污水管網連通工程過河段管道設計

曹 芳 吳明白 劉 明 用明亮

（宿遷市水務勘測設計研究有限公司 宿遷 223800）

1 工程概況

本工程將河西污水處理系統中的青年路污水提升泵站調至城南污水處理系統中，在泵站至飲馬堤路現狀污水管網區間增設連通管道，把青年路污水提升泵站1.5 萬m3/d 的污水調入城南污水處理廠處理，其中需新建170m 過古黃河壓力管道。

2 管道設計

2.1 管徑設計

本次設計青年路污水提升泵站向城南污水處理廠輸送污水量最小為0.5 萬m3/d，最大為1.5 萬m3/d。為保證過河管道污水運行安全，管徑以最小流量和最大流量進行計算。

當最小流量為0.5 萬m3/d，管道流速按0.7m/s 計，管道管徑為324.3mm，選擇管道為dn400（公稱壁厚36.3mm）；按dn400 管道復核最大流量1.5 萬m3/d，流速為2.0m/s，，滿足規范要求。

2.2 管道水頭損失計算

管道沿程水頭損失按下式計算：

式中：hf—管道水頭損失；

f—管材摩阻系數，取0.505；

Q—設計流量，（m3/h）；

m—流量指數，取1.75；

D—管道內徑（mm）；

b—管徑指數，取4.75；

L—管道長度，（m），取745。

按最大流量計算得出hf=6.31m，局部水頭損失取沿程水頭損失的20%計，則局部水頭損失為1.26m，最大流量管道總水頭損失為7.57m，同理最小流量管道總水頭損失為1.13m。

2.3 管道參數計算

管道在外壓力作用下，豎向直徑的變形率應小于管道直徑允許變形率5%。管道豎向直徑變形率按下式計算：

式中：

ε—管道豎向直徑變形率；

Wd，max—管道在荷載準永久組合作用下的最大豎向變形量（m）；

Fsv，k—每延米管道上管頂的豎向土壓力標準值（kN/m）；

Kd—管道變形系數，取0.096；

Dl—變形滯后效應系數，取1.2；

qvk—地面車輛荷載傳至管頂單位面積上的豎向壓力標準（kN/m2），取10；

ψq—可變荷載準永久值系數，取0.5；

D1—管道直徑（m），取0.4；

γs—回填土的重力密度（kN/m3），取18；

Hs—管頂至設計地面的覆土高度（m），取10.8m；

Sp—管材環剛度（kN/m2）；

Ed—管側土的綜合變形模數（kN/m2）；

Ee—管側回填土在要求壓實密度時相應的變形模量（MPa），取5；

En—溝槽兩側原狀土的變形模量（MPa），取10；

ζ—綜合修正系數，查表取1.52。

Ed=1.52×5=7.6 kN/m2

Fsv，k=1.2×18×10.8×0.4=93.31kN/m

Wd，max=1.2×0.096×（93.1+0.5×10×0.4）/（8×Sp+0.061×7.6×1000）

ε=Wd，max/D1×100%=10.96/（8×Sp463.6）＜0.02，則Sp＞10.55。

塑料管道環剛度按下式計算：

Sp=EpIp/（8ro3）

式中：

Sp—管材環剛度（kN/m2）, 本次設計選擇管道環剛度為12.5kN/m2；

Ep—管材長期彈性模量（kN/m2），取8000；

Ip—管道縱截面每延米管壁的慣性矩（m4/m）；

ro—管道計算半徑（管壁中性軸半徑）（m），取0.2。

計算得出：Ip=3.14×0.44×(1-D4/0.44）/64

Sp=8000×Ip/（8×0.23）=12.5kN/m2

計算管道內徑D=250.0mm，根據管道參數，本次設計過黃河牽引段管道選擇dn400 國標PE100 級管道，公稱壓力1.6MPa，環剛度為12.5 kN/m2。

2.4 過河牽引段設計

2.4.1 管道過河設計

根據工程地質資料，工程位置處河槽表層和淺層土主要為素填土（Q4ml），雜色，松散，主要成分為粉土、粉質黏土和輕粉質砂壤土（Q4ml）。

由于新建管道工程處河道無河灘，本次僅對河槽沖刷進行分析計算，根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTJ C30-2015），非黏性土河槽沖刷計算公式如下：

經計算，現狀斷面情況下，河槽10年一遇工況下一般沖刷深度0.71m，沖刷線高程19.99m，50年一遇工況下一般沖刷深度0.23m，沖刷線高程20.47m，規劃斷面情況下排澇及行洪工況均無一般沖刷。管道穿河處沖刷計算參數見表1。

2.4.2 管道過河牽引布置設計

本次設計采用dn400PE 管牽引過古黃河，根據地形情況，管道牽引入土點在河道東岸，出土點在河道西岸。在管道牽引段古黃河規劃整治河底標高為19.0m，寬度為50m，設計本次牽引管道在河底處覆土深度考慮后期施工冒漿、河道清淤等影響，河底水平段管道位于土質第3 層，水平段管底高程為12.0m，管頂距規劃河底距離6.6m，見圖1。

根據《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》（CECS 382-2014）要求，本次設計牽引管道曲率半徑R=300×400/1000=120m，入土角α=15°，出土角β=15°，入土端高度h1=13.8m，出土端高度h2=12.4m。

a2=R×sinα=31.1m

b2=R×（1-cosα）=4.1m

b1=h1-b2=9.7m

a1=b1/tanα=36.2m

表1 管道穿河處沖刷計算參數表

c1=R×sinβ=31.1m

d2=R×（1-cosβ）=4.1m

d1=h2-d2=8.3m

c2=d1/tanβ=31.0m

L=L0+a1+a2+c1+c2= L0+129.4m

本次設計管道入土點位于青年路泵站出水井南側，牽引管道出土點位于青年路泵站黃河對岸花園路東側，牽引管道與黃河河道中心線垂直相交。

結合管道出入土點及實際地形情況，本次設計牽引管道水平段L0為50m，所以牽引管道平面總長L 為180m。

2.4.3 回拖力計算

（1）本次設計管道水平段位于土質3 層，土質為粉質黏土。無水平方向彎曲的鉆孔，其典型軌跡由曲線段-直線段-曲線段組成（見圖2），回拖力計算采用遞推關系式計算。

TA=efgβfgwp（L1+L2+L3+L4）

TB=efhβ（TA+fh｜wf｜L2+wfH-fgwpL2efgβ）

TC=TB+fh｜wf｜L3-efhβ（fgwpL3efgβ）

TD=efhα[TC+fh｜wf｜L4-wfH-efhβ（fgwpL4efgβ）]

wp=（D12-D2）γp

wf=πD12γm/4-wp

計算得出：wp=（0.42-0.3272）×0.955×3.14/4=0.04kN/m

wf=3.14×0.42×12/4-0.04=1.47kN/m

TA=4.3kN

TB=54.6kN

TC=75.4kN

TD=90.0kN

所以本次管道過河牽引回拖力不小于90.0kN。

（2）管道可承受最大回拖力計算

圖1 管道牽引軌跡設計示意圖

圖2 管道牽引軌跡簡化示意圖

塑料管道可承受最大回拖力按下式計算：

F=б×π（D12-D2）/（4N）

式中：F—管道能承受的最大回拖力（N）；

б—管材的屈服強度（MPa），取8.0；

D—管道內徑（mm）；

N—安全系數，取2.0。

計算得出：F=165.8kN

設計施工回拖力小于管道可承受回拖力，滿足安全要求。

（3）管道擴孔設計

牽引管道鉆孔最終擴孔直徑為管道外徑1.2 倍，為480mm。

（4）鉆孔泥漿設計

本次設計管道所穿越地層為輕粉質砂壤土和粉質黏土，因此本次定向鉆必須選擇優質泥漿，用膨潤土進行泥漿護壁處理，使泥漿達到一定黏度，失水量降低，同時能抑制地質土體的分化，保持孔壁穩定。泥漿性能參數應根據地質情況確定并案地質的變化進行調整。

（5）壓漿加固設計

本次設計在管道回拖后采用液壓注漿，水泥漿與周圍松軟土體混和后，可加強鉆孔周圍土層強度，同時對管道起到保護作用。注漿壓力保持在0.4～0.8MPa之間，注漿參數選取及水泥漿各骨料用量計算：水灰比為1︰1，水泥為42.5 普通硅酸鹽水泥。

（6）泥漿循環與管理

水平定向鉆在施工過程中要保持穩定的泥漿循環，泥漿在專用的攪拌容器中配制，從鉆孔內返出的泥漿經沉淀后凈化設備處理并調整后重復利用。當鉆進過程需要長時間中斷時，要對孔內定時補充新泥漿并活動鉆具，防止泥漿漏失及卡鉆事故的發生。施工后出入土點泥漿用泥漿泵抽到泥漿罐內，及時用泥漿車排放到合理位置，將廢漿清理干凈，并恢復原貌。

3 結語

實施青年路泵站至飲馬堤路污水管網連通工程，可將青年路污水提升泵站1.5 萬 m3/d 污水調入城南處理廠，近期基本可以解決河西污水處理廠超負荷運行和城南污水處理廠運行負荷過低資源浪費問題，減少污水入河現象發生；遠期可成為河西污水系統和城南污水系統之間應急連通管道，在河西污水處理廠遭遇突發應急事件時，可以利用連通管道減少污染事件影響■