德州市城市供水管道改建工程设计要点分析

摘要：德州市城市供水管道改建工程是为保障德州市城区供水安全实施的德州市政府重点工程，该工程提高了原管道的供水规模和供水保证率。本工程管道全长19.41km，供水规模为日供水25万立方米，选用DN1000玻璃钢夹砂管和DN1000×14mm螺旋钢管。本文主要分析该工程的设计方案及要点，并提出相应解决对策。

关键词：城市供水；供水管道；设计

中图分类号：S611文献标识码： A

1工程概况

德州市第三水厂位于德州市经济技术开发区，库容550万立方米，承担着德州城区的60万居民生活和工业用水供水任务，是城市供水的命脉工程。目前，向三水厂供水的水源工程有三条，分别为丁东水库城市供水管道、穿减河调水工程和恒升供水管道向三水厂应急供水管道。其中城市供水管道是德州城区工业和居民生活用水的主要水源工程，穿减河调水工程和向三水厂应急供水管道是补充水源工程。

城市供水管道建成于1998年，原设计供水规模为12万m3/日，管道全长19.0公里，单管，管径1.2m，由钢筒混凝土管6.5公里、预应力混凝土三阶段管11.4公里、钢管1.1公里组合而成。城市供水管道自建成至今已运行15年，累计运行114次、1807天。近几年，由于管道老化，马颊河至省道353段5.1km的供水管道多次发生爆管漏水事故，管道供水保证率明显降低。

2012年，德州市市政府启动了德州市南部生态片区开发建设项目，根据项目规划布局，原城市供水管道位于项目区开发建设范围之内，影响南部生态区建设。

原城市供水管供水规模为12万m3/日。随着全市社会经济发展和居民生活质量的提高，城市需水量增加，供水目标由原来的德城区增加为德城区、经济开发区、高铁新区，原供水规模已逐渐不能德州市居民生活用水和工业用水的需要。

鉴于以上原因，德州市城市管道改建工程急需实施，以保障城市供水安全和德州市居民用水和工业用水的需要。

德州市城市供水管道改建工程起点位于德州市丁东水库城市供水管道出库泵站，终点位于德州市第三水厂，包括两段工程：（1）马颊河以西段，管线全长10.38km，双管敷设，管径1.0m，替代原城市供水管道马颊河以西段，原马颊河以西段废弃；（2）马颊河以东段，管线全长9.03km，单管，管径1.0m，与原城市供水管道马颊河以东段组成双管联合供水。改建后供水管线全长19.41km，供水规模提高至25万m3/日。

2设计方案及要点分析

本工程作为长距离压力供水管道，其断面布置、管材选择、水锤防护、附属设施设计、穿越公路及管线设施等问题都显得格外重要。

2.1管线设计

管线布置原则：

（1）管道线路力求顺直，尽量避开不良地形；

（2）管道根据冰冻情况、外部荷载、地下水位等因素确定埋设深度；

（3）供水管线尽量靠近现有道路敷设，以方便管线管理维护；

（4）供水管线布置避免穿越村庄；

（5）管线布置应减少拆迁，少占良田，少毁植被，保护环境。

城市供水管道改建工程管线在马颊河以东段沿小庄沟滩地敷设，在马颊河以西段沿幸福大道（G105附线公路）敷设，改变了原管道线路穿行农田耕地的方式。管道沿河道滩地、堤顶路、公路主干道敷设，便于工程施工和工程运行维护管理。

2.2管材选择

供水工程中，管材费用所占比例高达60%~70%以上，管材选取合理与否，不仅影响工程投资，也影响工程运行维护费用。本工程的供水对象主要为居民生活用水和工业用水，作为保证率高的供水工程，对供水管道可靠性、耐久性等方面的要求均很高。本工程主要对玻璃钢管、球磨铸铁管和钢管三种管材进行技术经济比选。通过管材的施工难易、使用寿命、连接方式、抗冲击、耐压力、耐腐蚀性、维修方便等几方面进行比较，玻璃钢管具有良好的水力学性能，其糙率系数为0.008~0.009；钢管和球磨铸铁管具有良好的力学性能，可承受较大的内压和外部荷载，但造价较高，糙率系数为0.012~0.014。根据德州市供水管道工程近几年实施情况，结合本工程特点，确定本工程分段选用玻璃钢管和钢管。

本工程除穿越河道、管线设施、公路时采用DN1000×14mm螺旋钢管外，其余段均采用DN1000玻璃钢夹砂管，刚度根据工程具体情况分段设计。马颊河以东段采用工作压力为0.8MPa、Sn=8000N/m2玻璃钢夹砂管，马颊河以西段采用工作压力为0.6MPa、Sn=6000N/m2玻璃钢夹砂管，穿越乡间公路则采用刚度10000N/m2的DN1000玻璃钢管。

2.3管道直径

由于原管道管径为1.2m，因此从与原管道管径一致的原则及管径最优的角度考虑，管径选择DN1200mm和DN1000mm两种方案。从工作压力、工程造价、安全可靠性、经济流速等方面进行论证，确定管道管径。

玻璃钢管糙率取0.009，钢管糙率取0.011，管径比选结果见下表。

经综合分析比选，确定管径选用DN1000mm，双管。

管径比选表

序号 比选条件、内容 管径（mm）

DN1000 DN1200

1 工作压力（m） 43.23 16.35

2 流速（m/s） 1.99 1.38

3 管材造价（万元） 6881 8772

4 安全性 高 高

5 综合分析 DN1200管压力小，流速低，造价高，不经济；DN1000管压力满足要求。

2.4管道水力设计

进行管道水力计算时，重点研究水头损失、水锤现象。本工程管道水力计算采用《室外给水设计规范》（GB50013-2006）中有压管道沿程水头损失计算公式计算。取设计水量的70%即事故水量进行计算，局部水头损失按沿程水头损失10%计。玻璃钢管糙率取0.009，钢管糙率取0.011，预应力钢筒砼管糙率取0.012。经计算，沿程水头损失为43.03m，局部损失4.3m，总水头为47.33m。

水锤现象计算公式参考水力学，按不同壁厚计算本工程不同压力发生水锤时的最大流量及流速变化，从计算结果分析，均可以满足要求。为安全起见，在泵站出口处加设缓闭止回阀和偏心半球阀，防止过大水击压力破坏管道及水泵。

2.5结构计算

玻璃钢管有工作压力为0.8Mpa、刚度Sn8000的玻璃钢夹砂管和工作压力0.6、刚度Sn6000和Sn10000的玻璃钢夹砂管。按照JC552-94和GB/T21238-2007玻璃钢管设计标准规范进行管道结构设计，并向厂家提供管道环向失效应力、刚度等参数。厂家根据设计参数进行铺层设计，确定参数后进行生产，并按规范要求进行生产。

2.6断面设计

埋地玻璃钢管是一个相互作用的的管道―土壤系统，作用于玻璃钢管周围的土壤不仅直接形成管体上的外压荷载，而且还为管体提供相应的支撑。管区回填，一般自管底至管顶0.7DN以下部位作为主管区回填，0.7DN至管顶以上500mm范围内属次管区回填。夯实自管道两侧同时开始，逐渐向管道靠近。压实度控制在0.9~0.95。管区回填材料的粒径、材料必须与管沟的自然土壤相协调，满足反滤要求。管侧支撑土壤的流失，将会造成管道挠度增加，不能满足长期运行的要求。管道断面布置需要因地制宜，选择正确的安装类型、充分利用当地材料。

本工程马颊河以东段，由于地下水位较高，经计算，管顶覆土3.0m时满足管道抗浮要求，此段管道为单管敷设，管沟底宽设计2.0m，开挖边坡控制在1:1.2~1:1.5，并在沟槽底部铺设20cm厚粗砂垫层作为管道基础。本工程马颊河以西段为双管敷设，该段地下水位较低，管沟底宽设计3.4m，管顶覆土2.0m，沟槽开挖边坡1:0.7~1:1，沟槽底部铺设20cm厚粗砂垫层作为管道基础。管底至管顶以上50cm区域为人工回填区域，管底至管顶0.7DN处主管区、0.7DN处至管顶以上50cm以下次管区，均采用人工分层对称回填夯实，压实度不小于0.9，其它区域为机械回填区域。

2.7附属设施

（1）检查井、排气井

水在输水管道运行时，常伴有气流。因此在长距离输管道设计时应根据管道的纵向布置，选择合适的位置（一般在驼峰处）布置一定数量的排气阀。阀门间距根据输水管道事故抢修时允许的排水时间确定，具置结合地形起伏，穿越障碍物（河道、铁路、公路）等因素综合考虑而定。根据已有工程情况，排气阀过多会造成管理的困难及增加投资，过少会影响管道进排气，造成工程事故。根据本工程情况，共布设排气井16座，检查井6座。井内阀件通过钢管采用法兰连接，钢管与玻璃钢管也采用法兰连接。由于穿墙管道为玻璃钢管，故除采用防水套管外，另加4层8mm厚橡胶板包裹，并采用PVC胶泥填料封堵。

（2）镇墩

输水管道在水平与竖直转弯处，均设置镇墩，承受管内水流产生的离心力，以防止接口松动或脱节。镇墩采用C20砼现浇，大小尺寸根据管径、转弯角度、管道设计内水压力和接口摩擦力，以及管道埋设处的地基和周围土质的物理力学指标等因素计算确定。

（3）切换间

由于德州市城区范围扩大及供水需求增加，潜在供水目标增多，因此，在管线设计时充分考虑沿途供水目标，设有3座切换间。切换间1将城市供水和恒升供水在水源处实现了互通并网，进一步提高了城市供水和恒升供水的保证率。切换间2为向高铁新区供水预留，切换间3为向新华工业园和经济开发区预留，并在切换间内预留支管接口。

（4）穿越公路及管线设施

本工程共穿越公路3处，穿越管线设施7处，在穿越公路、管线设施时均采用钢筋混凝土套管保护，以减少干扰，避免隐患，确保运行安全。对于临时道路及小车通过的道路，采取加固次管区的办法，即将该段管道次管区及机械回填部分全部采用人工分层回填夯实，直至地面。

2.8水压试验及接口试压

（1）水压试验

水压试验按《给排水管道工程施工及验收规程》GB50268-2008规定进行，管道安装完成后应进行分段水压试验，分段长度1km。水压试验前，应编制水压试验方案，对堵头位置、防止水压时的管线位移、水源及水压试验后的余水排除，水压试验装置的设置，试压顺序等均应全面考虑和安排。水压试验的压力值，按管道工作压力的1.5倍进行。

（2）接口试压

玻璃钢管要采用接口试压器做接口水压试验。在试压时，相邻两管间应用拉具拉紧，试压值取0.9MPa，恒压5分钟，检查接头有无渗漏。管道施工中坚持安装后立即进行接口试压，保证整个管道安装之后的气密性，避免返工，影响工期。

3结语

城市供水管道改建工程2012年5月份开工建设，2012年12月份竣工通水，工程至今运行情况良好。本文通过对德州市城市供水管道改建工程设计，分析了其管材选择、管径确定、水力计算、断面布置、排气阀设置、水锤防护、穿越工程等设计关键要素。该工程的实施，有效地保障了德州市城区供水安全。