关于城市供水管网工程设计探讨
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作者: 林建洪 袁晓圻
摘 要:作者结合市政给水工程设计项目和施工实践工作经验,就市政输配水管网工程设计中的设计要点和着重注意因素谈谈自己的体会、心得。
关键词:管网;工程设计;优化设计
1 概述
随着城市现代化进程的加快及人民生活水平的提高,对供水量的需求也越来越大,同时城市区域用水功能的细化,对水质的要求也越来越高,作为城市血脉的供水配套管网工程尤为重要,不仅投资巨大,并关系到供水运行中的经济效益、供水可靠、水质安全,是一个关系千家万户的民心工程。同时城市供水管网是一个复杂的系统工程,由多座净水构筑物和多级输配水管网构成,任何环节的不合理因素到会导致资金浪费,并造成不必要的社会不良影响。所以必须在净水厂设计和管网规划阶段,进行合理的分析、优化规划设计,切实达到经济效益最佳、供水条件最合理、水质安全最可靠的设计效果,是我们作为工程技术人员必须考虑和研究的课题。
2 设计基础资料
对于一个市政给水管网设计项目,基础资料收集是设计工作的首要任务,直接关系到工程的走向、投资及其合理性。设计的主要基础资料主要包括原有的地下管线综合资料、用水需求及变化情况、现有的施工工艺、工程材料情况等等。作者认为,在实际的操作中,重点与难点为地下管线综合资料与用用水需求及变化情况。表现在:
在目前的城市基础设施资料中,地下各类管线的管位、埋深、管材等图文资料记录很不详细,出现局部管线信息不准确、更新不及时的情况;同时随着城市规模的扩建、发展,地下市政工程管线纵横交错,日益复杂,各市政职能单位各司其职,只收集、管理本行的管网图文信息资料,没做到综合的地理信息管理系统,在实际的给水管网设计项目中,经常出现地下管线资料不准确,导致方案变更、施工延期、等系列问题,产生不可弥补的经济效益损失、社会效益影响。
由于现今城市的人口流通性大,用水量变化也比较大,设计时需充分考虑流动人口对用水量造成的变化情况。以中山市古镇镇为例,由于流动人口变化大,用水量变化比较大。在工业园或部分出租房集中的地方,用水量远大于规范中的数据。同时,用水的时间性变化比较大,如:古镇镇春节期间的供水量只有平时的60%。作者认为,设计时,需重点考虑设计范围内的出租行业与工业园的分布情况,并考虑人口流动造成的用水量剧减或剧增的情况。
做好设计前期的调查摸底工作,是一个供水管网设计项目的必要条件。同时还要注意地区性的政策处理实施原则、行政供水区域信息、地区自然条件以及地质资料的收集,做好规划衔接、近远期综合分析,优化设计方案,做到合理性、可靠性。
3 市政供水管网优化设计
3.1 供水管网的布置形式选择
供水管网的布置形式主要有树状管网、环状管网、混合管网。现行的城市供水管网形式大体按供水性质、供水区域、供水规模来确定供水形式。一般情况下,小规模居民区、小型工业厂区可按树状管网布置;较大规模的居民聚集区,大型工业园区采用环状管网布置:对于城镇、片区供水应采用混合状管网供水,以确保供水安全可靠。事实上,在城市发展的过程中,树状管网逐步连接成为环状管网,形成中心区域布置环状管网供水,以树状管网向四周延伸的混合状供水形式。在初步的城镇供水管网设计中,为了便于管理需要,作者建议:DN100以下的管尽量布置成树状管网,工业区或用水量变化比较大的区域尽量布置成环状管网。
同时,在快速发展的现代化城市建设中,现状城市供水管网系统存在二种较为普遍的供配矛盾。 ① 己实施引水工程,净水厂供水能力富余,但现状管网输水能力不足,供配水管网不配套,管网改扩建尚未到位的情况;② 供配水管网改扩建已经逐步实施,但净水厂供水能力不足,用户给水不能得到可靠保证。既要做到供水安全可靠,又要节约工程投资,如何解决两者之间的矛盾,必须合理设计输配水管网的实施方案。作者认为,供水管网设计方案应因地制宜,应结合当地的发展重点、投资方向、城市规划,并结合供水近远期规划,配合城市建设,做好供水区域划分。对于第一类矛盾,设计应先着重实施输水干管的改扩建,闭合净水厂间的主干线环状管网,形成输水大环网,以提高城市供水的整体转输能力,做到各分区供水的水压、水量的均衡;再通过城市分区纵横支输水管相接,确定重点解决、分步成环、逐步完善的树支网和环状网相交的战略方针。对于第二类的矛盾,重点做好净水厂的改扩建工作的同时,应结合城市用水高低峰变化,先建清水池,增加调节水池的容量,暂缓供配水矛盾。在净水厂选址时,应利用城市特有的地形高位差,合理布置净水厂、清水池,有效缓和两者之间的矛盾,为城市提供安全可靠的供水网络,合理节省工程投资。
3.2 供水管网优化设计
在城市管网布置时,应考虑供水高速转输管道设置,高速转输管道只与供水干管连接,不与城市配水管连接,可使高速转输管道不受水流方向限制。通过纵横高速管道的转输,可均衡城市供水水量、水压。同时可避免因城市规模发展,居住新区、工业园区扩大,影响原有供水区域的水压、水量,使整个城市供水管网更合理,更优化。输水管网的线路应尽可能做到简短,避免穿越铁路、公路、河流、山谷等障碍物,保持与净水厂出水、高速转输管道水流方向一致。输水管设置应符合城市总体规划的要求,并结合近远期综合考虑,留有一定发展余地。同时设置输水管网时,应结合当地自然地形条件,充分利用地形高差实行重力流输水,以减少工程投资。按照相关规范和习惯作法,市政给水工程管道尽量布置在道路外侧,但在实际工作中,城市规划部门出于对所有地下管线的综合考虑,有可能安排在机动车道或慢车道下,这就必须考虑管道安全供水、检修维护所需的技术处理、管理费用。同时应注意供水干管上不宜开口过多,间断设置分控阀门等事宜。对于交通密集且路幅较宽、输水千管敷设路段应考虑设置配水复线管道,以适应城市供水的需要。对于施工实施方案安排,新建管线应遵循依据城市发展总体规划的要求,与规划道路建设同步进行的实施原则:改造管线应遵循先严重后一般、先大管后小管、先易后难的实施原则。
3.3 供水管线的高程及管线间距控制
合理安排好管网平面设置的同时,也要合理控制好管线的高程,做好管线综合分析。事实上各种市政工程管线的理设深度的技术要求相差无几,供水管线埋深过浅,供水管线承受道路上部传承的荷载,影响供水管线使用质量,对供水管线运行安全构成威胁;埋深过深,日后管理难度大,检漏、抢修工作可能无法进行。所以在项目设计过程中,要掌握各类其他工程管线的地理信息资料,遵循《室外给水设计规范》中“压力管让重力管,小管径让大管径,支管让干管”规定,错开其他工程管线的设置高程,而且要经济、合理选择供水管线的设置高程,以免增加日后维修难度、日常管理费用。对于管线间的间距控制,《室外给水设计规范》 中已明确规定,但实际工程中很难做到,所以对于无法保证间距的特殊管段,应做好特殊结构处理,常用的有混凝土全包加固、设置交叉井、U 型变向、套管等等处理措施。
3.4 供水管径的确定
市政给水管道管径的选择原则,是根据该地区的用水情况、国家用水量标准结合地区规划用水量标准进行管网平差计算结果来确定。而在实际工作中现状供水管网是依据若干年的规划和建设积累而成的,可能会遇到局部管网规模与城市发展速度相对滞后的矛盾,造成工程设计管道管径与现状管网衔接的困难。这就涉及到长远利益与当前利益的取舍问题,这是设计人员着重需要分析的。随着城市发展速度的加快,符合经济发展的需求,给水管网管径应根据近远期供水需求规划确定,结合城市改造的步伐,分步实施,逐步调整输、配水管网的不利点、不利管段。同时应对供水管网进行监测,在技术条件允许的情况下,实行全城区管网动态监测管理,甚至可以进行数字建模、电子模拟等水力模型,对本地的管网状况做到一目了然,以便为合理调整、优化管段提供设计依据,使城市供水网络发挥最佳效能。对于单体、小区市政给水管道管径计算依据《建筑给水排水设计规范》、 《居住小区给水排水设计规范》等规范中居民用水定额、用水量标准等相关内容结合本地区的用水实际情况来确定。其计算过程中应按地区的规模界定好居住小区、工业园区和市政给水工程的范畴,明确当地卫生条件、居民分区范围和规划实施意见,结合本地区的用水实际情况,合理选择用水量标准和时变化系数。在小区管道工程设计计算过程中要注意区分最大小时流量与设计秒流量的应用范围,《居住小区给水排水设计规范》中的3.5.2条规定,根据居住人数和生活给水干管、支管,对此作出了明确界定。另按作者实践经验,在居住小区给水工程管道支管设计时,对于住宅或小于DN80的小口径支管(而不是以幢来区分)计算,采用卫生洁具当量计算法确定管径,虽相应增大了给水管管径,但能有效解决用水高峰期对末端用户水压影响。无论是市政给水管道还是居住小区室外给水管都涉及到流量与管径的对应问题,一般都依据流量、流速按 《给水排水设计手册》 中的水力计算表及地方经验来确定。对于居住小区的给水管道一般管径较小,单靠水力计算表不容易确定管径。可以参考《水工业工程设计手册 • 建筑和小区给水排水》(中国建筑工业出版社2000.12)中提出的一个界限流量表,并结合地方经验来确定。
3.5 附属配套设置
给水附属配套是给水管网管理重要环节,按国家规范规定,定间距的输配水管线应设置控制阀门、排气阀、排污阀等附属配套设施。按照经验,输水干管道应不大于2km设置控制阀门,配水管道应在三通位置设置控制阀门较为适宜。排气阀和排污阀要严格按照规范要求设置,其他附属设施要结合实地实际情况,综合考虑设置。对于附属构筑物,现行国家标准图集长时间未作调整,几十年一贯制的国家标准图集显得跟不上时代形势。另原有的国家标准图集中给水管支墩,主要是按照刚性接口来设计的,而如今球墨管,PE工程塑料管等新型管材的使用,也己不适宜直接套用。作者认为,给水工程附属工程应因地制宜,制订适合当地情况的附属配套图集。另为避免附属配套设施设置的位置对以后的管理工作产生不便,作者建议控制阀门、排气阀、排污阀、伸缩器等附属配套设施尽可能的敷设在道路人行道上,这样即可便于管理,又可保持道路的完整性。
4 供水管材的选用
4.1 管材选用的原则
在市政供水管网系统工程中,管材的投资比例占到总投资的60 ~80 %左右,合理选择管材,是保证供水安全的前提,也是决定工程投资的主要因素。选择管材的主要原则为:要结合当地自然条件的实际情况,选用性能安全可靠,施工、维修方便,经济合理、使用寿命长的管材。根据市场的实际情况。
4.2 各种管材性能比较
4.2.1 给水铸铁管优点是具有较高的机械强度及承压能力,有较强的耐腐蚀性,接口方便,易于施工。其缺点在于不能承受较大的动荷载及质脆。按制造材料分为普通灰口铸铁管和球墨铸铁管,普通灰口铸铁管由于其比较脆,基本上已被自来水公司淘汰,球墨铸铁管由于柔性刚性多比较适中,为目前比较常用的市政给水管。
4.2.2 钢管优点是耐高压、耐震动、薄而轻及管节长而接口少,技术成熟。缺点是易锈蚀影响使用寿命、价格较高,故需做严格防腐绝缘处理。钢管一般用于管径要求大、受水压力高路段,及穿越铁路、河流和地震区等管段。
4.2.3 预应力和自应力钢筋混凝土管优点是抗渗性和耐久性能好,不会腐蚀及腐烂,内壁不结垢等。缺点是质地较脆易碰损、铺设时要求沟底平整,且需做管道基础及管座,常用于大型输水系统。
4.2.4 玻璃钢管指玻纤维增强树脂塑料管,这种管材优点在于重量轻,抗腐蚀,安装容易;缺点是刚度小,管道基础要求较严。大口径玻璃钢管在源水引用管道上使用较多,但由于其开口接驳比较麻烦,因此在供水管网中使用较少。
4.2.5 聚乙烯管(PE)PE管材以密度区分,有低密度聚乙烯管(LDPE)、中密度聚乙烯管(MPVC)、高密度聚乙烯管(HDPE)。 LDPE管材的柔性、伸长率、耐冲击性能较好,耐化学稳定性和抗高频绝缘性能良好,主要用于农田排灌。HDPE管具有较高的强度及刚度,MDPE管还具有良好的柔性和抗蠕变性能。
通过以上的管材性能比较,结合当地自然条件情况、经济状况,合理的选用输配水管材,以达到经济合理化,供水安全化,发挥最大的经济和社会效益。作者建议:大口径市政给水管采用球墨管材,小口径市政给水管采用PE管材。
5 结语
通过系统的理论分析和核算,合理、经济的进行优化设计,以达到城市供水管网最优化设计的目的,为城市供水发挥最大的经济、社会效益。
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