黃浦江倒虹管工程設計

曹晶

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海200092）

1 工程概況

1.1 系統簡介

上海市污水治理二期工程總的服務面積為271.7 km2，總的服務人口為355.76萬人。它的工程范圍包括：浦西徐匯、盧灣的6個排水系統的截流設施、截流管道、黃浦江倒虹管（即龍華機場過江管）；浦東地區趙家溝以南的陸家嘴、洋涇、花木等13個地區和新區城鎮的污水總管、中途泵站、出口泵站及排放口等。另外，工程還接納龍華機場地區3萬m3/d的生活污水；浦西黃浦江上游吳涇、閔行等地區約70萬m3/d的污水。

黃浦江倒虹管工程是連接浦西截流系統和浦東污水總管的重要樞紐性工程。浦西截流收集系統主要是通過浦西1#和2#污水截流總管，以及浦西總線來接納盧灣、徐匯區6個合流制排水系統的污水及初期雨水，并與龍華機場的污水匯合后自黃浦江龍華機場處過江，通過浦東南線SA泵站的提升接入浦東南線污水總管，再沿耀華支路、濟陽路南下至外環線與南支線（即浦西吳涇、閔行等地區的污水）匯合，隨后沿外環線向南，通過建平路連通管往北進入浦東中線總管，沿中線總管向東至白龍港污水處理廠與原南干線污水合并處理后，排入長江。

1.2 工程內容

黃浦江倒虹管工程中浦西倒虹井位于上海市燃料公司碼頭南側，浦東倒虹井位于耀華支路西側，浦東南線SA泵站內。倒虹管位于規劃預留的規劃管廊內。

黃浦江倒虹管工程是由浦西、浦東兩座內凈直徑為14 m的倒虹井和其間二根直徑為2 200 mm、單根管長為610 m的黃浦江過江倒虹管組成。浦西倒虹井同浦西總線格柵井緊鄰，浦東倒虹井與SA泵站前池相連。

黃浦江倒虹管在雨天最大流量（即設計流量）時為滿管流。在設計流量Q=18.43 m3/s時的黃浦江倒虹管的水頭損失約為2.10 m。

2 工程規模

2.1 規劃年限

工程的規劃年限為2020年，并適當考慮2050年的發展狀況。

2.2 設計參數

黃浦江倒虹管主要是收集浦西的合流污水過江通過浦東南線SA泵站的提升接入浦東南線污水總管。由于浦西徐匯、盧灣二區內的6個排水系統均為合流制，因此該工程采用的是截流旱季污水和初期雨水的收集方式。

（1）浦西合流制系統的截流倍數：對直接排入黃浦江的合流制系統，截流倍數采用1.5，排入其它支流的合流制系統，截流倍數采用3.0。

（2）最小旱流污水量：按平均旱流污水量的60%計。

（3）近期平均旱流污水量：浦西地區按規劃污水量的70%計，不考慮截流量。

2.3 計算公式

2.3.1平均旱流污水量

QADWF=(1+f)Q1＋Q2＋Q3

式中：F——三產污水增加系數；

Q1——生活污水量；Q2——工業廢水量；

Q3——地下水滲入量。

2.3.2設計水量

（1）合流制系統：

Q合＝(n+1)[(1+f)Q1＋Q2]＋Q3式中：N——截流倍數。（2）分流制系統：Q分＝KQADWF

式中：K——總變化系數。

（3）總管設計水量：

Q=Q合+Q分=(n+1)[(1+f)Q1+Q2]+Q3+KQADWF

2.4 設計規模

設計水量（即雨季合流污水量）：Q=18.43 m3/s平均旱流污水量（遠期）：Q=6.10 m3/s平均旱流污水量（近期）：Q=3.75 m3/s浦西截流總管的設計運行模式詳見表1所列。

表1 各運行工況表

3 工程設計

倒虹管是管道工程通過河道、谷地、旱洞或地下構筑物等障礙物時的一種特殊的構筑物。設計倒虹管時應保證安全、水流暢通，防止管道堵塞[1]。

根據倒虹管與上、下游管道的高程位置可分為“上倒虹”和“下倒虹”[2]；根據倒虹管的系統外觀形式可分為“元寶式”和“扁擔式”；倒虹管的施工工藝有開挖、沉管、頂管、盾構、拖拉等多種方法。

工程設計中對倒虹管的敷設位置，敷設數量，管材、管徑及敷設長度、深度、斜管角度以及倒虹管的管內流速，進、出水井，沉泥槽，事故排出口和運行、養護、維修等均有較明確的規定。

上海市污水治理二期黃浦江倒虹管工程是屬于特大型的合流污水管道工程。

3.1 系統定位

根據規劃定位（屬城市絕對坐標系統），規劃管線走廊浦西端的定位坐標為：（X=-6 458.259，Y=-956.504）；浦東端的定位坐標為：（X=-6 557.800，Y=-325.500）。規劃管線走廊寬度為過江管道中心線各向兩側外延10 m。總寬度為20 m。

確定和控制黃浦江倒虹管管線走廊的作用是：

（1）保證黃浦江過江倒虹管的安全施工、運行和養護、管理；

（2）有效控制黃浦江過江倒虹管兩端的岸線功能；

（3）避免黃浦江過江倒虹管在施工期間對管線走廊范圍以外事物的不利影響。

3.2 倒虹管型式的選擇

黃浦江倒虹管前的浦西截流總管旱季為重力流，在雨天最大流量（即設計流量）時為滿管流。倒虹管過黃浦江只能采用下倒虹型式。由于倒虹管過黃浦江須穿越沿江碼頭和駁岸，其下部樁基較深，只能采用垂直“扁擔式”的倒虹管過江方式。

3.3 倒虹管的管徑和數量

3.3.1倒虹管的管徑

設計規范對倒虹管內自清流速（大于0.90 m/s）和沖洗流速（不小于1.20 m/s）的規定主要是防止管內泥沙等雜質垃圾的淤積[2]。由于浦西收集系統是截流原合流制排水系統中的旱流污水和初期雨水，因此平均旱流污水量，特別是近期旱流污水量遠小于設計水量（雨季流量），為保證黃浦江倒虹管在旱流和合流截流的情況下均能正常運行，設計中2根Ф2 700 mm的倒虹井進水管縮小至2根Ф2 200 mm的黃浦江過江倒虹管，其倒虹管有效過水斷面縮小了33.6%，在相同運行工況下，使倒虹管內流速提高了50.6%。

3.3.2倒虹管的數量

該工程設置2根Ф2 200 mm黃浦江倒虹管有以下兩個作用：

（1）鑒于合流制截流系統中旱流污水量和設計合流截流污水量的數值差異較大，為保證黃浦江倒虹管在旱流和合流截流的情況下均能正常運行，設計中設置2根倒虹管，分別使用于旱流和合流截流兩種情況，以保證倒虹管內有較好的水力狀況。當旱流時，運行其中1根倒虹管，且定期輪換使用，互為備用；當合流截流時，則2根倒虹管一起運行。

（2）保證黃浦江倒虹管的運行、管理、維修和養護。當1根倒虹管需要維修、清洗和養護時，另1根倒虹管在提高水壓線后，在對上游管道正常工作影響不大的前提下，仍能超負荷正常運行。

3.3.3倒虹管的設計運行工況

黃浦江倒虹管在不同的情況下其設計運行工況是不同的，具體詳見表2所列。

表2 黃浦江倒虹管流速計算表

3.4 倒虹管的高程設計

黃浦江倒虹管的埋設深度主要決定于以下兩個方面：

（1）倒虹管過黃浦江穿越沿江碼頭和駁岸時其下面的地下樁基深度；

（2）倒虹管過黃浦江時該斷面的現狀河床和規劃河床深度。

3.4.1地下樁基

龍華機場黃浦江倒虹管過江斷面兩岸分別為上海電力燃料公司碼頭和上海港船鉑修造廠浮碼頭，經過資料收集和調查研究獲悉：電力燃料公司碼頭的板樁基礎深度小于-15.0m（絕對標高，屬吳淞高程）；船鉑修造廠浮碼頭為重錘式基礎，基礎深度較淺。

3.4.2河床斷面

經實地測量資料獲悉，倒虹管過黃浦江時該斷面的現狀河床底最深深度約為-10.5 m。黃浦江下游河道為規劃疏浚河道，因此規劃河床深度要大于現狀河床深度。因為龍華機場黃浦江倒虹管過江處的河床位置不屬于規劃疏浚河道，且該處的河流沖刷和淤積情況一般，所以該處的規劃河床深度與現狀河床深度相近。

3.4.3高程計算

根據有關的水文和航道要求，以河床斷面深度作為控制因素進行設計計算：

式中：H——黃浦江倒虹管埋設深度，m；H0——實地測量的倒虹管過江斷面河床底

的最大深度，m；

H1——河床底淤泥層厚度，m，（該項設計根據實際情況選取H1=2 m）；H2——管線覆土層保護厚度，m，（根據“室外

排水設計規范”規定：倒虹管的管頂距規劃河底一般不宜小于0.5 m。上海航道局要求：一般根據黃浦江的河段水位基面、水深變化、現狀及發展規劃等因素，管線上覆土層厚度須保證在3 m以上，來滿足通航標準和技術要求。該項設計考慮到超重貨輪和客輪的重錨沖擊，選取H2=5 m）D1——倒虹管內凈尺寸，m，（該項設計為D1=2.2 m）D2——倒虹管壁厚尺寸，m，（該項設計為

D2=0.22 m）。

對計算結果進行取整得：黃浦江過江倒虹管的埋設深度為絕對標高-20 m（吳淞高程）。

對計算結果進行校核，H=-20 m大于最深的樁基深度-15.0 m（即H=-17.42 m）；H=-20 m大于交通部上海海上安全監督局規定的兩根污水管穿越黃浦江部分的管頂標高應控制在-15.5 m（即H=-17.92 m）以下的要求。

最終確定黃浦江過江倒虹管的埋設深度為絕對標高-20 m（吳淞高程）。

3.4.4 倒虹管坡度

黃浦江倒虹管的高程設計中，浦西倒虹井處的倒虹管內底標高為-20.0 m，浦東倒虹井處的倒虹管內底標高為-20.4 m，過江倒虹管以0.66%的下降坡度由浦西坡向浦東。設置坡度的作用主要有：（1）便于施工排水；（2）便于養護清砂。

3.5 倒虹井的設計

3.5.1倒虹井的結構設計

浦西和浦東黃浦江倒虹井均采用內徑為Ф14.0 m的圓形鋼筋混凝土沉井，沉井內底標高均為-21.30 m，刃腳底面標高均為-26.30 m。浦西倒虹井井頂標高為2.50 m，原地面標高為4.80 m；浦東倒虹井井頂標高為4.00 m，原地面標高為6.80 m。兩座沉井均采用水力機械下沉，水下封底，井內豎向排管結束后，部分素土回填。

浦西和浦東黃浦江倒虹井均采用外階梯式沉井井壁，其作用在于：（1）便于在沉井施工時減小下沉的摩阻力；（2）通過節省工程量來節約工程投資。

3.5.2倒虹井中流槽和豎向管的設置

浦西和浦東黃浦江倒虹井中均設置了流槽、豎向導流管，以及轉向為90°的彎頭，并且其周圍至標高為-2.49 m的中間平臺間均用素土回填。工程設計的這種考慮主要有以下優點：（1）減小倒虹管系統的局部水頭損失；（2）防止倒虹井中泥砂的沉積；（3）增加井內壓重，解決沉井的抗浮問題；（4）便于倒虹井內中間平臺的設置。有利于養護和管理。

3.6 倒虹井的水力計算

3.6.1設計參數

浦西倒虹井的2根Ф2 700 mm的進水管管內底標高為-6.44 m，2根Ф2 200 mm的出水倒虹管管內底標高為-20.00 m；浦東倒虹管的2根Ф2 200 mm的進水倒虹管管內底標高為-20.40 m，2根Ф2 700 mm的出水管管內底標高為-8.54 m。倒虹井內的導流管由2個轉彎半徑為3 500mm的90°彎頭和1根Ф2200mm的豎向直管組成，單根黃浦江過江倒虹管設計長度為610m。

3.6.2計算公式

倒虹管工程系統水頭損失H：H=H1＋H2＋H3

式中：H——倒虹管全部水頭損失，m；

H1——倒虹管沿程水頭損失，m；H2——倒虹管局部水頭損失，m；H3——倒虹管安全水頭損失，m。

3.6.3 局部水頭損失H2的組成（見表3）

表3 倒虹管局部水頭損失H2的組成表

3.6.4 倒虹管各水力運行工況（見表4）

表4 黃浦江倒虹管各水力運行工況表

3.6.5 幾點說明

水平90°轉彎和垂直90°轉彎的局部阻力系數是不同的，而且差異還相當大。例如：當轉彎半徑R與管道直徑d的比值為1.0時，垂直90°彎管局部阻力系數ξ1=0.294，而水平90°彎管局部阻力系數ξ2=0.80，ξ1/ξ2=1/2.72。

黃浦江倒虹管系統的水頭損失以管段的沿程水頭損失為主。

3.7 倒虹管施工工藝

該工程采用頂管施工工藝，頂管是地下管道不開槽施工方法中的一種，具有安全、可靠、規范和快捷等優點。

3.7.1頂管間距的確定

經過對現行的施工技術、施工設備、施工經驗等多方面的調查和研究，最終確定：2根直徑為Ф2 200 mm平行的過江倒虹頂管以及倒虹井的二根進、出水管管中心線間距離為5.0 m。這些指標均明顯小于一般的頂管施工的常規參數（間距d=（2～3）D）。

減小雙頂管之間的管間距，主要有兩個優點：

（1）大大減小頂管倒虹井的平面凈尺寸，節省工程投資；

（2）擴大雙頂管外延至管線走廊邊界的距離，減小管線走廊內外區域間的影響和干擾。

3.7.2該工程頂管施工的特點

（1）頂管管道的內徑尺寸為D=2 200 mm＞1 800 mm，屬于大口徑管道頂管工程；

（2）頂管管道單向一次頂進長度為L=610 m（300 m＜L＜1 000 m），屬于長距離頂管，需設置中繼環；

（3）頂管軸線在豎向有一0.66%的傾斜坡度；

（4）采用鋼筋混凝土頂管，該工程特殊的內壓、外壓和防腐要求須采用特殊的頂管管節和管接口設計；

（5）頂管間距遠小于規范值，對頂管施工的難度要求相當高。

3.8 倒虹管節點工程

3.8.1系統透氣問題

特大型、大型工程必須進行系統透氣設計。從實際運行管理上來看，一些未考慮透氣設計的管道系統已經出現了“氣塞”、“跳井蓋”等的工程事故。

黃浦江倒虹管工程由于浦西倒虹井緊鄰浦西總線格柵井，浦東倒虹井與浦東SA泵站主泵房前池相連，格柵井和前池均是敞開面積較大的構筑物，可以通過構筑物進行透氣。設計自查優化后，為更好地解決倒虹管系統的瞬間補氣和疏氣問題，又在浦西和浦東倒虹井井頂上加設了透氣裝置。

3.8.2閘門設置問題

倒虹管系統中閘門的設置主要是考慮用于運行管理中各運行工況的切換操作和倒虹管的養護清通。用于黃浦江倒虹管系統中的操作閘門主要設置于浦西總線格柵井和浦東SA泵站主泵房前池中。

3.8.3 泥砂沉積問題

由于黃浦江倒虹管系統中管道內的流速一般均大于1.0 m/s，設計流量時流速達到2.43 m/s，因此泥砂沉積問題不會太嚴重。即使系統中有泥砂沉積，產生一定的淤積，一是可以通過閘門的切換操作和水力清通設施對倒虹管進行沖洗，二是系統在較高的自清流速下也會達到淤積和沖刷的動態平衡[4]。

3.8.4事故應急排放問題

上海市環保和環衛部門不允許在黃浦江龍華機場段設置事故排放口。該項工程設計中對黃浦江倒虹管事故排放問題的設計考慮主要有：

（1）由于浦西污水收集系統是對排水系統中的合流污水進行截流，因此可以通過各節點的截流井和截流泵站的運行控制對事故情況進行各節點岔道分流。

（2）設置2根Ф2 200 mm過江倒虹管進行互為備用，以應付事故工況。

3.9 工程方案的審查

黃浦江倒虹管工程設計方案的報審主要涉及上海市規劃局、上海航道局、上海港務局和交通部上海海上安全監督局等主管單位和部門，具體各主管職能部門的審查內容為：

（1）上海市規劃局——控制規劃用地，確定黃浦江倒虹管及其附屬物的定線和定位；

（2）上海航道局——控制過江管高程，保證黃浦江的通航標準和技術要求；

（3）上海港務局——控制過江管岸線，確定過江管廊外緣，保證過江管運行使用的安全；

（4）交通部上海市海上安全監督局——對黃浦江倒虹管工程的安全實施、安全運行起監督作用。

4 運行管理

（1）正常運行分兩種情況，當流量大于設計流量的一半時（大于9.22 m3/s），浦西總線格柵井中的四臺2 000 mm×2 000 mm方閘門和浦東南線SA泵站泵房前池的二臺φ2 700圓閘門均保持開啟狀態，二根倒虹管全負荷運行；當流量小于、等于設計流量的一半時(Q≤9.22 m3/s)，一根倒虹管切換運行以保證管中流速均不低于0.9 m3/s，便于養護和管理，相應的通過對相關閘門的啟閉來達到設計和運行的目的和要求。

（2）在浦西總線格柵井和浦東SA泵站前池裝有液位計，并有顯示儀表，定期觀察和監查水位，判斷倒虹管中淤積情況，以便及時采取處理措施。根據水力計算與運行情況，編制倒虹管在各流量時兩井內水頭損失差的關系表。當發現倒虹管或倒虹井內有淤積，在采用水力沖洗仍達不到要求時，必須停水檢查，但務必注意安全。

（3）管道切忌流量猛增或突減，以免產生負壓、水錘等現象而引起損壞。

（4）倒虹管岸邊軸線兩側（Z+R）（注：Z－管道中心埋深，R－管道外半徑）范圍內，不得進行有礙于管道安全的一切工程活動，如降水、基坑開挖、打樁等。

（5）管道在黃浦江中的位置應予以標明，禁止一切有損管道安全的工程活動（如：開挖溝槽、打樁等）及船只拋錨。

5 結語

（1）上海市污水治理二期工程是特大型的合流污水跨區域長距離輸送外排工程，而黃浦江倒虹管工程又是其中重要的節點和樞紐工程。黃浦江倒虹管工程的實施、貫通和運行，使污水治理二期工程浦西和浦東兩大區域有機地聯系在一起，徹底解決了徐匯、盧灣兩區6個排水系統合流污水的外排問題，有效地改善了中心城區的水環境質量。因此，黃浦江倒虹管工程的建設是十分必要的。

（2）特大型倒虹管工程設計方案中最重要的是工程安全性的設計。工程安全性設計的主要內容包括系統定位、倒虹管的管徑與數量、倒虹管的埋深、系統水力計算、施工方案、系統運行、應急預案等。該項工程設計在較好地解決了工程安全性問題的同時，還對黃浦江倒虹管的系統透氣、泥砂沉積、事故排放和安全節能等問題采取了相應的技術對策和工程措施。

（3）黃浦江倒虹管工程十分重視工程的平衡設計，平衡設計主要體現在對工程系統設計和節點設計的平衡；對工程設計、工程施工和運行管理的平衡；對排水工藝和土建結構設計的平衡等諸多方面。該項工程設計不僅充分考慮了技術的可靠性，還十分重視經濟的合理性，根據該工程既有的建設條件，因地制宜，統籌兼顧，突出重點，工程設計方案充分體現了其合理性、針對性、全面性、先進性和前瞻性。

（4）上海市污水治理二期工程黃浦江倒虹管工程建成至今，運行安全、穩定、可靠。

[1]給水排水設計手冊.城鎮排水 (第2版)[M]北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2]GB50014-2006,室外排水設計規范[S].

[3]孫慧修.排水工程 上冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[4]陳祖軍,韋鶴平.黃浦江大型排污倒虹管防淤的建議措施[J].中國給水排水.2001，17(01):57-60.