本文是水利工程論文，發(fā)表在《水電站設(shè)計(jì)》上，辦刊宗旨：貫徹理論和實(shí)際相結(jié)合的方針，結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)交流經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，提高大中型水電站的設(shè)計(jì)、科研和建設(shè)水平，推動(dòng)我國(guó)水電事業(yè)的不斷發(fā)展。主要讀者對(duì)象為從事水電工程規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、管理、監(jiān)理、科研、試驗(yàn)研究、水利水電環(huán)境及與水電相關(guān)學(xué)科的工程技術(shù)人員、大專院校師生。

　　隨著哈密新型工業(yè)化的快速推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源的需求矛盾日益突出，再生水的利用、長(zhǎng)距離的輸水都是解決水資源供需矛盾的有效辦法。著重從輸水管道管材的選擇、管材工作壓力的確定、鋼管壁厚的確定、管道溝槽設(shè)計(jì)以及管線主要建筑物設(shè)計(jì)等方面，論述長(zhǎng)距離重力輸水工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為類似工程提供一些經(jīng)驗(yàn)和參考。

　　關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離,重力輸水,再生水,輸水管道設(shè)計(jì),水利工程論文

　　1工程概況

　　哈密南部工業(yè)再生水供水工程位于哈密市以南，哈密天山南坡山前沖洪積平原下部至哈密盆地中部地帶，工程起點(diǎn)為哈密市污水處理廠，終點(diǎn)為南湖礦區(qū)分水廠，管道全長(zhǎng)43 km。建設(shè)主要任務(wù)是解決大南湖礦區(qū)水資源供需矛盾，滿足疆電東送各煤電化基地用水需求。供水工程主要解決國(guó)網(wǎng)電廠、國(guó)電電廠、魯能電廠、國(guó)投電廠和金盛鎂業(yè)等工業(yè)用水，年供水量1 065萬(wàn)m3，工程規(guī)模為中型。管道起點(diǎn)高程為716 m，末端高程為558 m，首末端落差158 m，全線采用重力輸水方式。

　　工程區(qū)沿線地貌類型由北向南包含有沖、洪積平原下部，剝蝕準(zhǔn)平原和剝蝕殘山等，主要為沖、洪積砂土、粉土、粉質(zhì)黏土及黏土。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為005 g，對(duì)應(yīng)的地震烈度Ⅵ度。

　　2水源工程

　　隨著“疆電外送”“疆煤外運(yùn)”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，哈密地區(qū)作為“煤都、風(fēng)庫(kù)、光谷、樞紐”和“疆電外送”“疆煤外運(yùn)”的橋頭堡，具有顯著的資源優(yōu)勢(shì)和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，哈密正處在新型工業(yè)化快速推進(jìn)的關(guān)鍵階段和經(jīng)濟(jì)社會(huì)加快發(fā)展的重要時(shí)期，但哈密屬于典型的大陸性干旱和半干旱地區(qū)，水資源極度短缺，現(xiàn)已成為哈密地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。為解決水資源短缺問題，本地區(qū)水行政部門提出了利用再生水方案，建設(shè)哈密市污水處理廠和再生水供水工程。

　　哈密市污水處理廠水源主要為哈密市區(qū)生活和工業(yè)污水。現(xiàn)狀情況污水年處理量1 200萬(wàn)m3，目前已經(jīng)完成污水深度處理設(shè)施5萬(wàn)t水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到國(guó)家一級(jí)A，完全滿足工業(yè)用水要求。預(yù)測(cè)到2020年，哈密市污水處理廠可處理水量1 500萬(wàn)m3。

　　3管材的選擇

　　在長(zhǎng)距離輸水工程中，管材的選擇一般要根據(jù)工程的規(guī)模，管道的工作壓力，輸水距離的長(zhǎng)短，工程的進(jìn)度與重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地質(zhì)等情況，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面論證綜合比較后確定。本工程選用了涂塑復(fù)合鋼管和玻璃鋼管兩種管材組合形式。

　　涂塑復(fù)合鋼管具有使用壽命長(zhǎng)，承壓能力高，運(yùn)行安全等級(jí)高，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是管道價(jià)格略高。玻璃鋼管具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，管道價(jià)格低廉節(jié)省工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是主要適用于中低壓供水。結(jié)合以上管材的優(yōu)缺點(diǎn)和本工程特點(diǎn)，在污水處理廠至6+000段考慮該段管道為主管道首端，位置處在穿越農(nóng)業(yè)種植耕地，故選擇涂塑鋼管;6+000至14+830段穿越重工業(yè)園區(qū)，此段地形落差小，到管道首端僅為86 m，選擇玻璃鋼管;14+830至43+000段地形呈倒虹吸，地形最低處距管道首端落差195 m，并且在18+900至18+963段穿越哈密市東河壩，所以此段選擇涂塑鋼管。

　　4輸水管道設(shè)計(jì)

　　4.1沿程水頭損失計(jì)算

　　依據(jù)《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50013-2006輸配水管道、管網(wǎng)水力平差計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

　　hf=10.67[SX(]q1.852L[]C1.852hd4.87j[SX)](1)

　　式中： L為管長(zhǎng)(m);dj為管道內(nèi)徑(m);q為設(shè)計(jì)流量(m3/s);Ch為海曾-威廉系數(shù)，可查《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明。

　　局部水頭損失依據(jù)管道的鋪設(shè)情況，可取到沿程水頭損失的5%～10%。結(jié)合本工程的具體情況，局部水頭損失取到沿程水頭損失的10%。

　　4.2管材工作壓力的確定

　　依據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》CECS 193-2005壓力輸水管道的工稱壓力應(yīng)根據(jù)最大使用壓力確定，其值應(yīng)為最大使用壓力加02～04 MPa安全余量，輸水管道的最大使用壓力應(yīng)經(jīng)過水錘計(jì)算決定。水錘防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)保證管道最大水錘壓力不超過13～15倍最大工作壓力。故管材工稱壓力的確定為：管材工作壓力=15×設(shè)計(jì)靜水壓力+02 MPa。

　　4.3鋼管壁厚的確定

　　鋼管管壁厚度的估算按鍋爐公式計(jì)算：

　　σθ=[SX(]P0r[]t0[SX)](2)

　　式中：t0為鋼管(管襯)管壁計(jì)算厚度(mm);r為鋼管(管襯)內(nèi)半徑(mm);P0為徑向均布?jí)毫?N/mm2)。

　　[σ]為鋼材允許應(yīng)力，[σ]=235 N/mm2

　　бθ=055[σ]=12925 N/mm2(3)

　　4.4輸水管道溝槽設(shè)計(jì)

　　輸水管溝橫斷面設(shè)計(jì)，管道溝槽底部的開挖寬度，按下式計(jì)算：

　　B=D1+2(b1+b2+b3)(4)

　　式中：B為管道溝槽底部的開挖寬度(mm);D1為管道結(jié)構(gòu)的外緣寬度(mm);b1為管道一側(cè)的工作面寬度(mm);b2為管道一側(cè)的支撐厚度(mm)，可取150～200 mm;b3為現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土或鋼盤混凝土管渠一側(cè)模板的厚度(mm)。

　　管溝開挖深度大于挖掘機(jī)最大挖深時(shí)，溝槽分層開挖，開挖斷面一側(cè)設(shè)置機(jī)械操作平臺(tái)。開挖邊坡根據(jù)地層巖性確定，巖石段開挖邊坡1∶03，砂礫石、碎石土及黏土開挖邊坡1∶05。輸水管溝縱斷面設(shè)計(jì)，首先滿足凍土深要求，盡量順原地形開挖管溝，在局部凸起處進(jìn)行坡度調(diào)整，使管道平順。

　　5管線主要建筑物設(shè)計(jì)

　　輸水管道上配套主要建筑物形式有：調(diào)節(jié)池、閘閥井、自動(dòng)進(jìn)排氣閥井、管道穿越建筑物、鎮(zhèn)墩等建筑物型式。

　　5.1調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)

　　在污水處理廠外管道首端設(shè)置調(diào)節(jié)池，本工程年供水量為1 225萬(wàn)m3，根據(jù)《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50013-2006，調(diào)節(jié)池容積按照最高日設(shè)計(jì)水量的10%～20%確定，供水天數(shù)按300 d計(jì)算，日供水量為40 833 m3/d，則調(diào)節(jié)池容積確定為8 000 m3。新建的兩座4 000 m3調(diào)節(jié)池采用并聯(lián)方式，調(diào)節(jié)池之間采用DN 720(t=6 mm)涂塑鋼管相連，連接管上設(shè)置蝶閥控制。4 000 m3的調(diào)節(jié)池為方形池，為鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

　　5.2閘閥流量計(jì)井設(shè)計(jì)

　　為控制首端引水流量和各工況企業(yè)分水口的分水流量，采用調(diào)節(jié)閘閥來控制流量的方法，同時(shí)設(shè)置電磁流量計(jì)，以方便控制閘閥開度。為確保流量計(jì)的流量傳感器在測(cè)量時(shí)，管道中充滿水，不能出現(xiàn)非滿管狀態(tài)，將管道布置為虹吸管，為保證測(cè)量的穩(wěn)定性，應(yīng)在傳感器的前后設(shè)置一定長(zhǎng)度的直管段。

　　5.3自動(dòng)進(jìn)排氣閥井設(shè)計(jì)

　　因輸水距離長(zhǎng)，管道設(shè)計(jì)時(shí)，在坡度小于1‰時(shí)，宜每隔05～10 km設(shè)置自動(dòng)進(jìn)排氣閥。一般情況下每隔10 km左右設(shè)置自動(dòng)進(jìn)排氣閥。自動(dòng)進(jìn)排氣閥的設(shè)置位置，根據(jù)輸水管道的縱向布置確定，本工程在管道系統(tǒng)首部、駝峰處、管道朝水流方向下折超過5°的變坡處均設(shè)置自動(dòng)進(jìn)排氣閥，再經(jīng)管道水錘防護(hù)計(jì)算對(duì)自動(dòng)進(jìn)排氣閥的設(shè)置位置進(jìn)行了復(fù)核，保證了管道安全運(yùn)行。進(jìn)排氣閥的口徑宜取輸水管道直徑的1/8～1/5。本工程全線共設(shè)置45座自動(dòng)進(jìn)排氣閥。

　　5.3檢修閥井、放空閥井

　　根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》 CECS 193-2005，在一定長(zhǎng)度的輸水管道中應(yīng)設(shè)置檢修閥門。檢修閥門的間距根據(jù)管路復(fù)雜情況、管材強(qiáng)度、事故預(yù)期概率以及事故排水難易等情況確定，每 5～10 km設(shè)置一處。結(jié)合本工程特點(diǎn)，在管線穿越鐵路和哈密市東河壩處均設(shè)置了檢修閥，全線共設(shè)置9座檢修閥。

　　在管道低洼處設(shè)置放空閥井，同時(shí)還要考慮管道排空是否有泄水通道的問題，全線共設(shè)置9座放空閥井。

　　5.4交叉建筑物設(shè)計(jì)

　　管道沿線穿越東河壩1處，樁號(hào)為18+897至18+962，長(zhǎng)度為65 m，河床水面線寬度為5 m。管底以下15 m深度換填砂礫石料，底寬3 m，邊坡1∶125，每30 m設(shè)一塊混凝土墊塊，墊塊尺寸600×300×150，管頂以上覆蓋砂礫石至原河床高程，輸水管道埋深大于當(dāng)?shù)貎鐾辽睢?/p>

　　管道沿線共穿越土路8處，穿越公路4處。管線穿越土路采用管溝開挖后鋪設(shè)管道方式，穿土路段采取鋼套管保護(hù)的措施進(jìn)行處理。供水管線穿越柏油公路，施工方法采用頂管法。