城區污水管道設計分析

金旺才 劉海茹

城市化進程不斷加深，在促進城市發展的同時，也在一定程度上導致城市的水污染問題越發嚴重。鑒于此，為了促進城市可持續發展，有必要針對城市內部污水管道設計理念進行分析和研究。

1.城區污水管道現狀分析

城區污水管道建設工作屬于我國市政工程的重點內容。隨著城市發展進程的逐步擴大，城市的污水管網復雜程度也在攀升，與給水管道不同，市政污水管道的綜合距離較長，且經常需要穿越城市的交通干線以及大型建筑物。此外，由于很多城市的排污管道使用年限較長，已經發生了一定程度的變形，甚至引起了路面塌陷。由此可見，一定要充分做好城市污水管道的結構設計工作。

2.城市污水管道設計需要重點關注的幾個方面

2.1 合理選擇污水管材

在針對城市排污管道進行設計的過程中，一定要重視管材的選擇。管材的材料性質、管道的用途、管道日常的工作環境和管道敷設方式、管道所處區域的地質水文條件有著非常重要的關系。鑒于此，在選擇施工管材的過程中，一定要結合上述條件做好管材的挑選工作。

如在針對城市排污管道進行挑選的過程中，由于污水排污管道的重力管壓力較低，可以采用金屬材質管材，在城市排污中，常用的管材有鋼管、球墨鑄鐵管。除此之外，也可以使用材料結構為混凝土形式的管材，如預應力混凝土管材、聚合物膠結混凝土管材。

此外，隨著科學技術的不斷發展，目前還有一些城市開始使用化學合成管材。不同類型的管材都有自身的優勢和缺點。以金屬管材為例，雖然金屬管材的制作加工工藝比較簡單，且非常適合應用在一些地形地質水文條件相對復雜的區域，但是由于污水具有較強腐蝕性，對金屬管材的腐蝕非常嚴重，針對金屬管材開展防腐工作具有一定的困難。

由此可見，為了盡量延長城市污水管道的使用壽命，應該盡量避免使用金屬管材。混凝土管道具有耐腐蝕、使用壽命長的優勢，但是由于混凝土管道的抗滲性能較差，不經過特殊處理很容易發生污水滲漏情況。和混凝土管材相比，合成材料污水管材具有水頭損失較低、造價低、防腐蝕性高且防滲透能力較好的優勢，非常適合在城市污水管道設計中廣泛應用。

2.2 做好管道結構分析工作

一般情況下，城市的排污管道都采用埋地安裝方式，在應用該方式的過程中，一定要結合施工區域的實際地質條件展開設計。施工人員需要根據基槽回填土密實度來對排污管道的結構進行確定。此外，為了確保管道結構的穩定性和強度，還應該針對管道的強度開展核算工作。同時，也要做好裂縫核算工作。在針對柔性管道結構進行設計的過程中，一定要充分做好管道環截面強度、環向穩定性、環截面變形控制計算工作。如果城市的地下水水位較高，還有可能產生污水管道埋設在地下水水位以下的情況，針對這一現象，除了做好管道防腐工作之外，還要針對管道的抗浮穩定性進行計算。通常，組合作用下金屬管道的最終豎向變形率應控制在3%以內，塑料管道的最終豎向變形率應控制在5%以內。在12h～24h 時內，金屬管道變形的裂變率不超過2%，塑料管道不超過3%。

2.3 采用合適的管道施工技術

在針對城市污水管道開展施工的過程中，不僅要考慮地下的地質結構，同時也要做好地面障礙物以及地表覆蓋物的綜合分析工作。就目前的城市污水管道施工情況來說，常用的管道施工方式有：（1）開挖施工；（2）頂管施工；（3）水平定向鉆。

在采用開挖施工技術的過程中，一定要充分保障施工場地周圍沒有障礙物后才可以進行開挖施工。開挖施工技術具有工程造價較低、施工周期短的優勢。在采用開挖技術的過程中，為了確?；又苓叺陌踩?，需要采取安全防護措施。

在采用頂管技術的過程中，由于該管道施工技術不需要進行開挖施工，需要施工人員在道路兩側放置工作井和接收井，然后再借助千斤頂進行頂進即可。鑒于此，在采用頂管施工的過程中，應該選擇借助封閉式工具頭進行施工，當施工距離較長的時候，還應增加中繼環接力頂進。

水平定向鉆也是一種非開挖施工技術，該技術需要借助水平定向鉆進行打孔，然后經過多級擴孔后進行管道敷設工作。此外，在擴孔的過程中，還要同步做好泥漿護壁工作，并利用水泥砂漿針對空隙進行填補。在城市污水管道施工技術中，水平定向鉆技術由于施工方式簡單、施工成本低受到施工單位的青睞。

2.4 做好管基及溝槽回填工作

如果城市的污水管道采用混凝土管，那么一定要做好管道溝槽回填工作。管道溝槽回填質量在一定程度上決定了管道的受力大小以及路基的穩定性。如果沒有做好管道溝槽回填工作，非常容易導致混凝土管道產生變形，從而導致地面沉降和塌陷。鑒于此，在針對管道溝槽進行回填的過程中，應該注意以下幾方面的問題。（1）要做好回填材料選擇工作，針對混凝土管道可以使用粘土、粉質粘土和砂礫進行分層回填。在針對金屬材質管道進行回填的過程中，在管道的基礎底層應該選擇中粗砂礫進行回填，在管道兩側應該選擇中粗砂、級配砂礫回填。（2）在進行回填的過程中，一定要注意施工力度，不能對管道壁造成損傷。（3）管道處于淤泥層中，由于地基作用力較弱，在回填時還要鋪設一層墊層。

3.工程案例分析

在本文中，選擇我國南方某地區的城市污水管道為例，該城市污水管道長度為6.4km，管徑在De300～De500，埋深1.0m～3.5m。在敷設該管道的過程中，不僅需要穿越城市道路，同時還要穿越河道駁岸擋墻及居民房屋。由此可見，該管道敷設難度和復雜性較強。由于該城處于我國長江中下游三角洲區域，地形結構為淤積平原，整體地勢比較平坦。根據勘察結果可知，該城市的土層按照時代和物理特征指標可以劃分為以下幾層：4 個工程地質層，6 個工程地質亞層。由于該區域的地形特征相對平坦，施工人員在敷設排污管道的過程中，采用開挖施工技術和牽引施工技術。針對開挖地段，選擇HDPE 纏繞結構壁管，針對牽引路段，使用PE100 實壁管。經過對管道的分析計算得出其力學性能如下：質量密度不小于0.93 g/cm3，彈性模量不小于758 MPa，抗拉強度不小于20.7 MPa，抗拉設計值不小于16.0 MPa，環剛度不小于10 kN/m2。除上述前四項要求外，PE 實壁管的環剛度滿足施工使用階段的荷載要求，最小不小于10 KN/m2，管材滿足拉回要求，拉應力不大于12 MPa。在粉砂、淤泥質粉質粘土層作為基礎持力層的情況下，當持力層為淤泥質粉砂粘土時，用厚度不小于300 mm 的碎石墊層替換。挖方管道管腔內、管頂以上500mm 內均采用級配砂礫摻料回填。

但是，經過現場試水分析后，發現該管段部分區域有一定的淤塞現象，造成地面沉降。施工人員經過分析后發現是因為施工方為了節約成本，擅自對管道材料進行了更換，且在施工的過程中沒有輔助做好支護措施和防水措施，沒有按照基坑回填要求做好基坑回填工作，從而導致施工完成后，上部土體對下部管道造成擾動，引發管道接口變形，從而導致路面沉降連續發生。經過返工設計后，上述現象消失，管道運行狀態和質量良好。

4.城市污水管道設計過程中的反思

結合工程案例可知，城市污水管道的埋深會直接影響管道的施工質量和總體的工程造價，通常，管道的埋深程度越高，其工程造價也就越高，從而增加了施工難度和施工周期。同時，管道埋深對管道直徑有著非常大的影響，如果埋深較大，其埋深造價會高出管徑造價好幾倍。同時，受到管道連接和埋設的影響，如城市污水管道埋深增加了半徑，則該管道下游的管道整體埋深都會有所增加。鑒于此，在城市污水管道的設計過程中，要盡量降低埋深。

此外，埋深程度還會影響管道的水流速度。影響管道埋深程度的決定因素為管道坡度，如果管道內水流速度降低，其水力半徑會增加。二者之間呈現反比例關系。為了合理控制管道的水流速度，應該合理選擇管道埋深。但是，在污水管道的約束條件中，除了對最小管徑的管底坡度要求外，還沒有對管底坡度作出具體規定，因此不能把管底坡度作為優選的決策變量。而對于設計流速卻存在明確的約束，在滿足設計流速約束條件的前提下，最小設計流速是優選設計參數的重要內容。

5.結束語

城市污水管道設計工作屬于市政工程的重點內容，鑒于此，可以通過優化管材、選擇合理的施工方式、做好管道溝槽回填工作等方式來提升城市排污管道質量。