污水倒虹管的設(shè)計(jì)案例探析

曾海勇

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司 福建福州 350108)

0 引言

隨著城市建設(shè)發(fā)展，人民生活水平提高，對(duì)城市環(huán)境要求越來(lái)越高，加強(qiáng)水環(huán)境治理十分迫切，因此，城市建設(shè)過(guò)程中同步完善雨、污水系統(tǒng)勢(shì)在必行。污水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，管道經(jīng)常需要穿過(guò)河道、旱溝、洼地、地下構(gòu)筑物等天然或人工障礙物，污水管道不能順接上游管道標(biāo)高徑直通過(guò)時(shí)，一般設(shè)置倒虹管，管道按下凹折線方式，從障礙物下通過(guò)[1]。

1 工程概況

該工程位于龍巖市，道路沿線所經(jīng)用地多為山林、農(nóng)田和局部民房，地勢(shì)變化大。整個(gè)項(xiàng)目分A、B兩個(gè)標(biāo)段：A標(biāo)段樁號(hào)長(zhǎng)度約3.9 km，道路寬度32 m，污水主管按單側(cè)布置，設(shè)在道路南側(cè)人行道下，兩側(cè)地塊產(chǎn)生的綜合生活污水通過(guò)收集管及收集井收集，污水主管管徑d500 mm～d600 mm，主管坡度0.3%～3%；B標(biāo)段樁號(hào)長(zhǎng)度約3.8 km，道路寬度32 m，污水主管按單側(cè)布置，設(shè)在道路西側(cè)人行道下，兩側(cè)地塊產(chǎn)生的綜合生活污水通過(guò)收集管及收集井收集，污水主管管徑d400 mm～d500 mm，主管坡度0.2%～4%。B標(biāo)段污水通過(guò)A標(biāo)段污水管轉(zhuǎn)輸，A標(biāo)段終點(diǎn)處污水主管需橫穿一條16 m寬的現(xiàn)狀河道排入對(duì)岸既有沿河鋪設(shè)的污水管網(wǎng)內(nèi)。

(1)設(shè)計(jì)采用2條直徑為d300 mm的倒虹管與河道正交通過(guò)，倒虹井應(yīng)緊挨河道擋墻臺(tái)背設(shè)置，盡量縮短倒虹管長(zhǎng)度，以減少水頭損失且方便后期檢修維護(hù)。根據(jù)河道凈寬及擋墻結(jié)構(gòu)寬度，倒虹管長(zhǎng)度最終定為20 m。

(2)倒虹管上游進(jìn)水管設(shè)計(jì)流量為232 L/s，每條倒虹管設(shè)計(jì)流量116 L/s。

(3)進(jìn)水管管徑d600 mm，坡度0.2%，設(shè)計(jì)充滿度0.63，設(shè)計(jì)流速1.25 m/s。

(4)出水管管徑d600 mm，坡度0.5%，設(shè)計(jì)充滿度0.48，設(shè)計(jì)流速1.78 m/s。

(5)倒虹管管徑d300 mm，水力坡度0.0138，設(shè)計(jì)充滿度1，設(shè)計(jì)流速1.64 m/s。

2 倒虹管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 倒虹管位置選擇

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地質(zhì)勘探報(bào)告及地形測(cè)量資料等綜合分析，該工程倒虹管選在河床及岸邊地質(zhì)穩(wěn)定、不易沖刷且河道寬度較小的位置。倒虹管布置與河道軸線垂直，使其跨河長(zhǎng)度最短。

2.2 倒虹管的形式

倒虹管形式有多折型和凹字型兩種[1]。該工程河道寬度較窄，河床深度較小，且可以采用大開(kāi)挖施工，采用凹字型。

2.3 倒虹管條數(shù)

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006(2016年版))第4.11.1條：通過(guò)河道的倒虹管，不宜少于兩條；通過(guò)谷地、旱溝或小河的倒虹管可采用一條[2]。為此，該工程采用兩條直徑相同的倒虹管平行敷設(shè)，由于周邊地塊尚未開(kāi)發(fā)，現(xiàn)狀污水流量較小，近期可使用1條，暫時(shí)關(guān)閉另一條，待遠(yuǎn)期污水達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)開(kāi)通兩條同時(shí)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)期結(jié)合。

2.4 管材及管道接口

根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5冊(cè)城鎮(zhèn)排水)》第1.5.6條：倒虹管一般采用金屬管或鋼筋混凝土管，最小管徑宜為200 mm[1]。該工程倒虹管管徑采用d300 mm，管材采用污水用球磨鑄鐵管及管件，管道接口采用承插式橡膠圈接口，橡膠圈外觀平整，不得有裂縫、破損、氣孔、重皮等缺陷。

2.5 埋深深度

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2條：倒虹管的管頂距規(guī)劃河底距離一般不宜小于1.0 m，通過(guò)航運(yùn)河道時(shí)，其位置和管頂距規(guī)劃河底距離應(yīng)與當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)管理部門(mén)協(xié)商確定，并設(shè)置標(biāo)志，遇沖刷河床應(yīng)考慮防沖刷措施[2]。該工程為非通航河道，管頂距離河底采用1.0 m，倒虹管采用C30混凝土滿包加固。

2.6 流速及沖洗措施

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006(2016年版))第4.11.2條：倒虹管內(nèi)設(shè)計(jì)流速應(yīng)大于0.9 m/s，并應(yīng)大于進(jìn)水管內(nèi)流速[2]。當(dāng)管內(nèi)設(shè)計(jì)流速不能滿足上述要求時(shí)，應(yīng)加定期沖洗措施，沖洗流速不小于1.2 m/s[2]。該工程倒虹管管徑采用d300 mm，經(jīng)計(jì)算，其設(shè)計(jì)流速為1.64 m/s，大于0.9 m/s，且大于進(jìn)水管設(shè)計(jì)流速1.25 m/s，可不設(shè)置沖洗措施。

2.7 進(jìn)、出水井

為滿足倒虹管能在近期小流量時(shí)只開(kāi)通1根管運(yùn)行及倒虹管檢修時(shí)關(guān)閉其中1根倒虹管等工況下正常運(yùn)行，該工程進(jìn)、出水井內(nèi)采用分隔墻各分為3格，分隔墻上設(shè)置600 mm孔洞，并設(shè)圓形鑄鐵鑲銅閘門(mén)，閘門(mén)啟閉通過(guò)井蓋板上手動(dòng)式啟閉機(jī)控制。進(jìn)、出水井各分格的人孔中心設(shè)在各條管道的中心線上。人孔下墻體設(shè)置爬梯，爬梯采用塑鋼爬梯。進(jìn)、出水井蓋板頂面設(shè)置DN50通氣管，井內(nèi)分隔墻上緣設(shè)置100 mm通氣孔洞。

2.8 沉泥槽

為沉淀泥土、雜物，保證管道內(nèi)水流通暢，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.6條：倒虹管進(jìn)水井前一個(gè)檢查井，應(yīng)設(shè)置沉泥槽[2]。進(jìn)、出水井內(nèi)也分別設(shè)置沉泥槽，井底落底0.5 m。

2.9 事故排出口

事故排出口應(yīng)在取得當(dāng)?shù)匦l(wèi)生主管部門(mén)同意的條件下設(shè)置，一般設(shè)置在進(jìn)水井或靠近進(jìn)水井的上游管渠道的檢查井中，當(dāng)需要檢修倒虹管時(shí)，可以讓上游污水通過(guò)事故排出口直接泄入河道[4]。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2條：倒虹管宜設(shè)事故排出口[2]。該工程事故排出口設(shè)圓形鑄鐵鑲銅閘門(mén)，閘門(mén)啟閉通過(guò)井蓋板上手動(dòng)式啟閉機(jī)控制，事故排出管管徑d600 mm，坡度1%。

2.10 倒虹管設(shè)計(jì)圖(圖1)

3 倒虹管的水力計(jì)算

3.1 倒虹管設(shè)計(jì)流量

圖1 倒虹管平面圖及剖面圖

倒虹管設(shè)計(jì)流量包含了：綜合生活污水設(shè)計(jì)流量、工業(yè)廢水設(shè)計(jì)流量(含工業(yè)企業(yè)生活污水、工業(yè)生產(chǎn)廢水)及入滲地下水量，經(jīng)計(jì)算其設(shè)計(jì)流量為232L/s。

3.2 進(jìn)、出水管

進(jìn)、出水管采用HDPE管，經(jīng)計(jì)算：進(jìn)水管管徑d600 mm，坡度0.2%，設(shè)計(jì)充滿度0.63，設(shè)計(jì)流速1.25 m/s；出水管管徑d600 mm，坡度0.5%，設(shè)計(jì)充滿度0.48，設(shè)計(jì)流速1.78 m/s。

3.3 倒虹管管徑

倒虹管管徑比選是設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵步驟：管徑取值過(guò)大，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)流速偏小，不能滿足規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)流速要求，同時(shí)管徑過(guò)大會(huì)增加造價(jià)，不經(jīng)濟(jì)；管徑取值過(guò)小，導(dǎo)致設(shè)計(jì)流速增大，水頭損失增大，對(duì)進(jìn)、出水井的水面高差要求增大，同時(shí)根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2條：倒虹管的最小管徑宜為200 mm[2]。

因此，倒虹管管徑選擇應(yīng)在滿足規(guī)范要求情況下，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)管徑。

該工程采用2條倒虹管與河道正交通過(guò)，每條倒虹管設(shè)計(jì)流量為116L/s，倒虹管管材為污水用球磨鑄鐵管，查《常用資料)》[3]，各管徑在設(shè)計(jì)流量下水力坡度及設(shè)計(jì)流速如表1所示。

表1 水力計(jì)算表

表1中：倒虹管管徑為d500 mm時(shí)，設(shè)計(jì)流速0.59 m/s<0.9 m/s且0.59 m/s<1.25 m/s(進(jìn)水管設(shè)計(jì)流速)，不滿足規(guī)范要求。

倒虹管管徑為d400 mm時(shí)，設(shè)計(jì)流速0.92 m/s>0.9 m/s，但0.92 m/s<1.25m/s(進(jìn)水管設(shè)計(jì)流速)，不滿足規(guī)范要求。

倒虹管管徑為d300 mm時(shí)，設(shè)計(jì)流速1.64 m/s>0.9 m/s且1.64 m/s>1.25 m/s(進(jìn)水管設(shè)計(jì)流速)，滿足規(guī)范要求。

綜上，倒虹管管徑采用d300 mm，水力坡度0.0138。

3.4 進(jìn)、出水井內(nèi)污水流過(guò)閘門(mén)孔洞設(shè)計(jì)流速經(jīng)計(jì)算為0.41m/s

3.5 倒虹管及進(jìn)、出水井總阻力損失值

(1)倒虹管及進(jìn)、出水井總阻力損失值包含沿程阻力損失值hy和局部阻力損失值hj。

(2)沿程阻力損失值hy根據(jù)倒虹管長(zhǎng)度和水力坡度確定，經(jīng)計(jì)算為0.276 m。

(3)局部阻力損失值hj包含倒虹管內(nèi)的阻力損失值h2及進(jìn)、出水井內(nèi)閘門(mén)阻力損失值h3。

①倒虹管內(nèi)的阻力損失值h2：可采用局部水頭損失系數(shù)和百分?jǐn)?shù)法分別計(jì)算，取大者。

根據(jù)倒虹管進(jìn)、出口局部水頭損失系數(shù)計(jì)算：倒虹管進(jìn)口ζ1=0.5，倒虹管出口ζ2=1[1]。倒虹管內(nèi)的阻力損失值h2經(jīng)計(jì)算為0.206 m。

百分?jǐn)?shù)法估算倒虹管進(jìn)口、出口及彎頭的水頭損失：一般按管段阻力損失值的5%～10%考慮，當(dāng)?shù)购绻荛L(zhǎng)度大于60 m時(shí)，采用5%；小于60 m時(shí)，采用10%[1]。倒虹管內(nèi)的阻力損失值h2經(jīng)計(jì)算為0.0276 m<0.206 m。

因此，倒虹管內(nèi)的阻力損失值h2按0.206 m計(jì)。

②進(jìn)、出水井內(nèi)閘門(mén)阻力損失值。

d600 mm閘門(mén)進(jìn)口ζ3=0.5，d600 mm閘門(mén)出口ζ4=1[2]。進(jìn)、出水井內(nèi)閘門(mén)阻力損失值h3經(jīng)計(jì)算為0.026 m。

③綜上，局部阻力損失值hj為0.232 m。

(4)倒虹管及進(jìn)、出水井總阻力損失值h總經(jīng)計(jì)算為0.508 m。

3.6 進(jìn)、出水井的水面高差

根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第5冊(cè)城鎮(zhèn)排水)第1.5.6條：進(jìn)、出水井的水面高差應(yīng)稍大于倒虹管及進(jìn)、出水井總阻力損失值h總，可取0.05 m～0.1 m，設(shè)計(jì)取0.1 m[1]。

進(jìn)水井與出水井的水面高差取0.608 m。

4 結(jié)語(yǔ)

市政排水工程中，污水倒虹管運(yùn)用越來(lái)越廣泛，是污水管道系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)前期應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)管徑選擇進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)管徑，減少淤積可能，減輕后期清通維護(hù)工作量，并應(yīng)確保出水管的管內(nèi)底高程高于接入管的管內(nèi)底高程。此外，還應(yīng)征求當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)意見(jiàn)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦巍⒌刭|(zhì)、污水性質(zhì)等作適當(dāng)調(diào)整，做到理論聯(lián)系實(shí)際，確保排水系統(tǒng)順暢。