长距离管道输水工程中地下阀井设计探讨

王 强，韩其华，冯庆刚，陈立强，赵 岩

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南250013;2.日照市沭水东调供水有限公司，山东 日照276800;3.日照市水务集团有限公司，山东 日照276800)

1 研究背景

由于我国水资源时空分布不均衡，实施跨流域、跨地区调水，已成为近年来越来越多的一项课题。目前调水工程最常用的三种方案分别是渠道、暗涵与管道输水。其中管道输水因为其漏损率低、占地少、水质能得到较好保障等优点受到极大的青睐，越来越多的中、小流量调水方式都采用管道输水。

为保证管道正常运行，满足管道的检修、分水、排气、排水(泥)等用途，预防管道运行中产生的水锤影响，输水管道沿线需要布置不同的阀井，其类型大致有阀门井、排气井、分水井、排水井等。2018年自然资源部下发的《关于做好占用永久基本农田重大建设项目用地预审的通知》，要求将永久基本农田保护措施落到实处。因而，管道工程中之前所采用的地上式阀井已经不能适应新的土地政策，阀门井的占地问题也成为管道输水工程中的瓶颈，亟需一种满足地下阀门井的施工方法来应对新土地政策下的管道输水工程。

2 常规地上阀门井及存在问题

在管道输水工程中，阀门井有检修、分水、排气等作用，由于阀门井里面布设的设备较多，因此阀门井比其他类型的井井体大的多。本文以管道工程中的阀门井为例来探讨几种地下阀井的做法，其他排气井、排水井等地下式施工做法可参照地下阀门井设计思路。

一般在输水管道起止段、倒虹两侧、每隔3～5km左右处设阀门井。阀门井为混凝土结构，阀门井内主管道上设蝶阀、传力接头;支管上设闸阀、排气阀等;井体盖板上设700进人孔，方便进入井体维修;另设通气管，解决管道内的进排气问题。常规阀门井结构如图1所示。

图1 地上阀门井结构图

根据规范，日照市某管道项目管道直径DN1400，管道最小管顶覆土为1.2m，某一段管道纵断面设计如图2所示。

可以看出，常规阀门井的布置不影响管道纵断面的走向，管道只需要根据最小覆土要求和实际地面高程布设管道中心线即可。在平面布置图合适位置设置阀门井，且保证阀门井处左右的管中心高程小于等于阀门井管中心高程，这样阀门井中的排气阀才能起到排气作用，管道方能正常运行。

图2 管道纵断面图—地上阀门井

图2中，阀井位置处的管中心高程为114.80m，阀门井处地面高程为116.975m，此段管道平均覆土高度1.3m。此种情况下，管道阀门井位于地面以上，方便检修，管道整体埋深也较浅，管线纵断布置合理。

但根据国家新的土地政策，阀门井不能占用基本农田，而此段管线布置恰好穿越基本农田，所以如何设计一种新型阀门井成为管道设计中的关键与重点。

3 几种新型阀门井

目前，地上式阀井已经不能适应新的土地政策，管道设计在土地资源开发、利用、治理、保护和管理方面需遵守新的规程规范，因此对耕地占用问题提出了新的要求，尤其是在管道施工中阀井的设置问题上，施工时需要将井的上部埋于地下1m以上，以保证耕地的正常耕作和利用。为了解决上述问题，本文介绍三种新型的阀门井，以供探讨。

3.1 A类地下阀门井

考虑到地上阀门井占用基本农田的问题，设计上需要采用新的阀门井，其简易做法是井整体往下沉，比现状地面低1m及以上，不影响农田范围内的植被且满足最小管道埋深要求。这种地下阀门井的结构如图3所示。

根据A类阀门井的结构形式特点及阀门井管中心高程与现状地面高程的要求，调整此段管道的纵断如图4所示。

调整后的管道纵断面，阀门井处地面高程依旧为116.975m，阀井位置处的管中心高程为113.40m，此段管道平均覆土高度2.7m。

图4 管道纵断面图—A类地下阀门井

可以看到，此种型式地下阀门井施工简单(同地上阀门井)，同时也解决了阀门井基本不占地的要求(排气管占地除外)，但管道纵断面与常规的管道铺设纵断面相比，沿线管线中心线高程会下降1.4m左右，且阀井上盖板整个都埋设于地面高程以下至少1m处，给管道后期运行中的维修造成很大的不便。这种阀门井从投资、施工便利、施工进度、后期运行管理也存在一些弊端。

3.2 B类地下阀门井

在实际工作中，设计人员主要从保质量、减投资、加快施工进度等方面对阀门井布置进行优化。

从A类地下阀门井可以看到，阀门井中的井体高度是造成管道埋深加大的主要原因之一，而阀门井内支管中的排气阀和蝶阀高度是造成井体高度增大的主要原因。B类新型地下阀门井的主要设计思路是通过降低阀门井体高度来降低管道沿线的管道埋深，其结构型式如图5所示。

图5 管道纵断面图—B类地下阀门井

B类阀门井把阀门井管道上具有进排气功能的向上凸起的排气阀等从井体中去除，在每座地下阀门井上游方向10m设置一阀舱，阀舱里面再设置具有进排气功能的排气阀、蝶阀等设备，且阀舱处的高程可以比阀门井的高程高，这样既可以起到更好的进排气功效，又能进一步减少管道的开挖。

按照B类阀门井的要求调整管道纵断面后，阀门井处地面高程116.975m，阀井位置处的管中心高程114.40m，此段管道平均覆土高度1.38m。可以看到，B类阀门井的管道平均埋设较浅，相比于地上阀门井来说，不会增加太多的开挖方。这种阀门井除具有A类地下阀门井的缺点以外，阀舱直接埋设于地下，无井体防护，安全性能比较低，且施工比常规阀门井施工麻烦。B类阀门井已在潍坊市某大型调水工程中得以成功应用。

3.3 C类地下阀门井

为解决B类地下阀门井结构整体性比较差的问题，设计出了C类地下阀门井，如图6所示。

图6 C类地下阀门井结构图

C类阀门井结构上包括埋于地下的主体井和盖在主体井上的混凝土盖板，混凝土盖板上设置有向上隆起的用于容纳管道阀类的阀舱(排气阀高于混凝土盖板的部分容纳在防护罩中)，阀舱与主体井连通，阀舱为防护罩结构。通过设置阀舱，缩减管道埋深与地面的空间，进而来减少整体的下挖深度，阀舱固定在盖板上使这一部分空间成型且防止土的进入，减少人力物力的耗用，节约成本。阀舱为可拆卸分体式结构，便于在混凝土盖板盖上后对阀门的检修操作。进人孔井体侧壁上开设有通气孔(取代原有排气管)，通气孔位于地面与井盖之间，减少了对地上空间的占用。如图7所示。

图7 管道纵断面图—C类地下阀门井

按照C类阀门井的要求调整管道纵断面后，阀门井处地面高程116.975m，阀井位置处的管中心高程114.40m，此段管道平均覆土高度1.38m。可以看到，C类阀门井的管道平均埋设较浅，与地上阀门井相比，不会增加太多的开挖方。与B类阀门井相比，这种阀门井施工简单，质量能够得到保证。

此种井可以满足地上阀门井的所有功能，并且不会产生大面积占地的现象，阀井整体性强。C类阀门井已在日照市某调水工程中成功应用过，此类新型阀门井已经正式获得国家知识产权局的授权，获得国家实用新型专利。

4 四种阀门井的对比

以日照某段管道为例，对4种不同的阀门井的优缺点进行对比，见表1。

5 结语

根据已经完成或投入运行的管道工程设计经验和后评估情况进行初步总结，得出如下结论:

表1 四类阀门井的管道工程各项指标对比表

(1)由于阀门井具有进排气功能的制约，地下阀门井要做到完全不占用土地是不可能的，且地下阀门井日常的检修、人工操作等与地上阀门井相比，确有其不便利性。这就要求在进行管道线路布置的时候，要做到管线尽量优化，少占用农田。

(2)阀井设计过程中应合理选用阀件的结构形式(比如立式蝶阀改卧式蝶阀等)，来优化阀门井体结构，从而使管道的埋设深度更为合理，促进工程的更好推进。

(3)C类地下阀门井施工、维护相对方便，降低了造价，运行安全可靠，并通过实际工程运行得到了验证。该项设计方案成熟可靠，值得进一步推广。