景观引水管线工程设计研究

□文/陈洪涛 王绍华 郭嘉镕 黄祥云

1 工程概况

我国南方某市大型景观水系补水新建引水管线及附属设施，为节省投资，未新建专用的取水和加压设施，而是将现状饮用水水源预处理场站作为补水水源，其出水水质、流量及水量均满足景观水体水质保障方案的要求。根据景观水体水质保障方案，采用间歇补水的机制，起点接自现状预处理场站的压力出水管道，沿途穿越河道、国道及市政道路等障碍物，最终排入规划水系，管道总长约5 km。

2 管材选择

引水工程中管道投资所占的比例很大，因管材选用不当造成事故或增加不必要资金的教训很多，因此管材的选择对工程投资、施工工期以及后期运行具有重要的意义。目前我国用于引水工程的管材主要有钢管、预应力钢筒混凝土管及球墨铸铁管。见表1。

表1 管材优缺点对比

沿途穿越障碍物采用顶进施工法，管材的选择主要从投资、工期、供水安全性等方面综合考虑进行比选。

1）应将明挖施工段和顶进施工段作为整体考虑。由于顶管施工基坑造价较高，在顶进施工段基坑数确定的情况下，选择综合造价（包含管材及施工费用）较低的管材，适当增加顶进施工段长度对控制投资是有利的。

2）明挖施工段和顶进施工段应考虑采用不同管材。明挖施工段选择标准长度大的管材既可缩短工期，又可减少管道接口提高供水安全性。但对顶进施工段，因扩大基坑尺寸对其造价影响较大且净空有限，选用标准长度小的管材不仅有利于控制投资，还能缩短吊装时间加快施工进度。

不同施工段采用不同管材还应考虑衔接的可靠性和便捷性，钢管和球磨铸铁管的衔接需采用法兰。对于引水管道，法兰埋地后橡胶圈老化问题可能导致水质污染；若将衔接法兰设于构筑物中，当衔接段较多时会增加不必要的投资。

3）充分尊重当地习惯做法可使施工质量比较容易得到保证，同时物料采购也较为快捷。本工程明挖施工段采用钢管；考虑到顶进施工段不便进行养护，选择安全性较好、造价相对较低的顶管专用预应力钢筒混凝土管；两种管材间采用钢制弯头连接。

3 经济管径与经济流速

对压力流引水工程来说，在流量一定的情况下，如选择小流速-大管径的管材，则管道综合造价较高，但因水头损失相对较小，泵房投资和能耗均相对较小；相反，如选择大流速-小管径，则管道综合造价有所降低，但水头损失相对较大，泵房投资和能耗也相对较大。经济管径与经济流速的选取应综合考虑管材造价、泵房建设投资以及运行过程中的能耗费用。

本工程利用现状预处理场站出水泵房引水，无泵房建设投资，仅考虑管道造价和运行的能耗费用。在管道平面路径及竖向高程确定，即总的沿程水头损失系数及局部水头损失系数不变的前提下，水头损失与流量成正比。经济管径与经济流速的选取主要考虑以下几方面：

1）以出水泵房在补水流量下可提供的水压作为前置条件，避免管径过小水头损失过大导致水压不足；

2）考虑远期景观用水补水流量增加的可能，对经济管径的规格适当放大，以免出现远期因水头损失过大造成现状泵房设备扬程不足，更换水泵造成二次投资；

3）为防止管道因水锤现象造成事故，在沿线设置排泥阀和安全泄压阀的基础上，经济流速应≤3 m/s[3]。

综上所述，按补水流量设计时，控制管径使工程终点处留有一定余压，作为远期补水流量增加时水头损失增加部分的能量储备，在工程终点前设置消能井以避免当前对护坡及护底的冲刷；远期补水规模按消能井前处1～2 m水压反算考虑并保证远期规模与当前补水流量间有一定的梯度。

4 管道设计与运行

4.1 给水优先

以现状预处理场站在正常提供饮用水水源能力外，还有景观用水所需的流量、水量和水压为前提。

两根现状出水管道可分别提供0.5Q（Q为景观用水补水流量）的流量。为保证饮用水水源的供给以及两根出水管各自流量，拟建管道从两根现状出水管道分别接出并在现状出水管和拟建管道衔接点附近分别设置流量调节分配装置及设施，之后汇合为一根总管，见图1。

图1 引水管道主要设施设置

1）日常补水时，以流量计1和2数据作为自控输入信号（分别按0.5Q控制），实时调节流量调节阀1～4，确保4条管路流量分配平衡；压力传感器1和2作为辅助信号，协助判断实际运行工况与设计补水工况的一致性。

2）本工程是地表水与地下水并存的多水源供水系统，有可能出现景观补水时恰逢饮用水水源水质突发性恶化，两根现状出水管供水量短时骤增的状况。从用水重要性角度看，以保证生活饮用水为先，暂不进行景观补水；从技术角度分析，流量的剧烈变化会导致现状管线与拟建管线衔接处的压力与设计补水工况的压力相差较大，难以保证各管路流量分配，也不宜进行景观补水。

3）将远期景观用水补水流量增加纳入考虑，则以消能井前的压力传感器3 数据作为自控输入信号（按0.01～0.02 MPa 水压控制），实时调节流量调节阀1～4，在保证生活饮用水取水量的前提下，尽可能增加补水流量；压力传感器1和2作为辅助信号，协助判断管道承压，防止或减少管道漏水或水锤现象的发生。

4.2 补水口与清空口

间歇补水机制和穿越障碍物造成管道竖向高低起伏，低凹管段不可避免的出现死水。为避免下一次补水时积存死水进入景观水系，采用两种出水口，即补水口与清空口切换运行的控制方式。

考虑到若将清空口出水直接排至周边雨水检查井，不仅是对水资源的浪费且因短时集中流量增大下游雨水管径不经济，拟将清空口接入临近再生水工程的原水调蓄设施，提高水资源利用率。

5 结语

引水工程的设计应紧密结合工程建设条件，力求做到因地制宜；作为地下永久性隐蔽工程，引水工程设计应考虑地区远期发展的用水需求，避免二次投资或重复建设；引水工程设计应保证运行时供水的可靠性和安全性。