山地小集镇大高差原水输水管安全输水设计

沈 权，施永生，王 琳，常新强

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650224）

大理州洱源县乔后镇集镇供水工程近期（2020年）供水总规模为 2 000 m3/d，远期（2030年）供水总规模为3 000 m3/d；该工程水源为山箐水，位于罗坪山花椒箐，取水点高程2 767 m，集镇水厂位置高程1 942 m，取水点至水厂高差有825 m；原水输水管为DN150球墨铸铁管，长8 586 m。

1 原水输水管管材选择

原水输水管线投资占据给水工程中很大一部分，同时也是事故多发部分，许多停水事故通常是由于管材选择不合理引起的。此外，不同材质的管材其水力特性也不尽相同，单位水头损失的值也不相同，因此，在设计过程中合理选择管材是保证输水管网系统安全运行和稳定的关键[1-5]。

由于该工程取水点位置高，管线高差大，针对这一主要特点，其管材比较见表1、表2。

1.1 管材技术性能必较

表1 管材技术性能比较Tab.1 Comparison of Technical Performance of Pipes

由表1可知（1）球墨铸铁管具有抗压强度高、耐压性能、耐腐蚀、韧性好、密封性能好；（2）千米水损中球墨铸铁管最高，达到55.7 m，可以有效地将沿程管路中富余水头消耗掉，从而达到降低管路中动压的目的，使管路处于正常运行状态下，提高输水安全可靠性。

1.2 管材经济比较

表2对各管材进行了比较。

表2 管材经济比较Tab.2 Economic Comparison of Pipes

由表2可知在相同条件下，球墨铸铁管的造价最低，比钢管节约130.14万元，比钢丝网骨架PE复合管节省20.62万元。考虑到该输水工程高差大，须设稳压池，该输水管材采用球墨铸铁管既径济又安全输水的原则。

2 原水输水管安全输水设计

2.1 原水输水管管径确定

（1）水力计算公式的选择

根据《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）[6]，该工程原水输水管道沿程水头水力计算采用海曾—威廉（A.Hazen，G.S.Wi11iaIIla）公式：

式中hf——沿程水头，m；

hj——局部水头，m；

Q——流量，m3/s；

L——管长，m；

C——系数,塑料管C=150，新球墨铸铁管C=130，混凝土管C=120，旧球墨铸铁管和旧钢管C=100；

D——管径，m。

（2）原水输水管管径比选

由表3得知（1）DN150管的水头损失最大，总水头损失达到526.32 m，比DN200管多消耗水头409.21 m，在满足输水能力情况下，优先选择小管径，以降低输水管风险性。（2）在同等条件下，DN150球墨铸铁管造价要比DN200 球墨铸铁管节省53.28万元。经技术经济比较后该工程原水输水管管径全程采用DN150。

表3 管径比选Tab.3 Comparison and Selection of Pipe Diameter

2.2 稳压池与调节水池的设置

无论采用DN150球墨铸铁管还是DN200球墨铸铁管，其最后到达水厂前的富余水头都超过200 m，从安全输水角度考虑，采取分段减压，在沿途设置稳压池与调节水池。

为了充分利用水源水头，采用全重力输水，根据地形起伏高差，经过相关水力计算后，最终确定分别在管桩号 K0+914、K1+862、K2+764、K4+725、K5+652、K6+634处以及管桩号 K7+442位置设置7座 50 m3稳压池；在管桩号K3+753位置设置1座100 m3调节水池（见图1），该方案可以大大降低管路中静水压力和动水压力（见表4），保证管道的正常运行。

2.2.1 稳压池设计

由图1和表4可知设稳压池后 K0+000至K8+586各管段最大静压值降为0.92 m，最大动压值减为0.38 m，每一管段的静压值都不超过1.0 MPa，设计中采用承压值相对较小的球墨铸铁管就可以满足安全输水要求，这样不仅可以节约管材成本而且可以提高安全输水性。

该工程中采用钢混结构的方形稳压池（见图2），占地面积少。该稳压池顶板上设有通风帽、通风管可以与大气连通。稳压池的设计尺寸为3.9 m×3.9 m×3.3 m，进水管距离池底2.45 m，水垫厚1.45 m，距顶板0.85 m，池壁厚250 mm。

图1 原水输水管水力坡降图Fig.1 Hydraulic Gradient of Raw Water Conveyance Pipeline

表4 设稳压池前后主桩号处水压值对比Tab.4 Comparison of Pressure Values for Main Tubular Pile before and after Setting Water Pressure Regulating Tank

2.2.2 调节水池设计

由于该输水工程属于单管线输水、部分管道明管敷设以及一些不确定的因素。考虑其输水安全性，在K3+753处设置一座调节水池。该水池不仅可以起到减压作用，而且同时可以起到调节水量作用，可进一步提高输水的可靠性。其结构与稳压池设计相同（见图2），设计尺寸为5.6 m×5.6 m×3.3 m。

综合图1、2可知由于两个水池之间的距离一般都控制在1 km左右，且稳压池与调节水池同时具备排气与排泥的功能，因此本设计优化了传统设计上在每隔1.5～3 km设置排气阀和排泥阀，从而减少排气阀和排泥阀设置数量，使工程施工管理更方便。

图2 稳压池、调节水池立面图Fig.2 Elevation Drawing of Water Pressure Regulating and Water Adjusting Tank

2.2.3 阀门设置

（1）检修阀设置

结合本工程的实际输水特点及相关规范，本次工程设计中本着设置检修阀门数量既少又能满足工程需要的原则在每5～10 km布设一处，且靠近道路旁，方便操作，有利于管道分段检修，以保证输水安全性。

（2）泄水阀设置

在沿线低处布设自动泄水阀，根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》，本工程中自动泄水阀直径选用DN35，当管路系统的压力降低到一定数值时，该阀自动排泄管道内的水，以避免结冰造成损害。

本设计综合考虑在K0+900和K8+000处设置检修阀和泄水阀。

（3）排气阀设置

在压力管道的隆起点或阀门检查井的下端上设置排气阀，用以排除管内积聚的空气，并在管道需要检修、放空时进入空气，保持排水通畅；同时在产生水锤时可自动进入空气，避免管内产生负压。本设计中根据沿线实际地形在沿线上K0+910、K2+760、K4+720、K6+630、K8+580 设置了 5 个复合式排气阀，进一步提高输水整体安全性。

3 结论

云南省小集镇原水输水管道的设计多数都有一个共同的特点，输水高差大。结合洱源县乔后镇输水管道设计，笔者认为在对云南省小集镇原水输水管管道安全输水设计中应注意以下三点：

（1）若原水输水管高差较大时，应在输水管线上设置稳压池，将沿程静压降到最小，既保证安全输水又降低原水输水管网投资。

（2）在满足设计输水量时，应选择小管径输水，最大限度地消耗管路上的水头，减少稳压池的设置个数。

（3）在进行稳压池设计时，根据实际情况，在管路的适当位置设置调节水池，以达到既能控制管网水压，又可以调节水量，从而进一步提高原水输水管的安全输水性。

［1］党志良.重力给水系统管道减压的研究[J].西安理工大学学报,1998,14(1):80－83.

［2］齐欣,王琳,施永生,等.小城镇供水管网规划设计[J].净水技术,2012,31(3):71－73.

［3］肖文渊.长距离大口径输水管道综合式消能井结构技术研究[D].西安:长安大学,2003.

［4］宋乃硕,施永生,周文庆,等.大落差重力输水在供水工程中的应用[J].科学技术与工程,2012.12(1):224－226.

［5］中国工程建设标准化协会.城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程[M].北京:中国计划出版社,2006.

［6］GB 50013—2006,室外给水设计规范[S].