市政給排水管道工程中的結構設計

燕家琪

中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381

1 市政給排水管道工程概況

現(xiàn)有某市政給排水管道工程，自該工程所在地水庫取水，然后通過給排水管道將水輸送至水廠，隨后由水廠負責對當?shù)仉姀S供水。此次給排水工程采用PCCP供水管道（預應力鋼筒混凝土管），管道直徑為1～1.5m，供水管道整體長度為12.63km。該工程所在地區(qū)氣候四季分明，但夏季雨水相對較少、溫度較高，冬季干冷、春秋兩季多風沙，為了有效解決當?shù)厝彼畣栴}，進行了此次給水管道工程建設。

2 給排水管道工程現(xiàn)場勘探

在正式開展市政給排水管道工程建設前，需要到現(xiàn)場進行勘探。在具體勘探時，要求在管道中線上布置勘探點，結合實際地形情況，勘探點之間的距離應控制在30～100m，如果管線附近地形變化較為復雜，應適當加大勘探點密度。除此之外，通過地質勘探，在管道埋設深度范圍內，應查明地層的成因、巖性厚度及特征，明確巖層產狀與分化破碎程度，并把握對管道帶來影響的地質活動斷裂帶的分布特征與性質，同時需了解管道沿線工程地質條件和地下水對管道帶來的腐蝕影響，以提供巖土工程參數(shù)與管道結構設計建議[1]。

在此次工程中，經過勘探單位勘探，主要得出以下信息：給排水管道供水管線地處傾斜平原地區(qū)，整體地形起伏變化比較明顯，且結構較為松散，出露地形為第四系全新洪沖積，下更新統(tǒng)為低液限粉土、低液限黏土。其中，上部為低液限粉土，整體厚度為7～16m，下部為低液限黏土，厚度在10m以上。局部區(qū)域還分布有人工堆積物，堆積物組成除了包含建筑垃圾及生活垃圾，還包含一些雜填土。在該管道沿線區(qū)域，地下水埋深為16m，不會對管道工程建設帶來影響。

總之，此次排水管道工程現(xiàn)場地質情況相對較為復雜，在后續(xù)管道工程結構設計方面，應結合實際工程地質情況，保障管道結構設計的科學合理性，才能為后續(xù)排水管道工程的作用價值發(fā)揮奠定堅實的基礎。

3 市政給排水管道工程中的結構設計

3.1 確定管道結構形式

通常，在確定管道結構形式時，一般由給排水專業(yè)相關人員負責。自來水廠一般采用承壓管，除了可以選擇PCCP管，還可以選擇玻璃鋼、PE管等。污水廠一般采用非承壓管道，但是當管道承壓比較小時，為了體現(xiàn)經濟性，可以采用如混凝土結構、砌體蓋板涵等管道結構。在一些特殊路段，如管線周邊有公路、鐵路等，也可以選擇鋼管形式。此次給排水工程主要采用PCCP管，管線接口則選擇承插口形式。

3.2 管道基礎選型

在進行復核計算管道的剛度和強度時，需要充分考慮管道自身的規(guī)格、實際覆土深度以及地面承受的荷載。同時，還需要把握地下水位變化、試驗壓力等關鍵信息，才能確保最終管道結構配筋率計算的準確性。其中部分管道需要專門進行加固，以滿足管道強度要求。針對這些管道需要以實際計算結果為依據(jù)，選擇合理的加固措施，如通過管廊包管或者采用混凝土包管，從而不斷提升管道強度，滿足管道實際運行需求。在進行管道計算時，如果發(fā)現(xiàn)增加管道壁厚不夠經濟合理，則可以采用加肋的方法進行加固處理。具體的加固方式需要結合實際情況和經濟指標來確定。

在此次工程中，采用專業(yè)軟件UDP1.6進行管道結構計算。相關條件如下：鋼絲強度為1580MPa，鋼管厚度為1.5mm，纏絲應力為1580MPa×85%=1343MPa（PCCP管纏絲應力規(guī)定為鋼絲強度的85%），采用的活荷載為汽-20級重載車。從計算結果來看，針對強度等級為C60的1200mm管道，工作壓力為0.6MPa，保護層凈厚度為22mm，管芯壁厚為70mm，鋼絲直徑為5mm，1層纏絲層數(shù)，基礎包角為90°，配筋率為609mm2/m，螺距為32.2mm。針對強度等級為C55的1200mm管道，工作壓力為0.6MPa，保護層凈厚度為20mm，管芯壁厚為70mm，鋼絲直徑為5mm，1層纏絲層數(shù)，基礎包角為120°，配筋率為609mm2/m，螺距為32.2mm。同時，為了降低管道覆土規(guī)格種類，進一步提升后續(xù)管道安裝的速度，避免在管道覆土后出現(xiàn)一些質量隱患，針對路面之下的清水PCCP管道，基礎包角選擇120°。

3.3 管道敷設方式

為了科學合理地選擇排水管道敷設方式，需要結合實際管道的埋深以及地下障礙物分布等情況進行綜合決定。一般情況下，管道敷設包含三種方式，即頂管敷設方式、溝埋敷設方式、架空敷設方式。其中，溝埋敷設方式應用最為廣泛。如果實際條件不允許進行溝埋敷設，可以選擇另外兩種敷設方式。通常而言，選擇的管道敷設方式不同，那么實際采用的管道結構也會有一定的差異性。此次工程主要采用溝埋敷設方式，部分局部路段需要穿越鐵路障礙，因此采用了大直徑混凝土頂管敷設方式，頂管內徑為2m，原管道直接從頂管之中穿過，主要由鐵路部門負責設計。

3.4 管道抗震設計

在明確具體的管線走向后，為了保證后續(xù)管線順利鋪設安裝，同時提升管道抗震性能，還需要規(guī)避一些不利于抗震的場地，如管道行進線路要避開地震斷裂帶，不在薄弱地基位置設置管線等。但如果避無可避，則需要從管道自身入手，在考慮管道用途的基礎上，選擇一些抗震性能優(yōu)良的管道。如果是給水管道，要求管道應具備良好的抗拉強度，同時延展性優(yōu)良，抗折強度較強；如果是排水管道，可以選擇一些鋼筋混凝土管道，并采取合理的構造措施，從根本上提升管道的抗震性能[2]。

在此次給排水工程中，針對管道的結構設計，應充分考慮區(qū)域地震發(fā)生規(guī)律情況。在該區(qū)域中，地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.4s，地震抗震設防烈強度為7度。基于上述信息，在進行管道抗震結構設計時，需要注重進一步強化管道的抗震性能。從以往管道抗震經驗來看，地震多會對管道接口位置造成較大的破壞，因此需要注重加強PCCP管道的接口抗震設計，提升接口的抗剪與變形能力，使其具備優(yōu)良的抗震性能。

3.5 管道構造措施

在該工程中，針對給排水管道的構造，要先處理好地基，在這一過程中，需結合縱橫斷面圖、平面圖做好設計圖的處理。同時，針對需要處理的地段進行矢量化掃描，并以此為依據(jù)合理選擇參考點，最終立足地質縱斷面之上，做好管道基地輪廓線的設置。在此基礎上，還應做好地質單元的合理劃分，并做好基底高層及樁號的標注，尤其是要注意標明地下水位及地基以下的土層構造。然后以樁號劃分為依據(jù)，進一步明確需要進行處理的部分，并針對該區(qū)域實際的地質情況，選擇合理的處理方法。

該工程中樁號為0+001～1+348.6的地段持力層為上更新洪沖積上部低液限粉土，該地基土承載力建議值為80～90kPa，可以進行臨時開挖邊坡，邊坡比建議控制在1∶0.8～1∶1。該工程面臨的主要問題是濕陷性土問題，該濕陷土整體厚度為6m，濕陷等級為一級。建議在管道的底部，設置灰土墊層，墊層厚為0.6～1m，從而有效改善地基土濕陷性問題。

在后續(xù)進行管道施工時，受下雨或者地下水位升高等因素影響，可能會出現(xiàn)浮管問題，因此在實際處理構造時，應加強浮管的預防工作，采取有效的抗浮措施，降低浮管發(fā)生概率。在進行抗浮計算時，首先需要計算管道質量，以管壁厚100mm的PCCP管為例，該管道自重為840kg。然后計算回填土重量，該工程回填土壓實系數(shù)為0.87，通過地質勘探得出的土樣最小干密度為0.975kg/m3，那么回填土的壓實密度為上述二者的乘積，計算結果為848kg/m3，即可求出覆土質量。最后采用公式計算出最大浮力=ρ液·g·v[3]，其中，ρ液為浸入溶液密度，kg/m3；v為管道體積；g為重力加速度，取9.8N/kg。將最大浮力與管道自重+管道覆土進行對比，即可得出抗浮數(shù)值。在采用混凝土進行管道包封時，應注意做好混凝土對管道浮力的計算，并采取有效措施，加強對管道的固定。

4 結束語

綜上所述，在市政給排水管道工程中，管道結構設計是一項非常重要的工作，為了從根本上提升管道結構設計的質量水平，需要做好地質勘探工作，全面了解管線周邊地質情況。同時，要從管道敷設、管道抗震、管道基礎選型等多方面入手，加強管道結構設計實踐，從而為后續(xù)管道施工以及穩(wěn)定良好運行提供有力保障。