；rR為巖體的容重(kV/m3)；α為河谷岸邊邊坡傾角。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在最大水錘壓力情況下的巖體最小覆蓋層(不包括全、強(qiáng)風(fēng)化)厚度不得小于4.0 m。設(shè)計(jì)輸水隧測(cè)錨噴混凝土段隨洞最小巖體覆蓋層(不包括全、強(qiáng)風(fēng)化)厚度為49.0 m，滿足規(guī)范要求。

3.3 倒虹吸管設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況，在跨河處管道新建倒虹吸管，共設(shè)置3個(gè)，分別位于樁號(hào)K1+975～ K2+008、K2+080～ K2+123、K2+790～ K2+830。倒虹吸管兩側(cè)布置為緩坡式倒虹吸管，河床處倒虹吸管管頂埋置深度不小于1.0 m；管道頂+0.2 m以下采用C15混凝土回填，其余采用塊石回填(見表4)。

表4 倒虹吸管設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4 護(hù)岸擋墻設(shè)計(jì)

根據(jù)管線布置，新建輸水管路布置在原輸水管外側(cè)，局部地段靠近河邊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)察看，新建管道距離河岸距離太近，如遇洪水沖刷河岸，容易導(dǎo)致岸坡崩塌，影響輸水管道的安全，因此對(duì)此處地段進(jìn)行護(hù)岸。護(hù)岸范圍為：樁號(hào)K0+348.000～K0+432.000、樁號(hào)K2+228.000～ K2+300.000、K2+330～2+464，總長(zhǎng)290 m。

擋墻采用C15混凝土重力式擋墻，墻高3.0 m，墻頂寬度0.8 m，迎水面鉛直，背水面為1∶0.6，墻后回填開挖料。擋墻設(shè)D75PVC排水孔，間距1.5 m，梅花形布置，設(shè)0.5 m厚砂礫石反濾體。擋墻基礎(chǔ)座落在圓礫層，墻底設(shè)0.1 m厚砂礫石墊層，擋墻底外側(cè)回填塊石固腳。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)論述崇義縣供水輸水管工程實(shí)例匯總遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)，對(duì)工程總體布局和取水方案的選擇進(jìn)行分析，然后結(jié)合施工工程中涉及到的主要建構(gòu)筑物布置方式和相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算取值進(jìn)行研究，主要包括輸水管道的布置計(jì)算、輸水隧洞的布置計(jì)算、倒虹吸管的設(shè)計(jì)以及護(hù)岸擋墻的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)供水輸水管工程建筑物布置和設(shè)計(jì)整體方案的分析，可為編制可靠的施工方案及保證工程高效優(yōu)質(zhì)的實(shí)施提供技術(shù)保障。