荒田水库至西畴县城高水头应急供水方案研究

李海圣

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510000)

0 引 言

随着我国经济的飞速发展，城市建成区自来水的需求量大幅增加。破解供水难题，切实保障城市供水运行稳定和人民群众饮水安全，是全面建设小康社会的重要任务之一[1]。尤其是对于水源结构单一、供水保证率低的城市，亟需合理确定城市应急水源方案。位于云南省东南边陲的西畴县目前存在水源体系不完备、供水结构不完善、水体质量不达标等问题，严重威胁区域经济发展和当地百姓生产、生活安全。为增加县城供水可靠性、缓解当地水资源供需矛盾，加快西畴县应急供水工程建设迫在眉睫。

由于区域内荒田水库调节性能较好、自流供水范围较大，应急供水工程以荒田水库作为水源补给，通过新建输水管道向西畴县城供水。工程在水库放水管(DN400钢管)出口处，旁分一支直径DN300的输水岔管，后接供水主管引水至西畴县英代村附近的水处理厂，经处理后输水至西畴县水厂进行统筹安排。项目设计供水流量0.035m3/s，新建供水管24.654km、水厂1座，工程类型为IV型，主要建筑物级别为5级[2]。由于管道在水库取水口高程为1617.25m，管线中部经过南利河1051.47m，而县水厂高程为1514m，管道最大设计压力达6.4MPa。工程属于典型的高水头、长线路供水工程，具有流速快、水损大的特点[3]。笔者结合荒田水库至西畴县城应急供水设计实际，对该工程的高水头供水方案技术要点进行专项研究和总结，以期为类似城市高水头供水工程提供有益的指导。

1 项目建设条件

1.1 水文气象条件

荒田水库位于西畴县城东北方向约19km处的西畴、砚山、广南三县交界处，南利河上游坝达河左岸支流达内河上游，属红河流域泸江水系。坝址以上径流面积2.5km2，河长1.59km，河道平均比降1.07%。荒田水库处于低纬度地区，属南亚热带高原季风气候类型。气候具有冬春干凉、夏秋湿润；冬无严寒、夏无酷暑等特征。

1.2 地质条件

工程位于云贵高原的南缘斜坡地带，高程范围为1600-1960m，区域地势东高西低，属低中山区侵蚀地貌。工程区主要由碳酸盐岩夹碎屑岩组成，侵蚀和溶蚀作用是区内地貌形成的主要营力，近代和现代的侵蚀作用以河流迅速下切，溯源侵蚀为主要特征。工程区山脉走势基本与构造线一致，主要呈北东南西向延伸。拟建管道主要沿山路铺设，沿途所经地层大部分基岩直接出露，部分区域表层覆盖有残坡积碎石土、含碎石粉质黏土等，厚度0.50-2.50m不等，往下为全风化-强风化岩，受母岩岩性影响较大，风化程度、风化厚度不一。全线仅HT4+952-5+152段位于一大峡谷内，常年可见季节性洪水，其余区域未见大型滑坡、泥石流等不良地质现象，整体工程地质条件较好。

2 供水规模设计

2.1 管道设计流量

根据《城市供水水源规划导则》(SL627-2014)[4]，应急供水工程设计规模应综合考虑应急备用供水对象、供水破坏概率、缺水造成损失等因素来确定，其备用供水量一般≥城市居民生活需水量的60%-70%。结合西畴县实际情况，干旱年份时县城现有水源体系可靠程度不高，为充分保障非正常气候条件时县城居民的生活用水需求，进入应急供水时水源应至少保障县城居民生活用水需求的70%，据此计算保障城镇居民生活最大用水量为2513m3/d，折合流量0.029m3/s。同时，未来荒田水库将承担下游部分耕地灌溉供水以及县城以东部分农村人口的生活用水及牲畜用水任务，农村生活日均供水量364m3/d，最大日供水量509m3/d，非应急供水时期管道所需的最大流量为0.006m3/s。因此，荒田水库应急供水管道设计流量应为县城最大应急供水流量0.029m3/s与农村居民生活最大供水流量0.006m3/s之和，即0.035m3/s。

2.2 应急供水量

根据西畴县城水源体系组成结构以及国内其他地区应急水源供水经验，以最不利条件组合估算应急供水量，即已有水库水源均失去供水能力的情况下，在应急供水期31d内保障县城居民平均日用水量的70%，即1933m3/d。据此估计县城设计供水需求总水量约为6万m3，按照3月份削减灌溉水量4万m3后再动用荒田水库多年库容2万m3左右即可保障应急状态下县城居民的基本生活用水需求。

3 供水工程设计

3.1 供水线路比选

荒田水库至西畴县地形高低不平，落差相对较大，且需要跨越南利河，考虑采用渠道布置时，跨越冲沟较多，倒虹吸规模大，工程施工工期较长、施工难度较大、投资较高。经综合考虑，工程采用管道供水。结合现状地形地貌条件和管道输水特点，拟定2条设计供水线路进行比选(布置见图1)。

图1 线路比选方案

方案1(右岸方案)：根据管道走线，在满足水头的条件下，管道沿达内河右岸布置，在水库低输水隧洞内埋管至隧洞出口，出口设置分水阀。阀后取水管线沿河右岸布置至朱家冲上游约600m处，再沿达内河右岸1530-1570m之间等高线布置至上达内村山坡处。管线再垂直于冲沟方向跨越三所村冲沟至1543m高程处，继而顺右岸沿1540-1560m之间等高线布置至新寨村山坡处，穿过470m长隧洞至李子平山坡处，出隧洞后跨越南利河沿山而上，进而沿1500-1540m(S201省道)之间等高线朝西畴县城方向布置至新建水厂。该方案新建管道总长23.197km。

方案2(左岸方案)：管道沿达内河左岸布置，在水库低输水隧洞内埋管至隧洞出口，出口设置分水阀。阀后取水管线沿河左岸边布置至朱家冲，然后再沿达内河左岸通村公路附近经十二毛坡至三家寨附近跨越达内河，再沿达内河右岸公路附近布置，至瓦厂电站下游跨越南利河，然后沿老鹰岩景区、刘家塘隧洞，到达英代村附近新建水厂。该方案新建管道总长24.654km。

两方案对比如表1所示。由表对比分析可知，本阶段推荐施工干扰较少、施工条件较易、管理维护条件较好、工程投资较省的方案2。供水方案示意节点如图2所示。

表1 供水线路方案比较表

图2 推荐供水方案示意节点图

3.2 输水管材选择

工程输水管道承受压力较大，管道基本沿河道两岸公路铺设，选择的管材应具有足够的强度，且应满足施工方便、安全卫生。结合当地经济建设与发展实际水平，选择钢管(包括无缝钢管和螺旋焊管)、球墨铸铁管和PE管作为工程比选管材。管材价格对比见表2。经分析可知，球墨铸铁管价格方面优势明显，PE管最贵，钢管价格适中；从施工上说,PE管施工方便，但承压能力低。球墨铸铁管施工难度较大，但考虑管线基本沿通村公路布置，交通较方便。由于跨越南利河段时，管道最大水压力达6.4MPa，压力较大，为保证供水管道可靠性，该段优先采用无缝钢管。综合考虑管道施工的难易程度以及工程投资，管材确定为：当水压力≤4MPa时采用球墨铸铁管，当水压力>4MPa时采用无缝钢管。

表2 输水管材价格比较表

3.3 管径及壁厚设计

3.3.1 管径设计

输水管道管径选择考虑两个因素：①在水库死水位时保持输水管道管顶最小水头≥2m，以确保供水可靠；②输水管道流速应控制在不冲不淤流速(0.5-3.0m/s)，并尽可能靠近经济流速(1.5-2.0m/s)。管道直径采用以下水力学公式计算：

(1)

式中：Q为输水管设计流量，m3/s；v为输水管设计流速(m/s)。

经计算管径应≥150mm，在满足设计输水流量前提下，常用管径选择有DN250、DN300等。考虑县城供水水头较高，根据水力计算，当管径越小，流速越大，水头损失亦越大。当选择DN250管时，流速为0.71m/s，水头损失为57.8m；当选择DN300管时，流速为0.5m/s，水头损失为24.4m。由于进县城段水头较高，若采用DN250管径则供水范围较小，局部需要提水。经技术和经济比选后，确定管径为DN300。

3.3.2 壁厚设计

根据《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056-2015)，钢管壁厚需满足构造要求、抗内压强度要求以及抗外压稳定要求等[5]。其中，构造要求上管壁最小厚度需考虑制造工艺、安装、运输等要求，以保证必需的刚度；抗内压根据相应强度校核公式计算，且亦应考虑2mm的磨蚀厚度；抗外压根据相应稳定性公式计算。管壁厚度计算见表3。经分析可知，由于该工程管径较小，管壁厚度计算中以抗内压为主，管道在桩号HT7+726.0-HT+8+816.0段和桩号HT10+615.0-HT16+559.0(跨南利河段)前后水头最大，对此段采用Q235和Q345两种钢材进行比较。经查实，钢材Q235与Q345价格相差不大，管材厚度可以从Q235的12mm减少到Q345钢管的8mm，因此该段管材采用较为经济的Q345钢管。其余管段采用K9球墨铸铁管，可满足强度要求。

表3 管壁厚度计算表

3.4 管道结构及附属建筑物设计

根据工程区地形地质条件，输水管道采用明管和埋管相结合的铺设方案：当管线基础出露基岩或沿公路布置时，采用明管铺设，并在管线变化处设计镇墩(见图3)。镇墩采用C20钢筋混凝土，其宽1.2m，长1.2-1.45m，高1.2-1.45m。管道每隔5m设置一座支墩，支墩采用C20混凝土，支墩宽0.6m、厚0.40m，支墩顶设置二毡三油滑动层。当管线基础为土基时，采用埋管敷设(见图4)。管槽开挖边坡为 1∶0.5，管道安装时，两侧预留30-50cm的施工空间，安装完成后，回填开挖料(跨沟、河管道外包25-50cm厚混凝土，其上再回填开挖料；部分管段需跨越道路时，埋管按路基标准回填后，再恢复路面至原状并压实)，管道埋深≥70cm(跨沟、跨河管道埋至最大冲刷深度以下)。经过交通路面的埋管管段以C20混凝土外包，其结构断面尺寸为700mm×700mm(宽×高)。管道在平面或立面转弯、变管径、三通处设C20钢筋混凝土镇墩。根据工程布置方案，供水管线共设置平面镇墩610个、竖向镇墩490个；共设支墩5500个、伸缩节259个。

图3 明管典型断面图

图4 埋管典型断面图

供水管道每隔2km设置一个检修阀(总计设置13个检修阀)；在管道凸起点设置排气阀，长距离无凸起点的管段每隔1km左右设置排气阀(总计设置25个排气阀)；在管线低点处设置排污阀(总计设置13个排污阀)。在新建水厂及县城水厂设置放水阀，总计3个(其中新建水厂2个，县城水厂1个)，每个放水阀配置电磁流量计。根据《室外给水管道附属构筑物》(07MS101-2)，闸阀井采用C20矩形钢筋混凝土结构。排气阀内部尺寸为1.2m×1.2m×1.8m(长×宽×高)，壁厚300mm；检修阀、放水阀和排污阀内部尺寸为1.3m×1.3m×1.8m(长×宽×高)，壁厚300mm。

3.5 水厂设计

考虑水库引水至英代村后供水范围为线性向各乡镇供水，英代村附近有一处废旧采石场满足县城应急供水的高程条件，因此考虑在桩号HT22+038处设置水厂。水厂厂址选在可满足建筑物布置要求，且地形相对开阔、地质条件相对较好、高程符合供水要求、离供水区较近和便于管理的地方。经现场勘察，厂址可选在离西畴县东南向约2km处小山包附近。水厂主要建筑物包括：反应沉淀池、滤池、投矾加氯间、除铁锰装置、清水池、管理房等。厂区总图布置原则为：流程短捷、布置紧凑、占地节省、功能齐全、管理方便。厂区总平面布置基本上按功能划分为生产(水处理)区、生产建筑物等。各区之间以绿化带和道路分隔。

4 结 论

荒田水库至西畴县城应急供水工程具有高水头、长线路的特点，工程沿线跨越建构筑物较多。结合供水工程设计实际，在系统分析项目建设条件的基础上，进行了供水工程的专项方案设计和研究。工程的建设，可加快解决县城应急供水困难问题，保障县城用水安全，对推动区域经济水平高速发展具有极为重要的作用。主要结论如下：

1)方案二(左岸方案)施工干扰较少、施工条件较易、管理维护条件较好、工程投资较省，确定其作为供水线路推荐方案.

2)当水压力≤4MPa时采用球墨铸铁管，当水压力>4MPa时采用无缝钢管。

3)根据水力学计算，输水管径确定为DN300，高水头钢管段管壁厚度以抗内压为主，并采用较经济的壁厚8mm的Q345钢管。

4)输水管道采用明管和埋管相结合的铺设方案，并沿线设置镇墩、支墩、阀井等附属建筑物，确保工程的安全、稳定运行。