平面设计在水利工程设计中的应用

宋珂，刘威

（兰陵县水利勘测设计室，山东 临沂 277700）

1 引言

近几年，农村饮水安全项目不断增加，成为新农村建设至关重要的基础工程。 但是，在当前农村饮水安全项目建设时，前期设计不受关注，无法适应高度复杂的工程环境，加之整体工程布局不合理，影响了项目的顺利推进。 而应用平面设计有望解决这一问题，因此，探究平面设计在水利工程设计中的应用具有非常突出的现实意义。

2 水利工程设计目标原则

2.1 功能性

在水利工程设计中，应落实功能性目标原则，全面收集与水利工程建设相关的资料， 统筹考虑水利工程特殊的功能需求，突出水利工程的特色[1]。 同时从平面设计视角着手，科学论证， 精准设计， 协调水利工程建筑设计各个环节以及周边环境、生态自然，为功能设计目标实现营造良好的人文环境、生态环境。

2.2 创造性

在水利工程设计中，应落实创造性的设计原则。 根据水利工程设计与建筑艺术之间的密切联系， 在夯实基础弥补水利工程本身疏漏的前提下，大胆探索，突破已有水利工程建筑造型[2]。 同时，结合水利工程大小、功能、结构等特征，寻求传统设计与创新创造的结合点， 提高水利工程在当代精神文明建设中的价值。

2.3 系统性

在水利工程设计中，应落实系统性的原则。 根据水利工程建筑空间分配合理性、有序性要求，从各部分功能着手，系统规划内部空间线条。 同时，在水利工程主体建筑物内部合理功能分区的基础上，科学衔接各功能，并利用集中（或分散）的设计方法，统一配套水工建筑物与周边环境，系统展示水利工程的结构美与功能美[3]。

3 平面设计对水利工程设计的影响分析

在水利工程设计中，平面设计对水利工程的经济性、安全性具有极其显著的影响，是水利工程设计的关键。 根据平面设计方法的差异，对水利工程设计的影响也具有一些差别。 常见的平面设计方法主要有直线形设计方法和曲线形设计方法。

直线型设计方法是水利工程设计中应用频率较高的方法， 特指在测设中借助系列连续导线控制水利工程的基本位置和走向，进而在转弯位置适应地形要求，采用多样曲线（或曲线组合）完成转折位置合理过渡，形成整个水利工程的平面线形。 在水利工程直线型设计中，直线是工程方位、走向控制的依据，占据主导地位。 应用直线形平面设计方法，可以采用对称的形状， 以长度、 两端缓和曲线参数为依据进行便捷计算。 但是，因平曲线在整个水利工程设计中处于次要地位，无法系统地应用直线、缓和曲线、圆曲线，加之对称平曲线线型的应用，缓和曲线、圆曲线无法恰当应用，埋下了水利工程平面线型连续性、 均衡性不足的隐患。 特别在地物约束较严格（或地形复杂）的条件下，直线形平面设计无法与周边环境相协调，引发大面积挖方填方作业，严重破坏自然环境，损害水利工程经济效益。

曲线型设计方法是根据水利工程设计标准、地形地物、环境约束条件，结合线性组合均衡性、协调性要求，借助曲线单元与线形参数控制水利工程具体位置、走向并进行几何绘制、计算的方法，可以获得以曲线为主体的平面线型。 在曲线形水利工程设计过程中，圆曲线、直线、缓和曲线处于同等重要地位，其中，缓和曲线可以作为主要线性要素被灵活应用，在一定程度上增强了水利工程线型的平顺度、 视觉协调性以及布置自由度。 特别是在山区复杂地形条件下，曲线形设计方法可以根据地形、地物约束条件控制水利工程数量，获得与环境高度协调的线型[4]。 以曲直法为例，其是主要的曲线形设计方法，在以往直线形设计方法（借助直线控制水利工程总体方位与走向）的基础上，采用圆弧段（曲线）进行具体线位控制，形成线型骨架并配置缓和曲线， 具有计算灵活、 成果直观的优越性，可以对水利工程安全效益、经济效益产生有益影响。

4 平面设计在水利工程设计中的具体应用

4.1 水利工程概述

一村饮水安全项目，根据SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》 建设等级为V 等， 主要建筑物级别为5级，次要建筑物为5 级。 项目设计年限为20 a，最高日居民生活用水定额取值范围为50 ~70 L/（d·人）。 工程内容包括新打1 眼水源机井及配套水泵、低压电缆等机电设备，新建泵房及配套输水管道、净水设备。项目村涉及人口1 600 人，大用户配水流量0.083 L/s，节点处流量0.135 L/s，地面标高77.4 m，节点水压线标高115.848 m，自由水头23.248 m。 项目主要用管道名称为聚乙烯管，管材为PE100，设计流量为5.287 L/s，管道流速为0.554 m/s，管道长度为80.0 m，管径为125 mm，管道总水头损失为0.275 m，单位管道水头损失为0.003 4 m/m，延程水头损失为0.250 1 m/m。 同时配置1 个DN20 闸阀、12 个DN25 闸阀、1 个DN100 闸阀以及24 个32 mm×1″（1″表示1寸，即3.33 cm）塑钢接头、2 个25 mm×3/4″（3/4″即20 丝）塑钢接头、4 套DN125 法兰接头、4 套DN110 法兰片、1 个DN100水表等。

工程所在地为暖温带季风区的大陆性气候， 年均温度12.8 ℃，年均日照2 647.6 h，0 ℃以上持续期276 d，水库流域多年平均流量837 mm，历史年降雨最大量1 321.7 mm。

4.2 前期分析

水利工程平面设计是一个环环相扣的实践逻辑链， 涉及地质、建筑、设计等诸多领域知识，庞大而复杂。 设计方案的合格与否不单单体现在理论可行性，而且涉及水文、地形、降水量、岩层、土壤等实际施工条件，设计人员只有协调各方要素，才可以保证设计方案的可行性、经济性、科学性。 水文地理环境的差异直接决定了水利工程体量的差异， 间接影响了水利工程平面设计所规划的具体内容。 因此，设计人员应提前与饮水安全项目有关工程技术人员进入项目村进行实地勘察，并与项目村主要负责人现场确认水利工程规模、建设任务。 进而协同水利勘测设计测量人员完成工程外业测量， 汇总实地勘测资料、建设方实际资料。 由勘测资料可知，工程位于山东省南部，东经117°41′~118°18′，北纬34°37′~35°06′，东西最大横距48 km，南北最大纵距55 km，区域土地总面积1 724.84 km2，总人口145.91 万人。区域地处鲁南低山丘陵南缘，其中，山地、丘陵占53.94%，其余为平原，地势由西北向东南逐渐降低。西北部、北部为山岭地带，由沉积岩组成，海拔高度在100~200 m，中部为冲积平原，海拔高度在35~65 m，南部为低洼地，海拔高度在30~35 m。

为了给全面施工实践提供参考， 设计人员应提前了解水利工程可能涉及的平面设计要素， 提前规划适宜的平面设计方法、建模软件、设计原理，并模拟设计效果[5]。 比如，对于饮水安全项目中大用户配水设计，从设计原则、基本剖面、实用剖面、剖面优化思路着手，在梳理思路的基础上，细化配水管线构造方法、配水管道材料选择与运用、建设期温度应力与防裂措施等，饮水安全项目中大用户配水施工实践提供参考。

4.3 设计实践

在水利工程的平面化设计环节，设计者应依托结构学、力学知识，兼顾视觉审美需求，优化整合水文地理要素，并选择恰当的形式，将三维立体的建筑要素整合到平面设计图中，获得精准、 科学、 融合自然且具有高度审美价值的水工建筑作品，为后期施工提供指导。 开始设计时，选择曲线形设计法，在地形图上根据饮水安全项目路线控制走向、位置，绘制系列直线、圆弧，构成线性骨架。 首先，判断是否为直圆形，是则配置缓和曲线，否则判定是否为卵形，是则配置缓和曲线，否则判定是否为S 形，是则配置缓和曲线，否则判定是否为C 形，是则配置缓和曲线，否则求解交点坐标、偏角，根据曲线组合类型进行曲线敷设设计。 进而判定线位是否合理，是则结束，否则进入地形图直线绘制环节，重新开始循环。

4.4 总平面布置

4.4.1 临时施工道路

临时施工道路是水利工程平面设计的重要内容。 由前期收集资料可知，项目所在区域道路状况不佳，雨天无法正常通行。 因此，设计人员可以综合考虑近期交通功能、远期发展需要，统筹平面线型、横断面布置与纵断面线型，在减少土方、工程量、施工难度与造价的基础上优化技术标准，保证交通运输的安全性、舒适性、高效性。 临时施工道路硬化项目等级设定为乡村公路支路，设计速度为15 km/h，路基设计回弹模量超过20 MPa，路面设计强度为C30 水泥混凝土路面且设计弯拉强度达到4.0 MPa，地震动峰值加速度为0.15g。

为减少拆迁、土方开挖回填量，在现有已成型道路中，借助1985 国家高程标准以及1980 西安坐标系，进行设计。 临时施工道路纵面设计考虑与前段、后段已有道路衔接，因项目所在地的地形复杂， 地势高低不一， 设计最大坡度小于或等于10%，尽最大努力利用现状路面。 而在横断面设计时，则设置路基较路面宽1 m，路拱横坡为2.0%，长度为555 m，宽度为4 m， 石子垫层厚度为11.7 mm， 其他均满足JTG B01—2014《公路工程技术标准》。

4.4.2 临时供水排水布置

临时用水是由供水点接出、流入施工点的过程，涉及居民生活用水、施工用水等，其中，施工用水主要为砂浆搅拌用水、养护用水等。 临时供水管网借鉴类似水利工程设计经验，主杆线与支管分别采用φ50 mm 镀锌管、φ25 mm 镀锌管， 现场环向封闭布置，确保管网个别位置出现故障时水流可靠供应。

临时排水主要借助纵向排水沟，处于施工便道两侧。 排水沟宽度、深度分别为1.0 m、0.8 m，沟内铺入10 cm 厚细石混凝土，并设置砂浆护坡，控制底部纵坡超过0.3%。 在排水沟穿越临时道路时，借助排水管过路。 施工期间的居民生活用水，则采用化粪池集中沉淀、处理。

4.4.3 临时供电布置

根据饮水安全项目用电量（动力用电、照明用电），综合考虑高峰施工期水泵排水、生活照明、夜间施工与水管焊接用电要求，配置380 V/220 V 电源，三相五线制架空配置。 线路水平架设在项目所在地临时道路内侧，经电线杆接出分支线、引入线。电线杆为木杆，相邻电线杆之间距离为30 m。同时，在距离地面高度超过1.2 m 且便于操作的位置配置配电箱（含漏电保护器）。

4.4.4 临时设施布置

照明是饮水安全项目顺利推进的关键。 在照明设施平面设计时，设计人员应依据低功耗、低污染、高能效的标准，选择平均亮度达到0.6 cd/m2、均匀性达到0.35 的截光型灯具，光源为显色指数超过80 的30 WLED 光源， 灯珠之间经混联矩阵网状连接，额定电压直流12 V，照明时间8 h（连续阴雨天正常工作3~5 d），全自动光控开关。 除照明设施以外，根据饮水安全项目实际情况，设计人员可以在现场设置材料堆场，为各种材料的规范、整齐堆放提供支持。

5 结语

综上所述， 工程设计是水利工程施工建造作业顺利进行的保障。 因此，设计人员应从水利工程设计阶段着手，借助平面设计方法，对水利建筑方案进行细化完善，根据水文地理信息，结合水利工程功能，进行科学布局，突出水利工程平面设计的实用价值与艺术审美价值。