長距離高落差有壓重力流廢水管道設計

楊 艷，樊 旭

(山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

1 工程概況

某化工廠的生產污水經廠內污水處理站處理后，廢水水質達到地表水環境質量Ⅴ類標準。廢水排放規模為360 m3/h。

出廠后的生產廢水沿稷山縣城，由北向南采用封閉式管道自流排入汾河，全長10.247 km，最大落差125 m。

2 工程設計

2.1 管道敷設路線

該化工廠位于稷山縣西社新型煤化工循環經濟工業園區內，該廠污水出口位于廠區東南側，振西大街北側。根據現場踏勘，本次設計的廢水管敷設路線總體地形為西高東低，北高南低。污水管道先沿振西大街綠化帶向東鋪設0.803 m，至振西大街與興稷大道路口處，再向南沿興稷大道、運稷路西側農田鋪設5.367 km，然后向東穿過運稷路鋪設0.28 km，再向南沿西社河西岸鋪設3.399 km，穿汾河北岸大壩進入汾河灘地，再沿灘地鋪設0.398 km接入汾河主河槽，規劃管道全長10.247 km。管道走向圖見圖1。

2.2 工程總布置

污水管道沿興稷大道和運稷線鋪設，管道鋪設總長10.247 km，進出口地形高差125 m，管道進口處設置進水池1座，設計容積為32 m2，出口處設置八字出口1座，在管道突起處設置進排氣閥，低洼處設置泄水閥，轉彎處設置鎮墩，管道沿線共布置進排氣閥井12座，泄水閥井8座，減壓閥井2座，鎮墩15個。

圖1 給排水管道總平面布置圖

2.3 排污管線的設計

本次設計排污管線采用明挖施工，在穿越道路及建筑物密集區采用水平定向轉施工。

2.3.1 管道的水力計算

本項目廢水排放規模為360 m3/h。

2.3.1.1 管徑計算

管徑選擇直接關系到工程投資與運行管理費用，因此合理選擇管徑是管道系統設計的重要環節，管徑計算公式如式(1)。

(1)

式中，D為管內徑，mm；Q為流量，m3/h；V為流速，m/s。

根據地形高差、管道流量及管道水頭損失計算綜合確定管徑。

2.3.1.2 管道壓力計算

管道的沿程水頭損失按式(2)計算。

(2)

式中，hf為沿程水頭損失，m；f為沿程水頭損失摩擦系數；Q為管道設計流量，m3/h；m為流量指數；d為管道內徑，mm；b為管徑指數；L為管道長度，m。

管道水頭損失包括沿程和局部水頭損失，其中沿程水頭損失按式(2)計算，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計。

2.3.1.3 各段管道水力計算見表1。

表1 管道的水力計算表

經計算可知，即滿足正常水量及最大水量,K0+000～K4+500段的管徑為De315,K4+500～K5+800段的管徑為De315，K5+800～K10+247段的管徑為De355。本次直埋管道壓力選用0.6MPa，定向鉆管道壓力選用1.0MPa。

2.3.2 管材的選擇

輸水管道材質的選擇，應根據管徑、內壓、外部荷載和管道敷設地區的地形、地質等，按運行安全、耐久、減少漏損、施工和維護方便等原則，進行技術、經濟、安全等綜合分析確定。

由于輸水管道為有壓管道，考慮到本工程地形復雜、落差大，本次管材選擇考慮了鋼管(TPEP)、球墨鑄鐵管(DIP)、預應力鋼筋混凝土管、給水用聚乙烯管(PE)共四種管材，其管材性能比較見表2。

表2 管材性能比較表

從材料對比表中可以看出，預應力鋼筋砼管糙率大、抗腐蝕能力差、抗地基沉陷性差，使用10年后保護層易脫落、安全性低，本次不推薦使用；TPEP鋼管、球墨鑄鐵管和PE管均能滿足該工程要求，球磨鑄鐵管為柔性接頭，抗地基沉陷性能力一般，價格較高，TPEP鋼管價格適中，但是施工線路中多處需采用水平定向轉施工，TPEP鋼管外防腐易損壞，PE管價格最低，而且糙率小，抗地基沉陷性強，抗腐蝕性能強，接頭采用熱熔連接施工簡單，因此結合本工程高差大、地形復雜、地基非自重濕陷性等情況，本次推薦采用PE管[1-3]。

2.3.3 管道的縱橫斷面設計

2.3.3.1 縱斷面設計

管道縱斷設計既要考慮地形條件，又要考慮管道埋置深度，允許借轉角度，管件設置條件等有關因素，本次管線設計遵循以下原則[4-5]：

1) 該區最大凍土深為0.57 m，管頂應在凍土線以下，同時不影響耕作，穿耕地的管道設計管頂覆土深度不小于2.0 m，沿道路綠化帶敷設時，管頂覆土不小于1.0 m。

2) 排氣閥安裝在管線的隆起部位，為了排除管線投產時或檢修后通水時管線內的空氣，平時用以排除從水中釋出的氣體，以免空氣在管中，減小過水斷面，增大水頭損失。

3) 在管線的最低點須安裝泄水閥，用以排除管道中的沉淀物以及檢修時放空水管內的存水[6]。

4) 在管道接口、三通及10°以上的彎道上設支墩，支墩做法參考給排水標準圖集10S505。

5) PE管道在穿越鐵路、高速路等主要道路時應設套管，套管采用焊接鋼管SY/T5037-2017。De315套管管徑為DN400,De355套管管徑為DN450，壓力等級為PN1.0 MPa。套管兩端采用防水材料封閉，防腐等級為加強級防腐。

2.3.3.2 橫斷面設計

該段壓力管路為單管線，根據規范要求，De355管道管溝底寬1.0 m，兩側以1:0.5邊坡開挖，個別段挖深大于3 m時，兩側留寬0.5 m馬道，馬道以上仍按1:0.5坡度開挖。樁號0+000～7+012段基礎為非自重濕陷性黃土，基礎采用0.3 m厚3:7灰土墊層，樁號7+012～10+247段管道基礎位于地下水位以下，基礎自上而下依次采用0.1 m粗砂墊層，0.2 m厚砂礫石墊層，0.3 m厚干砸片石墊層。

2.4 管道附屬建筑物設計

本次設計共布置建筑物38座，其中，進水池1座，進排氣閥井12座，泄水閥井8座，出水池1座，減壓閥井1座，鎮墩15個。建筑物位于管道樁號0+000～7+012段，由于該段地基為非自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅰ級，基礎換填0.3 m厚3:7回填墊層，基礎及回填土壓實度不小于93%；管道樁號7+012～10+247段，由于基礎位于地下水位以下，基礎自上而下依次采用0.3 m厚砂礫石墊層，0.3 m厚干砸片石墊層。

2.4.1 進水池

本次設計在廠區排污口處(樁號0+000)新建進水池1座，根據《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》(CECS193:2005)第5.1.6條規定，重力輸水管道中間的水池，保證正常運行和流量調節時匹配上下游流量，取5 min設計流量作為水池容積，本次設計進水池容積為32 m3，池內尺寸為4 m×4 m×2.35 m(長×寬×高)。

2.4.2 進排氣閥井

排污管道共設置進排氣閥井12座，井身均為矩形，井內尺寸為1.2 m×1.2 m(長×寬)。

井內配有快速排氣閥，型號為QKP-0.6，直徑為Φ50 mm；閘閥型號為SD341X-6Q，DN=50 mm。

2.4.3 泄水閥井

排污管道在地勢低洼處設置泄水閥井8座，井身均為矩形，井內尺寸為1.2 m×1.2 m(長×寬)。為便于抽排，閥井后設置濕井，井身均為矩形，井內尺寸為1.0 m×1.0 m(長×寬)。泄水閥采用D341X-6蝶閥，直徑為200mm。當檢修管道時打開泄水閥將水排至濕井內，在通過水泵抽排至地勢低洼處。

2.4.4 出水口

由于排污管線地形高差較大，為防止水流對河道沖刷，降低流速，在管道出口與河道間采用漸變段連接，漸變段長度為1.70 m,進口管管徑為De355，出口管渠寬度為690 mm。具體做法參照給排水標準圖集95S517。

2.4.5 減壓閥井

排污管線設計地形高差為125 m，為減小下游管道壓力，在管道樁號K4+500,K5+800處設置減壓閥井2座，井身均為矩形，井內尺寸為2.2 m×2.2 m(長×寬)。減壓閥采用HS94X10L300調流調壓閥，直徑為300 mm。

閥井下游設置消力池2座，當加壓閥檢修或損壞時，為不影響廠區正常排水，起到臨時減壓的作用。同時為滿足流量調節時匹配上下游流量，消力池設計容積為32 m2，池內尺寸為4 m×4 m×2.35 m(長×寬×高)。

2.4.6 鎮墩

管道10°以上的彎道上設鎮支墩，鎮墩做法參照給排水標準圖集10S505。

3 經濟分析

本工程建設投資為1 197.84萬元，其中，主材費為417.79萬元，安裝工程費為249.08萬元，建設工程費230.86，其他費用為300.11萬元。項目實施后解決了該公司廢水排放出路的問題，避免了工廠停產帶來的經濟損失。

4 結語

本項目實施后具有良好的社會效益和環境效益，社會效益一般是潛在的、無形的，主要表現在增加就業機會，提高公眾環境保護意識及健康水平等。環境效益主要為提高河道沿線居民的生活水平和生活質量。項目帶來的環境效益是長遠的利益。