摘    要：近年来, 随着水源地保护力度不断加大, 出现了一些需要搬迁的取水口。为保证取水口迁建后取水能力不变, 需以现状系统的最低取水水位、水头损失和起泵吸水井最大水位降落差作为设计的约束条件, 通过优化取水管线路, 扩大取水管管径等方式, 对冲由于迁建导致的取水距离增加。以某100万m3/d取水口迁建工程为例, 介绍了相关的设计步骤和内容。

关键词：水源地保护; 取水口迁建; 取水管延长; 水头损失; 水位降落;

Abstract：In recent years, with the increasing protection of water sources, there have been some water intakes that need to be relocated.In order to ensure that the capacity of the water intake is unchanged after the relocation, it is necessary to use the minimum water level, head loss and maximum water level drop of the pumping well as the design constraints, by optimizing the water intake line, expanding the way of taking water pipes, etc, solve the increase in water intake distance due to relocation.This paper takes a one million m3/d water intake relocation project as an example and introduces the relevant design steps and contents.

Keyword：Water source protection; Water intake relocation; Pipe extension; Head loss; Water level landing;

0、前言

饮用水是居民生活的基本要素, 也是城市建设和发展的基石。饮用水的安全保障, 包括饮用水水源地的安全保障是各级政府高度重视的民生问题。近年来随着国家进一步加大长江沿线水源地的保护力度, 出现了一些需要搬迁的取水口。以长江为水源的A水厂, 由于取水口上游一级保护区内存在无法搬迁的重要设施, 为实现水源地达标建设, 决定将取水口向下游搬迁250m, 同时根据下游码头性质, 分别采取整体搬迁和岸线封闭等措施, 满足水源地保护的要求。

取水口迁建有别于传统的新建, 需以现状取水设施高程系统作为迁建设计的约束条件, 即现状最低取水水位, 取水系统水头损失和起泵吸水井水位最大降落值, 作为取水口迁建工程设计的边界条件, 才能保证新系统建成后维持原取水规模不变。

取水口迁建工程的设计步骤一般为先对现状取水系统进行评估, 然后结合取水口迁建选址方案, 确定取水口的最终位置, 通过方案比较确定取水管走向、接管点位置, 在不超过现状取水系统水头损失和起泵吸水井水位最大降落值的前提下, 确定合理的取水管管径。下面将通过A水厂取水口迁建工程案例, 介绍取水口迁建设计的相关步骤和内容。

1、 现状取水设施评估

1.1、 取水口及取水管

A水厂终期规模100万m3/d, 目前供水规模60万m3/d, 现状取水口按终期规模建设, 采用2个DN2 200×DN3 300带格栅下弯喇叭管, 悬空高度约4m;取水管为2根DN2 200钢管, 管中心标高-2.50m (黄海标高, 下同) , 取水距离180m, 设计长江最低取水水位标高为-1.00m, 设计取水能力为100万m3/d。

1.2、 取水泵房

水厂现状设1座岸边式取水泵房, 土建规模100万m3/d, 水泵按60万m3/d配置。吸水井分2格, 每格安装2台旋转滤网;泵房双排布置8个泵位, 4个泵位对应1格吸水井。水泵采用卧式双吸离心泵, 目前安装7台泵, 大小泵搭配运行, 除7#泵为变频泵外, 其余均为工频泵。1#、3#、4#、7#泵对应西侧吸水井, 取水量为48万～52万m3/d;2#、5#、6#、8# (预留) 对应东侧吸水井, 取水量为46万～50万m3/d。现状取水泵房高程布置见图1。

图1 A水厂取水泵房高程布置Fig.1 A water plant pumping station elevation layout

1.3、 现状取水系统水力计算

1.3.1、 水头损失计算

1.3.1. 1、 基础数据

原设计长江最低取水水位标高-1.00m, 旋转滤网后水位标高-2.00m, 取水系统允许总水头损失1.00m, 现状2根DN2 200取水管, 规模100万m3/d, 自用水系数1.05, 管道粗糙系数n取0.014, 取水距离180m。

1.3.1. 2、 计算结果

当设计规模为100万m3/d时, DN2 200单管流速1.60m/s, 管线长度180m, 水力坡降1.11‰, 管路水头损失0.51m;格栅损失取0.10m, 旋转滤网损失取0.2m, 取水泵房吸水井各孔洞过流损失为0.15m;则现状取水系统水头损失为0.96m。

1.3.2、 起泵吸水井最大水位降落

1.3.2. 1、 原理简述

由于惯性作用, 水泵启动瞬间, 会打破吸水井原先水位的动态平衡, 短期内引起水位降落, 当吸水井进水量和水泵抽水量重新建立平衡后, 吸水井水位趋于平稳。在吸水井水位降落到恢复平稳过程中会经历时间T, 历时长短和降落量大小与吸水井进水管管径呈反相关, 与进水管长度呈正相关。进水管管径大, 补水流量大, 则历时短, 降落量小;进水管长度短, 补水迅速, 则历时短, 降落量小。因此水泵起动过程中, 建立水位、流量和历时的三者关系, 采用龙格-库塔法求解微分方程, 可计算最大降落量和历时。

1.3.2. 2 基础数据及计算结果

现状取水泵房土建规模100万m3/d, 设8台泵位, 目前安装7台泵, 规模60万m3/d。假设将来更换全部水泵, 达到100万m3/d取水量, 采用8台水泵 (6用2备) 的配置, 每格吸水井对应4台泵 (3用1备) 。计算每格吸水井在运行2台水泵的情况下, 开启第3台泵的工况, 由图2可知, 吸水井瞬间水位降落为0.48m。

1.4、 现状取水系统能力测试

1.4.1、 测试方案

为模拟100万m3/d取水工况, 现状2根DN2 200取水管需单管运行, 经测试在现状1m水位差的条件下, 泵房取水量达到50万m3/d以上, 且吸水井水位平稳, 取水泵运行正常, 无异响, 即认为现状取水泵房能达到100万m3/d的取水规模。

图2 现状吸水井水位降落Fig.2 Current water absorption well level drop

1.4.1. 1、 测试准备工作

(1) 确保泵房吸水井西侧进水闸门能正常关闭, 东侧取水管单管运行。

(2) 确保2格吸水井的联通闸门能完全开启, 确保东侧吸水井的2台旋转滤网装置工作正常。

(3) 确保取水泵房旋转滤网后的吸水井液位仪工作正常;取水泵房出水管上的流量仪工作正常;参加测试的取水泵及变频器工作正常, 能根据取水水量自动调节水泵运行频率。

(4) 测试前清水池水位应结合测试取水量和供水量情况有较大的调节余地。

1.4.1. 2、 测试过程

(1) 根据取水量测水位差。[1]取水泵房关闭西侧吸水井进水闸门, 完全打开2格吸水井联通闸门; (2) 开启2#、7#水泵, 控制流量30万m3/d, 待水位平稳后, 依次开启1#、6#水泵, 使取水量增至50万m3/d, 每隔0.5h测长江水位标高和旋转滤网后水位标高, 计算水位差。

(2) 根据水位差测取水量。[1]取水泵房关闭东侧吸水井进水闸门, 完全打开2格吸水井联通闸门; (2) 开启1#、2#水泵, 控制流量20万m3/d, 待水位平稳后, 依次开启6#、7#水泵, 当长江水位标高和旋转滤网后水位标高差在1m时, 每隔0.5h记录取水量。

1.4.2、 测试情况

通过对现状取水泵房单根进水管连续12h的测试, 在吸水井内外1 m水位差的情况下, 泵房供水量可达50万m3/d, 且水泵运行平稳, 由此推测, 现状泵房在双管运行的条件下, 可达到100万m3/d规模。

1.5、 对现状取水设施评价

从上述分析、计算和实际测试结果看, 现状取水设施在设计的最低水位以上运行时, 可达到100万m3/d的设计能力。今后在泵房达到100万m3/d规模更换水泵时, 水泵应采用逐台、变频启动, 降低水泵启动瞬间流量增大对吸水井水位降落的影响。

2、 工程设计

2.1、 取水口

2.1.1、 取水口位置

A取水口向下游迁建250m后, 位于待整体搬迁的B码头附近, 根据《长江干线通航标准》 (JTS180-4-2015) 6.3.2条“取、排水口设施不宜超过上、下游已有临河建筑物外缘线”的要求, 以临近的上游C码头外角点与下游D码头外角点为连线, 将新建取水口设在连线内, 结合区域水深情况, 新取水口外侧距B码头前沿50m。

2.1.2、 取水口设计

设2座钢制取水箱, 规模100万m3/d, 单座尺寸6m×6m×4m (H) , 箱体由钢板焊接而成, 顶部、前侧、两侧面及底面均采用焊接间隔150mm的扁钢作为进水格栅。箱体外侧采用型钢加筋肋以加大箱体的整体刚度。取水箱在陆上制作, 水下安装。支撑取水箱的为9根直径1 000mm的钢管桩, 在钢管桩上设置支撑横梁及带加筋肋的支撑板, 支撑取水箱的钢梁架设在支撑板上, 用螺栓固定。

2.2、 取水管

2.2.1、 取水管走向

取水管走向有线路一和线路二两个方案, 见图3。线路一, 取水距离380m, 采用一定角度绕行避让现状码头;线路二, 取水距离350m, 直接穿越码头;从走向看, 线路二取水距离短, 线路顺畅, 但需拆除部分码头。现状码头东侧为桩基, 西侧为岩基, 如采用机械拆除, 工期长, 如采用爆破拆除, 对周边影响大, 因此取水管采用绕行方案。

2.2.2、 接管点位置

对于本工程, 接管点位置有两个方案可供选择。方案一, 新建取水管在取水泵房吸水井进口处接入现状DN2 200取水管;方案二, 新建取水管接入取水泵房吸水井。方案一, 接管时间短, 接管期间吸水井维持单管双格运行, 不影响现状取水泵的运行组合;方案二, 需在现状吸水井井壁开孔, 接入新建取水管, 周期长, 存在吸水井单管单格运行的工况, 需部分更换现状取水泵, 调整水泵运行组合。对于方案一, 虽然接管的水头损失大于方案二, 但对现状水泵运行没有影响, 因此采用方案一的接管点位置。

图3 取水管线路走向方案Fig.3 Pipeline route plan

2.2.3、 取水管管径

现状取水口和2根DN2 200取水管垂直于江面布置, 且位于凹湾处, 取水距离180m, 在最低取水水位以上时, 单管取水量不小于50万m3/d, 由于取水管大部分埋设在江底以下, 安全程度较高, 因此设计时单管取水保证率为50%。取水口向下游迁建250m后, 取水管距离增加至380m, 为弥补由于长度增加带来的水头损失, 同时适当提高单管运行的取水保证率, 新建取水管按100万m3/d设计, 单管取水量按60万m3/d能力校核, 当单根管道故障停运时, 另一根取水管满足水厂目前60万m3/d的取水要求。

2.2.3. 1、 系统水头损失

按推荐的线路一, 单管取水量分别为50万m3/d、60万m3/d, 自用水系数5%, 管道粗糙系数取0.014, 分别计算DN2 400、DN2 600、DN2 800不同管径的系统水头损失, 以不超过现状取水系统1m的水头损失作为管径是否合适的判断依据, 计算结果见表1和表2。

表1 单管50万m3/d时不同管径对应的系统水头损失Tab.1 System head loss corresponding to different pipe diameters with a single pipe of 500, 000m3/d

表2 单管60万m3/d时不同管径对应的系统水头损失Tab.2 System head loss corresponding to different pipe diameters with a single pipe of 600, 000m3/d

2.2.3. 2、 吸水井水位最大降落量

计算单格吸水井, 在DN2 600、DN2 800管道进水条件下, 取水分别为50万m3/d和60万m3/d时, 运行2台水泵, 再开启第3台水泵达到取水规模时, 吸水井瞬间水位降落, 见图4。

由系统水头损失和吸水井水位降落计算可知, DN2 800管径在满足取水量的同时, 留有一定富裕, 有利于保障取水安全。

2.2.4、 取水管设计

取水箱所在区域江底标高-17.5～-18.5m, 箱底标高取-11.10 m。2座取水箱分别焊接DN3 200×DN2 800喇叭管, 与DN2 800取水管采用哈夫连接。2根DN2 800钢管, 外径2 820mm, 壁厚28mm, 长度380m, 分为桩架段和埋管段, 分界点靠近B码头西南角。取水管走向见图5。

2.2.4. 1 桩架段

桩架段, 管中心距离9.4m, 长度220m, 分为直管段和弯管段。每排桩架均由3根直径800mm的钢管桩组成。直管段管中心标高-9.40m, 江底标高-13.6～-18.5m, 按7m布置桩架;弯管段, 江底标高-13.6～-0.55m, 管中心标高-9.40～-2.80m, 为两级渐变, 分别为-9.40～-6.10m、-6.10～-2.80 m, 每级均采用9度弯头借转, 两级之间采用5m长的直管段过渡, 弯管段按8m布置桩架。桩架顶部设置支撑钢管的横梁, 并通过钢管托固定在桩帽上。横梁及管托均在陆上制作, 水下安装, 将管道浮运至现场, 安放在管托上, 采用钢抱箍固定。

图4 吸水井水位降落Fig.4 Water level drop in the suction well

图5 取水管平面及纵剖面布置Fig.5 Plane and longitudinal section layout of the water intake pipe

2.2.4. 2 埋管段

埋管段, 管中心距离9.4～24.55 m, 长度160m, 管中心标高-2.80m, 沿线江底及滩涂标高为-0.55～1.50m, 采用1∶4水下开挖放坡, 管道底部采用0.5m厚的级配碎石基础, 管周采用块石包裹, 顶部采用0.5m厚的抛石压重。新建取水管采用DN2 800×DN2 200偏心异径管与现状DN2 200取水管在取水泵房进水井入口处采用哈夫连接, 见图6。

图6 接管点Fig.6 Detail of the takeover point

2.2.4. 3 管段长度

无论埋管段还是桩架段, 管段间均采用哈夫连接。一次吊装的管段长度由起重船的最大起吊重量决定。对于本工程, 设计时考虑水上起重船的起重量在80～100t, 允许单次起吊的DN2 800管道长度为40～50m。按1节钢管6m计, 则一次吊装的直管段长度为42m, 弯管段长度不超过50 m。所有管段均在制管厂完成焊接、防腐及检测等工作, 通过船运至施工江面进行吊装、沉管施工。

2.2.4. 4 钢管、钢构件防腐

钢管、钢构件在进行防腐处理前先进行喷砂除锈, 等级Sa2.5。钢管内防腐采用无毒聚氨脂防腐底漆二道、面漆二道, 干膜总厚度不小于160μm;外防腐采用环氧铁红防锈底漆二道, 环氧玻璃鳞片重防腐面漆二道, 干膜总厚度不小于520μm。钢构件防腐采用无机富锌涂料3度, 厚150μm。

2.2.4. 5 钢管焊缝质量检测

所有焊缝均进行100%超声波检测, 质量等级不低于Ⅱ级, 并进行5%的X射线探伤检验, 质量等级不低于Ⅲ级。

2.3 施工期间正常供水的保障措施

2.3.1 水量保证

目前A水厂夏季最高日供水量为60万m3/d, 春、秋季节供水量在50万m3/d左右, 冬季供水量低于50万m3/d。施工接管时间为秋、冬季, 取水量在50万m3/d可保证供水水量安全。接管前需分别对东、西2根取水管做单管运行, 达到50万m3/d取水量时, 再进行下一步接管工作。拟安排的接管顺序如下:关闭东侧吸水井进水闸门, 取水泵房维持西侧DN2 200进水管单管运行, 拆除东侧部分现状DN2 200进水管, 新建DN2 800取水管采用偏心异径管与现状进水管接通;东侧管道接通后, 打开吸水井东侧闸门进水, 关闭西侧闸门, 取水泵房维持东侧进水管单管运行, 拆除西侧部分现状DN2 200进水管, 新建DN2 800取水管采用偏心异径管与现状进水管接通, 打开西侧闸门, 泵房恢复双管取水。整个接管过程需维持单管运行14d左右, 对水厂正常供水水量影响较小。

2.3.2 水质保证

新建取水口在现状取水口下游250 m处, 取水口施工时, 对现状取水口取水水质影响较小。接管时由于单管运行, 流速增加, 可能将原先沉积在管道中的杂质带出, 因此需对原水水质进行密切监测, 如有水质波动的情况发生, 应采取增加常规药剂加注量, 启动应急药剂加注等措施, 保证供水安全。

2.4 取水设施防护

2.4.1 水上防护

取水口西北侧为长江主航道, 为防止船舶航行影响取水管, 在管道四周间隔约30m设置防撞墩, 沿线共设置11处防撞墩, 防撞墩之间采用抬缆浮连接, 外侧设围油栏及带有航标灯的浮标。每个防撞墩由3根直径800mm的钢管桩按三角形布置, 桩顶设钢平台, 安装警示灯。

2.4.2 陆域防护

在水源地保护区范围内树立警示标牌, 根据保护区等级, 标明严禁事项及举报方式。在一级保护区设隔离网, 高度2.8 m, 采用钢丝网浸塑, 顶部0.2m向内倾斜, 设电子围栏和监视探头。

2.5 拆除工程

本工程建成后, 需拆除现状取水设施, 恢复江面原先状态。拆除内容包括2座取水喇叭口、2根DN2 200取水管以及桩架、防桩墩、警示标志等。

3 结语

对于取水口迁建工程的设计, 首先要根据选址方案和上下游设施情况确定取水口迁建的具体位置;对现状取水系统进行评估, 关注取水能力、水头损失、起泵吸水井水位降落和水泵吸水喇叭口最小淹没水深;以新系统的水头损失和吸水井水位降落值不大于现状系统的对应值作为约束条件, 进行线路和管径的设计, 并适当留有余量为优选方案;然后根据水下地形、河势变化确定取水管埋管段和桩架段范围, 按地质勘察资料确定桩型、桩径及桩长。

对于有通航要求的水域, 取水口位置、取水管标高、保护设施形式、位置等需提交专业单位编制航道通航条件影响评价报告和通航安全技术报告, 结合评审意见, 调整取水口、取水管及保护设施的设计。

参考文献：

[1] 穆小桂.循环水系统水泵吸水井水面振荡的分析[J].电力建设, 1995, (11) :15-17.