定州市农村生活水源江水置换农村水厂以上工程分水口设计

定州市农村生活水源江水置换农村水厂以上工程分水口设计

刘美侠

河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司  天津300000

摘要：通过把保沧干渠33号排气井改造成为分水口，实现对《农村水厂以上工程》中新建水厂供水的需求 。本工程通过改造排气井，合理选择水力计算工况，复核水损及水压，并分析排气井改造后，对现有保沧干渠的影响，最终得出结果，改造后的分水口满足供水管道水压、水头要求，且排气井的改造不对现有保沧干渠的运行造成影响。

关键词：分水口 水力计算  水压   

1 工程概况

定州市全市为南水北调受水区，规划至2022年农村生活用水水源全部切换为引江水，为此定州市实施了农村生活水源江水置换工程，该工程由三部分实施完成，分别为：①农村水厂以上工程；②农村水厂以下输水管网工程；③村内管网更新改造工程。

《定州市农村生活水源江水置换农村水厂以上工程》（以下称《农村水厂以上工程》）为定州市农村生活水源江水置换项目的重要组成部分，《农村水厂以上工程》结合定州市农村生活水源江水置换项目全面实现城镇、农村生活、工业用水的江水置换的要求。

工程建设内容主要包括：

（1）地表水以上工程：自保沧干渠33号排气井（桩号32+071）位置新设分水口，采用重力流供水方式，铺设双排DN900 DIP管道至新建水厂。

（2）新建地表水厂：新建1座地表水厂，位于保沧干渠南侧、大洼里村村南，设计规模为7.5万m³/d，占地59.1916亩。

（3）地表水厂以下工程：地表水厂以下工程采用现有东方水厂及新建地表水厂与农村配水站连接，最终实现地表水厂至农村配水站再至村庄的供水模式。

新增分水口门选址在南水北调配套工程保沧干渠33号排气井位置（干渠桩号为32+071），分水口位置主干渠为2-DN2200×600三通钢管，设计水头57.91m。新增口门设计年用水量1843万m3，口门以下管道总输水流量为0.955m3/s。

定州新建地表水厂输水管线从分水口向南沿现状田间路500m后至东建阳村东北角，继续向南经过现状农田830m后至东建阳村东南角乡村路，沿乡间路向西850m至大洼里村村北，沿村东侧乡间路1.1km后向东至新建地表水厂净水池。管线采用DN900 DIP双排管道输水，管道路线长4.506km。

2  分水口门的设计

2.1分水口门结构设计

保沧干渠33号排气井位于主干线桩号32+071处，主干线为双管道，因此33号排气井有两座。排气井为钢筋混凝土圆形结构，内径2.0m，壁厚0.3m,井内底高程42.8m，盖板顶高程45.2m。排气阀井内既有DN2200×600三通、DN600×300减径法兰、DN300手动闸阀和排气阀。

本次设计将DN600×300减径法兰、DN300手动闸阀和排气阀卸下，将原排气三通DN600支管上法兰盘切下并焊接DN600×DN600钢制三通钢管件，三通水平段焊接新建DN600钢管，DN600钢管穿过排气井侧壁后开孔处需设置刚性翼环，管道中心高程43.59m。保沧干渠右侧主管道上的分水支管穿越侧壁后直接下卧至设计埋设深度（管中心高程42.29m）穿越西北齐公路，然后通过变径接头与DN900管道衔接；而左侧主管道上的分水支管需沿保沧干渠顺水流方向126°穿出排气井，4.74m后向左偏转70°，后再向前埋设3.2m后下卧至设计埋设深度（管中心高程42.29m），穿越西北齐公路再通过变径接头与DN900管道衔接，两支管道穿越西北齐公路后并排保持2.4m间距埋设一定距离后进入新建检修井。在左侧排气井穿出的管道水平转角位置设置镇墩，左侧支线管道向上弯头位置及右侧支线管道上下弯头位置各设置镇墩1个。

分水口下游的新建检修井可保证连接管道事故不影响保沧干渠输水管道的正常运行，检修井采用钢筋混凝土结构，净尺寸为6.4×4×3.2m（长×宽×高），壁厚0.4m，检修阀井采用钢筋混凝土结构，混凝土等级C30W4F150。阀井顶部设20cm钢筋混凝土盖板，盖板上设φ80cm进人孔，采用钢纤维混凝土井盖。设钢爬梯入井底，钢爬梯采用φ20钢筋，间距36cm。检修井内设压力表、DN900偏心半球阀及DN100复合排气阀。

三通垂直段焊接DN600法兰盘后将原DN600×300减径法兰、闸阀、排气阀再依次装回，原排气井由于增加分水三通需要增加高度1m。分水三通处回填土至变径法兰底部防止震动。

由于排气井内排气阀与主管道之间需新增DN600等径三通，现有井室内净空不满足要求，需加高排气井1m。现状地面高程约44.26m，分水口门后接DN600支线管中心高程43.59m，覆土厚度较小，本次设计排气井外围需在现有保沧干渠永久占地范围内加高填土1m,外侧1:1放坡，加高覆土后表层设置6cm厚预制水泥植草砖防护。管道穿出井室后需穿越西北齐公路，为防止路下管道受扰动，路下管道设置全包混凝土防护。

2.2分水口门水力计算

2.2.1引水管道指标

新建水厂支线主管道为DN900球墨铸铁管，管道为双管线布置，双管设计流量为0.955m³/s。分水口至检修井位置管线材质为DN600及DN900钢管。

2.2.2取水口连接管道水力计算

根据《室外给水设计标准》GB50013-2018，管道水力计算公式如下：

1）管道总水头损失：H=hi+hj

式中：H—— 为管道总水头损失；

hi ——为管道沿程水头损失；

hj ——为管道局部水头损失。

2）管道沿程水头损失

式中：q ——为设计流量（m³/s）；

L ——为管段长度（m）；

Ch—— 为海曾-威廉系数，

d ——为管道计算内径（m）。

3）管道局部水头损失

式中：v ——为平均流速（m/s）；

ξ——为局部水头损失系数；

根据工程经验，按照公式计算的局部水头损失与0.1hi基本一致，因此本次复核基本水头损失hj取0.1hi。

经计算新建分水口输水管线沿程水头损失为2.3m，局部水头损失为0.35m。

表2-1                       新建水厂以上供水管道沿程水头计算

2.2.3新增分水口位置压力水位复核

根据《定州市农村生活水源江水置换农村水厂以上工程初步设计报告 》可知，新增分水口处的输水管线为双管线，单管线长度为4.506km,管线管径为DN900,管线末端水厂设计水头53.6m,管道总水头损失3.35m，由此推算新增分水口要求压力水头为56.95m。分水口设计输水状况下，分水口位置现状水头为57.8m，大于新增分水口要求压力水头，现状可满足向新建水厂供水的要求。

表2-2                          分水口位置压力复核参数

3阀井改造对现有管道的影响

3.3.1增设三通对阀井及管道的影响分析

本次设计将DN600×300减径法兰、DN300手动闸阀和排气阀卸下，将原排气三通DN600支管上法兰盘切下并焊接DN600×DN600钢制三通钢管件，三通水平段焊接新建DN600钢管，DN600钢管穿过排气井侧壁后开孔处设置刚性翼环，支线管道与阀井侧壁由刚性翼环浇筑一体，管道供水时，支线对井壁产生水平推力，下面就支管水平推力对阀井侧壁及管道基础产生的影响做以下分析：

（1）支管的内水压力设计值为0.4MPa,管道供水时产生的最大水平推力计算值为113.04KN；

（2）井壁的外填土覆土加高后为2.7m,井壁外侧被动土压力计算公式为：

经计算井壁外侧被动土压力为323.5KN。

（3）现状阀井底部与保沧干渠主管道外包镇墩浇筑一体（C25混凝土），经查C25混凝土单位面积抗剪切力为1850KN。

由上述几个数值可知支线管道水平推力远小于于阀井外侧被动土压力及阀井底部及管道镇墩混凝土的抗剪切力。因此增设三通对阀井及管道水平推力影响不大。为尽量减小增设三通对阀井及管道产生的影响，分水口切改完成后将三通位置回填压实，以减小支管供水产生的水平推力及振动。

3.3.2阀井加高及覆土加高对管道的影响

经查保沧干渠设计管顶覆土最大埋设深度为3m，现状覆土加高1m后管顶覆土为2.8m未超过保沧干渠管道设计最大覆土厚度，另外井室下部管道设有混凝土镇墩，经折算排气井加高1m后整个排气井荷载相当于该位置保沧干渠主管道上部覆土厚1.4m，未超管顶覆土最大埋设深度要求。由此可知，排气井加高及井室周围覆土加高对主管道基本无影响。

4  结语

新建水厂口门位置选择、工程布置基本合理。通过水力计算与阀井改造结构分析，分水口门的改造能够保证《农村水厂以上工程》中新建水厂的有序供水。

参考文献：

[1]李田、胡汉明.给水排水工程快速设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

[2]给水排水设计手册第二版编委会.给水排水设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

[4]张克宁.探析田庄暗渠西北水厂分水口工程改造与日常管理［J］.河北：河北水利，2021.

[5]王福财.农村引水安全巩固提升工程设计［J］.甘肃.甘肃科技纵横，2019.48(12).

作者简介：

刘美侠，女，满族，籍贯河北省遵化市，2006年本科毕业于河北农业大学城乡建设学院水利水电工程专业，2009年硕士毕业于河北农业大学城乡建设学院水利水电工程专业。现在河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司工作。高级工程师。

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