北票市抗旱应急水源输水管线设计

高 艳

(北票市三宝水利服务站，辽宁 北票 122121)

0 引 言

北票市位于辽宁省西北部，常年干旱少雨，现有水源工程不能满足居民基本饮用水和农作物灌溉用水需求，需对现有水源工程进行扩建，建设抗旱应急备用水源[1]。该应急备用水源工程可以缓解北票市生活用水危机，保证居民正常用水供应，确保其经济可持续发展和社会稳定。

1 项目区概况

北票市地区主要由低山、丘陵及河谷地貌组成，水资源总含量为532万m3，其中，地表的水资源总量为346.93万m3，可开采地下水总量为185.07万m3，依据《辽宁省地方标准行业用水定额》和《抗旱规划实施方案技术大纲》规定，乡镇居民人饮水标准按30～40L/人·d确定，而北票市每日用水定额为35L/人·d，受灾人口为3.28万人，应急供水量计算结果见表1。经过对当地实际情况的调研，区域内有东山咀水库一座，蓄水量为145.6万m3，正常水位库容209万m3，能够满足抗旱应急引水工程用水量要求，可建设成为北票市抗旱应急备用水源。

表1 抗旱应急水源用水量计算表

经计算，最高日设计用水量为1283.98m3/d，抗旱应急水源预备时间为200d，故抗旱北票市抗旱应急输水需水量为2.57万m3。东山咀水库需水量满足北票市抗旱应急需水量，可以建设成为应急备用水源。

2 工程总体布置

本工程抗旱应急水源选择区域内东山咀水库，水库现有蓄水量为148.4万m3，正常水位时的总库容为210.6万m3。该水库为小(1)型水库，工程等别为Ⅳ等。该水库主要建筑物级别为4级，次要建筑物的级别为5级。2008年相关部门对水库主要建筑物进行了除险加固，水库安全性和使用性均能满足供水要求。本水源不但可以缓解北票市巴图营乡目前的供水压力，满足巴图营乡广大人民群众大旱之年生活用水需求，而且能满足2025年供水需求。

在东山咀水库输水洞出水口处取水，通过输水管路到达五间房镇蓄水池，并通过蓄水池给用户供水，其输水管路管线全长约1900m，供水规模为216m3/d。本次工程总体布置结合从水库到北票市沿线地形特征，选择重力和加压组合的输水方式，先从水库出水口处通过加压送至高位蓄水池，然后再配水到五间房镇蓄水池[2]。

3 应急水源输水管线设计分析

3.1 输水管道线路和输水方式设计

输水管道路线选择需要考虑的因素有供水安全、施工过程安全、运营正常。路线选择需要符合当地规划要求，通过与路线上工农业等相关产业的几个，选择最短线路，节约施工工作量和投资。管道走线应该尽量沿河道和现有道路进行，便于进行管道施工和检修。管道应该尽量减少对农业用地的占用，尽量减少与公路、河流及铁路的交叉，降低施工难度。管线沿程应该避开容易滑坡的土层，并避开岩层、沼泽及水覆盖的地区。最后从投资和施工等方面进行综合比较，确定最终管道的走线和位置。

本抗旱应急水源输水工程取水位置为东山咀水库的出水口，取水后通过管路送达巴图营乡蓄水池。沿线尽量减少转弯，减少与道路、铁路河流的交叉。输水管线按上述原则进行走向设计，全长为1900m。

本工程输水方式为先通过加压方式将水从水源地提升至中间某海拔较高的蓄水池，然后再通过重力输水方式配送至巴图营乡的蓄水池。

3.2 输水管材选择

本工程输水管线距离较远，工程量大，施工难度高，是本工程的重要组成部分，在整体工程投资中占较大比例。管道材质不仅影响管道输水安全，同时也对工程造价有很大影响。管材选择应结合受力特性、施工方便、环境因素和材料成本等因素综合进行选择。常用的输水管材包括钢筋混凝土管、钢管、球墨铸铁管、钢筒混凝土管、玻璃钢夹砂管等，下面对不同输水管材进行对比分析，见表2。

表2 输水管材技术经济比较表

每种管道各有优点，也各有不足。钢筋混凝土管材料价格较低，耐腐蚀性能好，但安全性不好，水质不能得到有效保障。预应力钢筒混凝土管从管材性能来讲是最好的，但价格比钢筋混凝土管高，一般应用于大管径输水管路，由于本设计给水管材的管径为DN600，属于中小管径，采用钢筒混凝土管会浪费材料且增加投资，故本工程不采取。钢制管材抗压强度高，受力性能好，适应沿线变形能力强，但耐腐蚀性不好，在湿润环境下会产生锈蚀，降低管材受力强度，并且也会对水质产生影响。球墨铸铁管具有很高的抗压能力，耐腐蚀性也好，寿命长，价格也相对较低。

经比较，球墨铸铁管抗压能力强、安全性高、使用寿命长，投资造价也较低，且由于输水管路作为抗旱应急水源工程，对管道安全性和保证率有较高要求，另外沿线高差大，地质条件复杂，球墨铸铁管可以适应复杂的外部环境。因此，本工程选择球墨铸铁管作为主要输水管材。除与河流交叉，或公路、铁路附近等特殊地段要采用钢管穿越，其他均采用球墨铸铁管。

3.3 输水管径选择

输水管径根据管道供水流量设计流速进行选择，管径小会增加输水途中管道阻力，产生较大水头损失，增加水泵动力；管径大不仅浪费管材，且沿线管道敷设费用增加。因此需要通过计算确定最优管径，输水管径通过以下公式进行计算：

(1)

式中：d为供水管径，m；q为供水流量，m3/s，本工程输水管段设计给水量为212.43m3/h，即0.059m3/s；v为设计流速，m/s。供水管路的经济流速为1.2 m/s到2.0m/s范围内，本工程取1.2m/s。

经计算，输水管径为250mm。考虑未来人口增加，用水量增加，需留有一定富裕，且需要考虑水头损失和自流的因素，综合考虑，输水管路管径选取为600mm。

3.4 水头损失计算

水头损失为输水过程中沿线阻尼造成的沿程水头损失和管道局部弯折变径等造成的局部水头损失，根据管线总体布置和地形计算水头损失，结合水源地和目的地海拔高差确定水泵扬程。

1)沿程水头损失hf计算：

采用下式计算管道沿程水头损失，公式为：

(2)

式中：hf为管道的沿程水头损失，m；L为管长，m；Q为管内通过的流量，m3/h；d为管道内径，mm；f、m、b为铸铁管材系数，f=6.25×105，m=1.90，b=5.10。

经计算，沿程水头损失hf为0.40m。

2)局部水头损失hj计算：

局部水头损失一般根据沿程水头损失进行估算，一般取沿程水头损失的10%-20%。本工程局部水头损失取沿程水头损失的15%，即hj=0.15hf=0.06m。

故管道输水过程中总消减水头为0.4+0.06=0.46m。

东山咀水库输水洞出水口处工作压力水头需>21.65m。

3.5 水锤分析

在管道输水过程中，当管道阀门瞬间开启或关闭时会引起水锤压力，当水锤压力高超过管道和附件压力时，会造成管道及附件的损坏。当水锤压力低在管道内形成负压时，也会造成管道破坏。本工程管线较长，管道沿线有高点，并且距离供水压力线较近。高点位置在正常供水情况下压力较小，供水过程水流忽然停止时，水柱可能出现拉断现象，管道非常可能发生损坏。因此，对管道内水锤进行计算如下：

(3)

式中：C为水击波速度，m/s；α-K/E为水的弹性系数与管壁材料的弹性系数比值为0.02；d为管道内径，cm，d=60cm；δ为管壁厚度，cm，为0.79cm；Hα为直接水击压强水头，m；VO为关闭前水流速度，m/s，212.43/π×0.32/3600=0.209m/s。

经计算，直接水击压强水头Ha为19.3m。

输水管线管材选择DN600K9的标准球墨铸铁，可承受最大水压力可以达到1.6MPa，爆破压力可以达到5MPa，满足泵站扬程和直接水击压强水头要求，可以保证管线输水过程中安全使用。

4 结 语

根据水源工程和用水地区的相对位置，及沿线地形高差及地质条件，综合外部环境条件，对应急水源输水管线进行线路和输水方式进行设计。通过对各种材质输水管进行对比分析，根据管道安全性和保证率要求，输水管道选择DN600K9的标准球墨铸铁管，保证管线输水过程中安全使用，同时可以降低工程造价[3]。该应急备用水源工程建成后，可为北票市提供应急水源，在旱灾发生时保证用水正常供应，有效解决当地群众用水短缺问题，为居民正常生活提供保障，保证当地经济可持续发展和社会稳定。