宋珂，劉威

（蘭陵縣水利勘測設計室，山東 臨沂 277700）

1 引言

近幾年，農(nóng)村飲水安全項目不斷增加，成為新農(nóng)村建設至關重要的基礎工程。 但是，在當前農(nóng)村飲水安全項目建設時，前期設計不受關注，無法適應高度復雜的工程環(huán)境，加之整體工程布局不合理，影響了項目的順利推進。 而應用平面設計有望解決這一問題，因此，探究平面設計在水利工程設計中的應用具有非常突出的現(xiàn)實意義。

2 水利工程設計目標原則

2.1 功能性

在水利工程設計中，應落實功能性目標原則，全面收集與水利工程建設相關的資料， 統(tǒng)籌考慮水利工程特殊的功能需求，突出水利工程的特色[1]。 同時從平面設計視角著手，科學論證， 精準設計， 協(xié)調(diào)水利工程建筑設計各個環(huán)節(jié)以及周邊環(huán)境、生態(tài)自然，為功能設計目標實現(xiàn)營造良好的人文環(huán)境、生態(tài)環(huán)境。

2.2 創(chuàng)造性

在水利工程設計中，應落實創(chuàng)造性的設計原則。 根據(jù)水利工程設計與建筑藝術之間的密切聯(lián)系， 在夯實基礎彌補水利工程本身疏漏的前提下，大膽探索，突破已有水利工程建筑造型[2]。 同時，結(jié)合水利工程大小、功能、結(jié)構等特征，尋求傳統(tǒng)設計與創(chuàng)新創(chuàng)造的結(jié)合點， 提高水利工程在當代精神文明建設中的價值。

2.3 系統(tǒng)性

在水利工程設計中，應落實系統(tǒng)性的原則。 根據(jù)水利工程建筑空間分配合理性、有序性要求，從各部分功能著手，系統(tǒng)規(guī)劃內(nèi)部空間線條。 同時，在水利工程主體建筑物內(nèi)部合理功能分區(qū)的基礎上，科學銜接各功能，并利用集中（或分散）的設計方法，統(tǒng)一配套水工建筑物與周邊環(huán)境，系統(tǒng)展示水利工程的結(jié)構美與功能美[3]。

3 平面設計對水利工程設計的影響分析

在水利工程設計中，平面設計對水利工程的經(jīng)濟性、安全性具有極其顯著的影響，是水利工程設計的關鍵。 根據(jù)平面設計方法的差異，對水利工程設計的影響也具有一些差別。 常見的平面設計方法主要有直線形設計方法和曲線形設計方法。

直線型設計方法是水利工程設計中應用頻率較高的方法， 特指在測設中借助系列連續(xù)導線控制水利工程的基本位置和走向，進而在轉(zhuǎn)彎位置適應地形要求，采用多樣曲線（或曲線組合）完成轉(zhuǎn)折位置合理過渡，形成整個水利工程的平面線形。 在水利工程直線型設計中，直線是工程方位、走向控制的依據(jù)，占據(jù)主導地位。 應用直線形平面設計方法，可以采用對稱的形狀， 以長度、 兩端緩和曲線參數(shù)為依據(jù)進行便捷計算。 但是，因平曲線在整個水利工程設計中處于次要地位，無法系統(tǒng)地應用直線、緩和曲線、圓曲線，加之對稱平曲線線型的應用，緩和曲線、圓曲線無法恰當應用，埋下了水利工程平面線型連續(xù)性、 均衡性不足的隱患。 特別在地物約束較嚴格（或地形復雜）的條件下，直線形平面設計無法與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，引發(fā)大面積挖方填方作業(yè)，嚴重破壞自然環(huán)境，損害水利工程經(jīng)濟效益。

曲線型設計方法是根據(jù)水利工程設計標準、地形地物、環(huán)境約束條件，結(jié)合線性組合均衡性、協(xié)調(diào)性要求，借助曲線單元與線形參數(shù)控制水利工程具體位置、走向并進行幾何繪制、計算的方法，可以獲得以曲線為主體的平面線型。 在曲線形水利工程設計過程中，圓曲線、直線、緩和曲線處于同等重要地位，其中，緩和曲線可以作為主要線性要素被靈活應用，在一定程度上增強了水利工程線型的平順度、 視覺協(xié)調(diào)性以及布置自由度。 特別是在山區(qū)復雜地形條件下，曲線形設計方法可以根據(jù)地形、地物約束條件控制水利工程數(shù)量，獲得與環(huán)境高度協(xié)調(diào)的線型[4]。 以曲直法為例，其是主要的曲線形設計方法，在以往直線形設計方法（借助直線控制水利工程總體方位與走向）的基礎上，采用圓弧段（曲線）進行具體線位控制，形成線型骨架并配置緩和曲線， 具有計算靈活、 成果直觀的優(yōu)越性，可以對水利工程安全效益、經(jīng)濟效益產(chǎn)生有益影響。

4 平面設計在水利工程設計中的具體應用

4.1 水利工程概述

一村飲水安全項目，根據(jù)SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》 建設等級為V 等， 主要建筑物級別為5級，次要建筑物為5 級。 項目設計年限為20 a，最高日居民生活用水定額取值范圍為50 ~70 L/（d·人）。 工程內(nèi)容包括新打1 眼水源機井及配套水泵、低壓電纜等機電設備，新建泵房及配套輸水管道、凈水設備。項目村涉及人口1 600 人，大用戶配水流量0.083 L/s，節(jié)點處流量0.135 L/s，地面標高77.4 m，節(jié)點水壓線標高115.848 m，自由水頭23.248 m。 項目主要用管道名稱為聚乙烯管，管材為PE100，設計流量為5.287 L/s，管道流速為0.554 m/s，管道長度為80.0 m，管徑為125 mm，管道總水頭損失為0.275 m，單位管道水頭損失為0.003 4 m/m，延程水頭損失為0.250 1 m/m。 同時配置1 個DN20 閘閥、12 個DN25 閘閥、1 個DN100 閘閥以及24 個32 mm×1″（1″表示1寸，即3.33 cm）塑鋼接頭、2 個25 mm×3/4″（3/4″即20 絲）塑鋼接頭、4 套DN125 法蘭接頭、4 套DN110 法蘭片、1 個DN100水表等。

工程所在地為暖溫帶季風區(qū)的大陸性氣候， 年均溫度12.8 ℃，年均日照2 647.6 h，0 ℃以上持續(xù)期276 d，水庫流域多年平均流量837 mm，歷史年降雨最大量1 321.7 mm。

4.2 前期分析

水利工程平面設計是一個環(huán)環(huán)相扣的實踐邏輯鏈， 涉及地質(zhì)、建筑、設計等諸多領域知識，龐大而復雜。 設計方案的合格與否不單單體現(xiàn)在理論可行性，而且涉及水文、地形、降水量、巖層、土壤等實際施工條件，設計人員只有協(xié)調(diào)各方要素，才可以保證設計方案的可行性、經(jīng)濟性、科學性。 水文地理環(huán)境的差異直接決定了水利工程體量的差異， 間接影響了水利工程平面設計所規(guī)劃的具體內(nèi)容。 因此，設計人員應提前與飲水安全項目有關工程技術人員進入項目村進行實地勘察，并與項目村主要負責人現(xiàn)場確認水利工程規(guī)模、建設任務。 進而協(xié)同水利勘測設計測量人員完成工程外業(yè)測量， 匯總實地勘測資料、建設方實際資料。 由勘測資料可知，工程位于山東省南部，東經(jīng)117°41′~118°18′，北緯34°37′~35°06′，東西最大橫距48 km，南北最大縱距55 km，區(qū)域土地總面積1 724.84 km2，總?cè)丝?45.91 萬人。區(qū)域地處魯南低山丘陵南緣，其中，山地、丘陵占53.94%，其余為平原，地勢由西北向東南逐漸降低。西北部、北部為山嶺地帶，由沉積巖組成，海拔高度在100~200 m，中部為沖積平原，海拔高度在35~65 m，南部為低洼地，海拔高度在30~35 m。

為了給全面施工實踐提供參考， 設計人員應提前了解水利工程可能涉及的平面設計要素， 提前規(guī)劃適宜的平面設計方法、建模軟件、設計原理，并模擬設計效果[5]。 比如，對于飲水安全項目中大用戶配水設計，從設計原則、基本剖面、實用剖面、剖面優(yōu)化思路著手，在梳理思路的基礎上，細化配水管線構造方法、配水管道材料選擇與運用、建設期溫度應力與防裂措施等，飲水安全項目中大用戶配水施工實踐提供參考。

4.3 設計實踐

在水利工程的平面化設計環(huán)節(jié)，設計者應依托結(jié)構學、力學知識，兼顧視覺審美需求，優(yōu)化整合水文地理要素，并選擇恰當?shù)男问?，將三維立體的建筑要素整合到平面設計圖中，獲得精準、 科學、 融合自然且具有高度審美價值的水工建筑作品，為后期施工提供指導。 開始設計時，選擇曲線形設計法，在地形圖上根據(jù)飲水安全項目路線控制走向、位置，繪制系列直線、圓弧，構成線性骨架。 首先，判斷是否為直圓形，是則配置緩和曲線，否則判定是否為卵形，是則配置緩和曲線，否則判定是否為S 形，是則配置緩和曲線，否則判定是否為C 形，是則配置緩和曲線，否則求解交點坐標、偏角，根據(jù)曲線組合類型進行曲線敷設設計。 進而判定線位是否合理，是則結(jié)束，否則進入地形圖直線繪制環(huán)節(jié)，重新開始循環(huán)。

4.4 總平面布置

4.4.1 臨時施工道路

臨時施工道路是水利工程平面設計的重要內(nèi)容。 由前期收集資料可知，項目所在區(qū)域道路狀況不佳，雨天無法正常通行。 因此，設計人員可以綜合考慮近期交通功能、遠期發(fā)展需要，統(tǒng)籌平面線型、橫斷面布置與縱斷面線型，在減少土方、工程量、施工難度與造價的基礎上優(yōu)化技術標準，保證交通運輸?shù)陌踩?、舒適性、高效性。 臨時施工道路硬化項目等級設定為鄉(xiāng)村公路支路，設計速度為15 km/h，路基設計回彈模量超過20 MPa，路面設計強度為C30 水泥混凝土路面且設計彎拉強度達到4.0 MPa，地震動峰值加速度為0.15g。

為減少拆遷、土方開挖回填量，在現(xiàn)有已成型道路中，借助1985 國家高程標準以及1980 西安坐標系，進行設計。 臨時施工道路縱面設計考慮與前段、后段已有道路銜接，因項目所在地的地形復雜， 地勢高低不一， 設計最大坡度小于或等于10%，盡最大努力利用現(xiàn)狀路面。 而在橫斷面設計時，則設置路基較路面寬1 m，路拱橫坡為2.0%，長度為555 m，寬度為4 m， 石子墊層厚度為11.7 mm， 其他均滿足JTG B01—2014《公路工程技術標準》。

4.4.2 臨時供水排水布置

臨時用水是由供水點接出、流入施工點的過程，涉及居民生活用水、施工用水等，其中，施工用水主要為砂漿攪拌用水、養(yǎng)護用水等。 臨時供水管網(wǎng)借鑒類似水利工程設計經(jīng)驗，主桿線與支管分別采用φ50 mm 鍍鋅管、φ25 mm 鍍鋅管， 現(xiàn)場環(huán)向封閉布置，確保管網(wǎng)個別位置出現(xiàn)故障時水流可靠供應。

臨時排水主要借助縱向排水溝，處于施工便道兩側(cè)。 排水溝寬度、深度分別為1.0 m、0.8 m，溝內(nèi)鋪入10 cm 厚細石混凝土，并設置砂漿護坡，控制底部縱坡超過0.3%。 在排水溝穿越臨時道路時，借助排水管過路。 施工期間的居民生活用水，則采用化糞池集中沉淀、處理。

4.4.3 臨時供電布置

根據(jù)飲水安全項目用電量（動力用電、照明用電），綜合考慮高峰施工期水泵排水、生活照明、夜間施工與水管焊接用電要求，配置380 V/220 V 電源，三相五線制架空配置。 線路水平架設在項目所在地臨時道路內(nèi)側(cè)，經(jīng)電線桿接出分支線、引入線。電線桿為木桿，相鄰電線桿之間距離為30 m。同時，在距離地面高度超過1.2 m 且便于操作的位置配置配電箱（含漏電保護器）。

4.4.4 臨時設施布置

照明是飲水安全項目順利推進的關鍵。 在照明設施平面設計時，設計人員應依據(jù)低功耗、低污染、高能效的標準，選擇平均亮度達到0.6 cd/m2、均勻性達到0.35 的截光型燈具，光源為顯色指數(shù)超過80 的30 WLED 光源， 燈珠之間經(jīng)混聯(lián)矩陣網(wǎng)狀連接，額定電壓直流12 V，照明時間8 h（連續(xù)陰雨天正常工作3~5 d），全自動光控開關。 除照明設施以外，根據(jù)飲水安全項目實際情況，設計人員可以在現(xiàn)場設置材料堆場，為各種材料的規(guī)范、整齊堆放提供支持。

5 結(jié)語

綜上所述， 工程設計是水利工程施工建造作業(yè)順利進行的保障。 因此，設計人員應從水利工程設計階段著手，借助平面設計方法，對水利建筑方案進行細化完善，根據(jù)水文地理信息，結(jié)合水利工程功能，進行科學布局，突出水利工程平面設計的實用價值與藝術審美價值。