市政給中水管道設計優化分析

裴 濤，韓 靜，趙超仁

（1.唐山曹妃甸發展投資集團有限公司，河北 唐山 063200；2.建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京市 100007）

0 引 言

市政給排水工程質量的好壞直接影響到整個城市的發展狀況，對城市運作、道路建設、交通安全等多個方面都有著顯著的影響。市政道路給排水工程作為城市的基礎設施，對保證城市的基礎發展有著重要意義，人們對城市市政道路給排水工程有著更高的要求。目前多地區出現管道爆管現象，造成居民大面積停水、城市道路涌水及封路，嚴重影響居民的生活和出行。管道安全問題越來越被更多人重視。對于管道而言，除了要選擇滿足國家標準的合格產品外，最主要的是規范施工和設計。作為一名合格的設計人員，應該從技術根本上正確指導施工。

市政給排水管道由于材質、管道規模、管道埋深、所處地質層以及受到外部荷載（土體荷載、車輛荷載等）的不同而產生不同的極限承載力和彎曲變形。管道結構安全性高，可使管道的承載安全系數更高，管道的使用年限較長，可減少管道的破壞、維修及后續費用，從而達到節能、高效、安全的效果。

如何從設計角度在滿足規劃規范的條件下，使管道的承載力和變形達到規定要求的范圍，加強市政給排水工程技術研究，提高設計質量，改進設計技術，對市政給排水管道各個環節進行優化設計，實現市政給排水工程社會效益、環保效益和經濟效益最大化，是當前研究的重要課題。

1 市政給排水管道設計任務

市政給排水管道的設計是整個城市全面實現規劃設計的重要組成部分。在進行城市市政給排水系統設計過程中，主要設計內容有全面實現對城市內部給排水系統的范圍劃分、全面對整個給排水量的推測、科學合理地確定出整個城市的排水體制、根據城市實際人口等因素進行城市內部給排水系統布局，實現向各種不同類別的用戶供應滿足不同需求的水量和水質，同時承擔用戶排出廢水的收集、輸送和處理，達到消除廢水中污染物質對人體健康的危害和保護環境的目的。

給水管道系統承擔供水的輸送、分配、壓力調節和水量調節任務，起到保障用戶用水的作用；排水管道系統承擔污（廢）水收集、輸送、高程或壓力調節和水量調節任務，起到防止環境污染和防治洪澇災害的作用。城市市政給排水管道設計關系到人們的生活質量和城市發展。

2 管道設計要點

設計人員應結合項目的工程特點，根據前期規劃和相關規范資料，確定給水管道、中水管道的管材和管徑規模，必要時可進行管網平差計算校對。根據國家法律法規行業條文和相關綜合規范資料，對管道線位進行確定，并做好管道的平面布置工作。管道布置時，結合工程管道起終點及主干管和預留支管線位置，需要對后續工作的便利性進行充分考慮，同時還要做好給中水管道節點和附屬構筑物（管道平面和豎向彎頭、預留直線管處設置管道三通及管道盲板）的布置工作，確定管道的接口和基礎形式。結合管道的結構安全性和防凍要求，同時還要考慮與其他相交市政管道交叉相撞及工程造價的難題，繪制管道縱斷面圖，結合管道管徑、管道材質、管道埋設深度和管道所處工程地質層，使管道的結構達到標準要求。根據管道結構要求，設計管道溝槽回填斷面形式，確保設計成果能夠指導施工順利進行。

3 管道設計難點

自20世紀90年代以來，在市政給中水管道工程中，球墨鑄鐵管被廣泛應用，球墨鑄鐵管作為主要的市政給中水管道管材，其綜合性能良好。作用在管道結構上的影響力除了管道本身的重量、側向和豎向回填土的土壓力、地基的不均勻沉降等永久性作用外，還承受管道內的內水壓力、地面堆積荷載、地面車輛荷載和地下水浮力等可變作用力。這些作用力會超出管道的極限承載力范圍，會引起管道的豎向變形和抗彎變形，管道強度對管道安全作用不可低估。簡而言之，管道的管徑大小、埋設深度及管道的回填敷設基礎斷面不同，管道上的作用效應和材料性能也不同。但在實際工程中，由于局限性，設計圖紙中缺少關于球墨鑄鐵管管道的強度驗算，給后期施工帶來一定的困難，嚴重影響工程質量。

4 市政道路給中水管道設計優化

4.1 項目概況

某項目道路全長約9.3 km，配套進行給水、中水、雨水和污水管道設計，市政給排水管道總長度約35 km（見圖1）。其中，給水管道管徑為DN150～DN300，中水管道管徑為DN150～DN 300，給中水管道管材選用球墨鑄鐵管（K9級）,管道接口采用滑入式T形接口，橡膠圈壓縮率為34%～40%，管道平均埋深為1.06～5 m。根據地勘報告顯示，按地層巖性和過程特性劃分，管道埋深分布在人工堆積層和新進沉積層，管道基礎采用100～150 mm中粗砂墊層，管道回填及夯實（壓實度）要求參照《北京市給水排水管道工程施工技術規程》（DBJ 01-47—2000）的標準實施。

圖1 某項目中水管網規劃平面圖

該項目設計的給中水管道管徑不等，管道埋設深度豎向幅度相差較大，不同道路樁號段的球墨鑄鐵管管道位于不同的地質層，管道回填土的壓實度不同，土的類別不同，地勘報告提供的原狀土的標準貫入錘擊數不同，管道的強度不同。根據《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》（CECS 142—2002），不同情況的管道強度、管道承載能力極限狀態不同。

4.2 設計球墨鑄鐵管管道結構計算

（1）根據《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》（CECS 142—2002），對項目中的給中水球墨鑄鐵管管道進行結構計算。首先假設管道結構強度符合要求，以管道內徑DN150×6 mm、極限最深埋深5.5 m為例，按素土平基計算（土弧中心角20°），對管道極限承載力和變形進行驗算。已知參數條件如下：

設計管道內徑D=150 mm；

設計管道壁厚t=6 mm；

管外壁直徑D1=0.162 m；

管道計算直徑D0=0.156 m；

管道計算半徑r0=0.078 m；

管壁計算厚度t0=0.975t-1.5=4.35（mm）；

地面堆積荷載標準值qik=10 kN/mm2；

回填土的重度γrs=18 kN/m3；

回填土變形模量Ee=5 MPa；

管內水的重度γw=10 kN/m3；

球墨鑄鐵管重度γi=70.5 kN/m3；

球墨鑄鐵管彈性模量Ep=160 000 N/mm2；

球墨鑄鐵管抗拉強度設計值ftd=230 MPa；

變形滯后效應系數DL=1.5；

管道結構自重作用下鑄鐵管管壁截面的最大彎矩系數Kgm=0.202；

豎向土壓力作用下鑄鐵管管壁截面的最大彎矩系數Kvm=0.255；

管內水重作用下鑄鐵管管壁截面的最大彎矩系數Kwm=0.202；

豎向土壓力作用下柔性管的豎向變形系數Kb=0.109；

管道結構自重的分項系數rG1=1.2；

豎向土壓力的分項系數rG,sv=1.27；

管內水重的分項系數rGw=1.2；

管道設計內水壓力Fwd，k=1.0 MPa；

設計內水壓力、地面車輛荷載的分項系數rQ=1.4；

可變作用準永久值系數Ψc=0.9；

管壁單位長度橫截面的慣性矩IP=6.859 m3。

計算如下：

管頂豎向土壓力Fsv，k=15.6 kN/m；

管道內水重標準值Gwk=0.177 kN/m；

管道設計內水壓力Fwd，k=1.0 MPa；

管道結構自重標準值G1k=0.207 kN/m；

設計內水壓力作用下管壁截面上的拉力設計值N=ΨcrQFwd，kr0b0=98.28 kN；

管中心槽寬Br=0.825 m，Br/D1=5.09，Ee/En=1.67，根據《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》（CECS 142—2002）附錄 C 得系數 ζ=0.98；

綜合變形模量Ed=0.98×5=4.9（MPa）；

在荷載組合作用下管壁截面上的最大彎矩值M=441.93 N·m；

因162.72 MPa＜230 MPa，故該條件下的管道強度滿足要求。

得出結果：管徑DN150 mm的管道，埋設深度小于5.5 m時，管道敷設基礎均可選用素土平基實施（土弧中心角20°），施工時可忽略中心角，管道結構滿足規范要求。

（2）按照同樣的計算方法，計算管道內徑DN300×7.2 mm，極限最大埋深3.3 m時，強度值為

因227.33 MPa＜230 MPa，該假設值貼近極限要求值，強度滿足要求。

當埋深大于3.3 m時，因強度不滿足要求故將管道基礎選擇120°土弧基礎。該次設計DN300×7.2 mm管道最大埋深為5.0m，經計算得強度值為

因199.38 MPa＜230 MPa，故采用120°土弧基礎管道強度滿足要求。

得出結果：管徑DN300的球墨鑄鐵管，埋設深度小于3.3 m的管段可選用素土平基實施就可滿足管道強度；當埋深大于3.3 m的管段必須選用120°或150°土弧基礎實施時，管道結構方能滿足結構強度要求。參考如圖2所示。

圖2《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》（CECS 142—2002）中的附錄C

圓形柔性管道在各種荷載作用下，管截面上的最大彎矩系數和豎向變形系數可按表1確定。

表1 圓形柔性管道的最大彎矩系數和豎向變形系數

圖3 管道基礎斷面圖

同一個項目，不同管段的管道結構強度也不相同，須根據計算，針對管道的驗算結果，設計相應的管道基礎斷面形式，以滿足管道強度安全性要求。同樣，若管道管材選用鋼管以及排水管道時，也應根據相應的規范要求進行上述計算。對于不同項目，需要在最基本的設計基礎上根據項目特點及現場需要進行優化設計，管道的優化設計不僅可以提高設計水平，滿足施工需求，對管道的安全也有一定的基礎保證（見圖3）。

5 結 語

在市政給排水的設計工作中，依然存在諸多問題，影響到市政設計的合理性，同時對城市建設發展也會產生不良影響。所以市政給排水設計是城市建設發展中一項較為重要的工作，如果設計不合格就會造成其他相關的一系列不良影響，嚴重的還會威脅到人們的財產和人身安全。因此市政道路給排水設計相關部門應高度重視，結合實際不合理的問題采取合理科學的措施進行解決，不斷提高市政給排水設計工作質量，確保市政給排水工程順利高效的實施，使各項設計指標達標，為我國城市建設健康發展夯實基礎。