市政給排水工程設計中主要技術(shù)環(huán)節(jié)的分析

王夢迪

中國市政工程華北設計研究總院有限公司青島分公司 山東 青島 266121

引言

市政給排水工程設計是一項復雜性活動，其流程煩瑣，涉及諸多專業(yè)，設計難度高，早期的市政給排水工程普遍存在設計過程把控不嚴的問題，給排水系統(tǒng)容易出現(xiàn)管道破裂、水質(zhì)污染、雨污混接等情況，既影響到用戶用水體驗，也存在質(zhì)量安全隱患。為此，通過深入研究給排水設計技術(shù)，并嚴格把控設計質(zhì)量，有利于推動市政給排水設計水平的提升。

1 市政給排水工程提高設計合理性的意義

1.1 水資源循環(huán)利用

早期部分市政給排水工程中，普遍采取雨污合流排水方式，使用同類管道來收集、排放生活污水與雨水，兩種水體接觸后相互污染，一同排放至污水處理廠內(nèi)進行凈化處理，處理后排放至城市周邊河流水域當中，或是用作道路沖洗、景觀綠化等中水用途。這一排水方式雖然可以通過減少管道數(shù)量來控制工程造價成本，但卻無法有效利用雨水的剩余使用價值，并在合流制管運行期間偶爾出現(xiàn)管內(nèi)沉淀、流速降低等問題，嚴重時造成管道堵塞、排水系統(tǒng)癱瘓。而對市政給排水設計過程的有效把控，以及對固有設計觀念的扭轉(zhuǎn)，設計人員將采取雨污分流等全新的輸排水方式，以此提高水資源實際利用率，實現(xiàn)水資源循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展目標，對緩解城市用水矛盾和提高工程綜合效益也具有積極的作用。

1.2 改善城市生態(tài)環(huán)境

市政給排水系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的一項重要基礎(chǔ)設施，給排水系統(tǒng)運行狀況與城市生態(tài)環(huán)境狀態(tài)保持緊密銜接關(guān)系，如果在系統(tǒng)運行期間出現(xiàn)污水上涌、污水管道破裂滲漏等質(zhì)量通病時，不但會限制系統(tǒng)使用功能的正常發(fā)揮，同時，還會對城市生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞，出現(xiàn)土壤污染、水環(huán)境污染等一系列問題。因此，設計人員必須遵循實際出發(fā)原則，根據(jù)工程現(xiàn)場情況明確設計思路，制定內(nèi)容完善且合理的給排水設計方案，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行，最大限度減小給排水系統(tǒng)對周邊城市生態(tài)環(huán)境造成的影響。例如，從管道埋深設計角度來看，提前調(diào)查工程所在地平均溫度與最低溫度，確定土層冰凍線，在冰凍線下方敷設給排水管道，避免給排水管道在冬季低溫條件下出現(xiàn)水體結(jié)冰、管道脹裂問題。

2 市政給排水工程設計中的主要技術(shù)環(huán)節(jié)

2.1 資料收集

考慮到市政給排水工程設計有著復雜性特征，涉及城市規(guī)劃、地下設施遷移等多個方面。因此，在設計工作開展前，設計人員需要持續(xù)收集相關(guān)工程資料，將資料進行匯總整理，并前往現(xiàn)場開展實地調(diào)查工作，根據(jù)已掌握資料信息來明確設計思路、設計要求與制定初步設計方案。例如，在管網(wǎng)規(guī)模設定環(huán)節(jié)，設計人員根據(jù)城市人口總量、各區(qū)域人居密度、往期給水量與排水量等信息，預測市政給排水系統(tǒng)投運使用期間的給水量與排水量，并在預測結(jié)果基礎(chǔ)上額外設置一定比例的冗余量，將最終結(jié)果作為設定管徑值的主要依據(jù)，以此來滿足未來一定年限的城市給水、排水需求。在管網(wǎng)布局設計環(huán)節(jié)，設計人員重點收集與分析給排水系統(tǒng)輻射范圍內(nèi)輸電線纜、通信光纖、燃氣管道等地下設施與建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分布情況，在不影響系統(tǒng)運行效果的前提下，盡量繞開此類地下設施來布置給排水管道，必要時將沿途遮擋設施向兩側(cè)遷移[1]。而在選擇排水泵站布置位置時，根據(jù)現(xiàn)場地形條件與布置形式而定，如在選擇平行布置形式時，盡量將泵站布置在地勢坡度較大地區(qū)，預防管道嚴重沖刷。而在選擇分區(qū)布置形式時，則在低洼部位布置排水泵站，通過泵站持續(xù)將低洼部位的管道水體抽送至高地，再憑借重力作用將污水快速流入污水處理廠內(nèi)。

2.2 選擇輸排水方式

首先，在輸水方式選擇環(huán)節(jié)，常用輸水方式包括重力輸水、加壓輸水兩種，不同輸水方式的適用條件、輸水效果與造價成本存在明顯差異，應根據(jù)現(xiàn)場條件、市政給水需要加以選擇。其中，重力輸水是在城區(qū)內(nèi)布置無壓管渠，通過調(diào)節(jié)各節(jié)段管道坡度值，利用重力作用引導水流快速流通，具有供水周期與流量穩(wěn)定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價成本低廉的優(yōu)勢，適用于現(xiàn)場存在明顯水位地勢高差的市政給排水工程，但要求地勢高差不得超過輸水管道水頭損失可承受范圍。加壓輸水是在城區(qū)內(nèi)布置承壓管道，利用壓力流來引導水體迅速流向用水用戶，并在沿途布置多座泵站來提供壓力，此項方式適用于水源地地形較低的市政給排水工程，因額外布置加壓泵站、對管道承壓性能提出嚴格要求，抬高了工程造價成本，還需要在系統(tǒng)中采取水錘防護措施。同時，為保證供水效果，設計人員還可以搭配采取兩種輸水方式，在具備自流條件區(qū)域內(nèi)選用重力輸水方式，在缺乏自流條件區(qū)域內(nèi)選用加壓輸水方式。

其次，在排水方式選擇環(huán)節(jié)，為提高水資源利用率、減輕污水處理負荷，設計人員應采取雨污分流體制，并根據(jù)工程造價控制目標來采取完全分流方式或不完全分流方式。其中，完全分流是在市政給排水體系中獨立布置雨水管道和污水管道，雨水管道通過各處雨水口來收集城市地面雨水、將雨水流入中水系統(tǒng)或是周邊河流水域當中，污水管道負責收集各處生活污水與工業(yè)廢水、將污水排入污水處理廠進行處理，該方法可以徹底解決雨污合流問題，但工程造價成本較為高昂。不完全分流是在市政道路兩側(cè)等少數(shù)區(qū)域新建雨水管道，通過道路雨水口、路邊排水邊溝來排凈路面積水，其具有造價成本低廉、適度補充原有渠道輸水能力的優(yōu)勢，但并未完全做到雨污分流，后續(xù)在城市發(fā)展期間需要進行進一步改造[2]。

2.3 管網(wǎng)分區(qū)

在管網(wǎng)分區(qū)環(huán)節(jié)，設計人員應重點掌握階層設定、分區(qū)邊界設定、進水點設定、方案優(yōu)化四方面的設計要點。第一，在管網(wǎng)階層設定方面，以供水、排水系統(tǒng)作為首個階層，根據(jù)給排水需求與工程建設要求來確定管網(wǎng)布置方案、管道材質(zhì)與管徑、管道坡度、管道埋深等設計參數(shù)，以保證供排水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，發(fā)揮供水與排水等基礎(chǔ)使用功能為主要目的。隨后，采取管網(wǎng)疊層設計手法，持續(xù)在管網(wǎng)中設計配套設施，以此來開發(fā)供水空壓、減漏和改壓等使用功能，具體設置加壓泵、配水泵與取水口等設施。第二，在分區(qū)邊界設定方面，綜合分析工程現(xiàn)場地形地貌、用戶種類、用水質(zhì)量要求、行政區(qū)界等因素，將市政給排水系統(tǒng)劃分為若干管網(wǎng)區(qū)域，明確各處管網(wǎng)區(qū)域的邊界位置，并制定面向各個管網(wǎng)區(qū)域的給排水設計方案。第三，在進水點設定方面，一般情況下采取單點進水方式即可，根據(jù)工程情況來控制各處進水點的水量和水壓值，以此來減少工程造價。而在現(xiàn)場環(huán)境較為復雜、對供水質(zhì)量提出嚴格要求時，則采取多點進水方式，在各處管網(wǎng)區(qū)域內(nèi)設置2處及以上的進水點，具體點數(shù)根據(jù)管網(wǎng)建設規(guī)模而定。第四，在方案優(yōu)化方面，設計人員使用BIM軟件搭建三維實景模型，通過實景模型來判斷設計成果是否達到工程建設要求，并使用軟件自帶工具開展功能性模擬試驗，分析市政管網(wǎng)在不同假定條件下的運行狀況、供排水質(zhì)量是否達標，從中發(fā)現(xiàn)問題，并及時修改方案內(nèi)容。

2.4 管道設計

在管道設計環(huán)節(jié)，設計人員應掌握管道選型、管徑設定、管道埋深設定、基礎(chǔ)選型四方面的設計要點。第一，在管道選型方面，常用管道種類包括混凝土管、鋼筋砼管、PVC管等，綜合分析管道運行環(huán)境、承壓要求、排水要求、使用年限等因素來確定管道材質(zhì)，正常情況下選用使用年限在50a及以上的PVC-U管或是PE管即可，在管道使用性能要求較為嚴格時，則使用玻璃鋼夾砂管、玻璃纖維筋混凝管等新型管材。第二，在管徑設定方面，設計人員將管路壓力、流量、流速等信息導入計算公式中，計算結(jié)果即為最佳管徑值，一般情況下把給水主管管徑設定為DN200、排水主管管徑設定為DN400即可。第三，在管道埋設設定方面，要求管道埋深值略大于工程所在地的土層冰凍線，如果在市政道路下方埋設給排水管道，還要求人行道下管道埋深值不小于0.6m、車行道下管道埋深值不小于0.7m。第四，在基礎(chǔ)選型方面，根據(jù)管網(wǎng)區(qū)段劃分情況、工程現(xiàn)場地質(zhì)條件與氣候條件來選擇基礎(chǔ)型式。以排水系統(tǒng)為例，在管道接口部位選用混凝土枕基型式，使用強度等級在C10以上的混凝土現(xiàn)澆枕狀墊塊，也可用于干燥土壤環(huán)境中的污水支管、雨水管道基礎(chǔ)[3]。

2.5 附屬設施設計

為保證市政給排水系統(tǒng)長時間保持穩(wěn)定運行工況，各項使用功能均得到充分發(fā)揮，設計人員應在管網(wǎng)中布置檢查井、雨水口、倒虹管、出水口、提升泵站等若干附屬設施，明確掌握各類設施的設計方法及要點。例如，對于檢查井，根據(jù)使用功能劃分為接入井、交匯井等種類，在排水管道沿線每隔200m布置一處接入井、將其作為排水支管與市政道路兩側(cè)污水管接入點，在排水進水支管和交叉管道連接部位設置鋼筋混凝土材質(zhì)的交匯井、起到將各類管道接入污水干管的作用，在污水管道拐彎以及管徑改變等特殊部位設置清通井、起到雙向清通管道等多重作用[4]。而對于雨水口，設計人員優(yōu)先在道路交叉、道路兩側(cè)低洼部位中設置雨水口，把雨水口和直線道路間距控制在25～50m區(qū)間內(nèi)，在重力作用下，控制道路路面與兩側(cè)地面雨水迅速排入雨水口內(nèi)、進入雨水管道。

2.6 節(jié)能設計

為減少市政給排水系統(tǒng)的總體使用成本，以此來減輕政府財政負擔、踐行可持續(xù)發(fā)展理念，設計人員需要樹立節(jié)能環(huán)保意識，在初步設計方案基礎(chǔ)上，對給水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)進行節(jié)能改造。第一，在給水系統(tǒng)節(jié)能改造環(huán)節(jié)，樹立經(jīng)濟流速控制意識，根據(jù)工程情況來計算最佳流速，一般情況下，需要把供水管流速值控制在0.6m/s～1.1m/s區(qū)間內(nèi)，并選用粗糙度較低的供水管道，如HDPE與PCPC等塑料管道。同時，在給水管網(wǎng)中設置新型節(jié)能減壓閥裝置，禁止對分區(qū)減壓閥采取串聯(lián)設置形式，并在減壓閥周邊一定范圍內(nèi)不得設置旁通閥。第二，在雨水系統(tǒng)節(jié)能改造環(huán)節(jié)，遵循就近排放原則，將市政道路等區(qū)域收集的雨水通過雨水管直接排放至周邊河道中，通過縮短雨水管道敷設距離來節(jié)省造價成本。第三，在排水系統(tǒng)節(jié)能改造環(huán)節(jié)，合理計算污水管道最小覆土厚度，在連通管內(nèi)設置閘槽，將排水管網(wǎng)布置為環(huán)狀，并計算排水管道最佳坡度，以此來改善排水狀況，利用重力作用來提高排水流速[5]。

2.7 圖紙審核與設計交底

待市政給排水設計方案制定完畢后，設計人員按照規(guī)定要求來繪制管網(wǎng)平面圖、剖面圖等各類施工設計圖紙，將施工圖比例控制在1∶500或是1∶1000，在圖紙中詳細標注管道坡度、管徑與埋深值等設計參數(shù)。隨后，開展圖紙會審工作，檢查施工設計圖紙是否存在編號錯誤、線條符號錯誤使用、圖紙種類不全、圖紙內(nèi)容錯漏遺缺等問題，將所發(fā)現(xiàn)問題匯總整理，交由設計人員修改圖紙，避免因圖紙繪制錯誤而在后續(xù)出現(xiàn)返工、設計變更等問題。此外，為保證市政給排水設計方案得到貫徹實施，需要增強工程設計與工程施工活動的聯(lián)系。在正式開工前，組織開展設計交底工作，以施工圖紙、設計文件等作為交底憑證，幫助施工人員領(lǐng)會工程設計意圖。

3 結(jié)束語

綜上所述，給排水設計是市政給排水工程建設體系的重要組成部分，設計方案決定了工程的建設質(zhì)量與投運使用效果。因此，工程參建單位都應提高對市政給排水工程設計的重視程度，明確設計期間的主要技術(shù)環(huán)節(jié)，全面掌握給排水設計要點，做到對全部設計環(huán)節(jié)的嚴格把控，以此建設高規(guī)格市政給排水工程，為工程建設質(zhì)量提供有力設計保障。