污水倒虹管設(shè)計(jì)優(yōu)化及實(shí)例分析

沈煒

摘 要：倒虹管是管道設(shè)計(jì)的重要節(jié)點(diǎn)，也是日常養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)，合理的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，采取沉井加微頂管施工既能縮短工期，又能有效降低施工對(duì)建筑物和地面交通的影響，合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠減緩淤積，發(fā)揮較好的工程效益。

關(guān)鍵詞：倒虹管;沉井;沖洗;合流污水

中圖分類號(hào)：TU991.36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 簡(jiǎn)介

隨著城市化進(jìn)程的建設(shè)快速發(fā)展，居民物質(zhì)文化需求逐漸得到滿足，但城市早期管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，老舊城區(qū)排水管網(wǎng)合流或覆蓋率低，加之年代久遠(yuǎn)，管道滲漏和破損的日趨嚴(yán)重，晴天污水入河、雨天污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行污水溢流排河，造成水生態(tài)環(huán)境惡化，與人民日益增長(zhǎng)的精神文化需求相矛盾十分突出。近年來(lái)黨十八大、十九大以及十四五規(guī)劃均提出要加快黑臭水體整治力度、推廣海綿城市建設(shè)，努力建成生態(tài)友好的人居環(huán)境。完善排水管網(wǎng)系統(tǒng)，新建截污納管工程為治理工程首要工作，新建管網(wǎng)與現(xiàn)有障礙物、管線交叉沖突時(shí)有發(fā)生，在豎向高差富余的前提下，常采取倒虹管進(jìn)行避讓，具有管道遷改工程量少，施工周期短的優(yōu)點(diǎn)。本文以東南某沿海發(fā)達(dá)城市新建截污管道項(xiàng)目倒虹管設(shè)計(jì)為例，對(duì)倒虹管設(shè)計(jì)過(guò)程中的要點(diǎn)及部分細(xì)節(jié)優(yōu)化進(jìn)行闡述。

2 項(xiàng)目概況

本工程屬于沿河污水截污管道工程，完善地塊排水系統(tǒng)，改善河道水環(huán)境，設(shè)計(jì)污水管道位于一條通航河道沿線的市政道路下，呈南北走向，河道及道路上部垂直橫跨大型道路橋梁，為立體交通節(jié)點(diǎn)，地塊周邊有集中海鮮批發(fā)市場(chǎng)，住宅、商業(yè)等建筑密集。大橋底部現(xiàn)有一根DN1200埋地供水主干管與新建DN600截污管高程沖突，為確保城市居民日常生活不受施工影響，截污管道降低標(biāo)高，采用倒虹管經(jīng)供水管下方通過(guò)。

3 倒虹管設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

倒虹管有凹字形和多折形兩種常用形式，多折形常用于有一定距離和深度，開(kāi)挖面寬敞的地方;凹字形倒虹適用于距離較窄，深度不大，可大開(kāi)挖施工，也可用頂管等非開(kāi)挖施工。倒虹管管徑不宜小于DN200，倒虹管流速應(yīng)>0.9 m/s，倒虹管計(jì)算時(shí)，常因?yàn)闊o(wú)法獲取管道運(yùn)行準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，同時(shí)忽視對(duì)地塊排水量的近遠(yuǎn)期復(fù)核和預(yù)測(cè)，僅僅按倒虹管上游管道管徑、充滿度、水力坡降推算得出轉(zhuǎn)輸流量，并依此計(jì)算倒虹管管徑。但結(jié)合地塊實(shí)際流量和管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，與上述方法計(jì)算結(jié)果往往相差較大，甚至?xí)贸鲂柙O(shè)置單管倒虹或雙管倒虹兩種截然不同的結(jié)果，按兩種情況分別計(jì)算如下：

按規(guī)劃要求倒虹管上游負(fù)擔(dān)管徑為DN400，充滿度取0.65，水力半徑R=0.12，水力坡降i=0.0015，粗糙系數(shù)0.013，管道流速公式采用曼寧（Manning）公式，，流量。按單條倒虹管DN300計(jì)算水損，倒虹管長(zhǎng)度20 m，查表得，i=4‰，v≈0.9 m/s滿足要求，水損公式，H=0.23 m，按“《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第5冊(cè)[1]”附加0.1 m富余水損，總水損為0.33 m。

按項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)管道近期實(shí)際匯水面積約10 ha，污水面積比流量=0.82（L/s·ha），管道匯水流量8.2 L/s，與按DN400管道按管道充滿度所得流量相差懸殊約7.5倍，查水力計(jì)算表，DN200管道，i=0.7‰，v=0.276 m/s，Q=8.67 L/s，流速小于0.9 m/s，管道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易淤積，設(shè)計(jì)需采取雙管，一用一備。一根清淤疏通時(shí)可相互切換，當(dāng)遠(yuǎn)期運(yùn)行水量達(dá)到62 L/s時(shí)，雙管同時(shí)運(yùn)行，單根管道流量31 L/s，查表得i=8.9‰，v=0.98 m/s，Q=31 L/s，流速滿足規(guī)范要求。

4 倒虹管穿越方法設(shè)計(jì)優(yōu)化

設(shè)計(jì)倒虹管位于市政道路下，呈南北走向，西側(cè)緊鄰?fù)ê胶拥溃喜繖M跨交通橋梁，且周邊有海鮮批發(fā)市場(chǎng)，住宅、商業(yè)等建筑，為該市立體重要交通樞紐。管道埋深約3.5 m，考慮施工對(duì)橋梁和交通出行的影響，不適宜采用大開(kāi)挖進(jìn)行施工。目前常用非開(kāi)挖技術(shù)有頂管施工、水平定向鉆施工和微頂管施工。

頂管施工需要建設(shè)工作坑和接收坑，管道由工作坑內(nèi)頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生頂力，抵抗管道與土壤的摩擦阻力，將管道按一定坡度擠入土壤。頂管適用管徑DN800～DN4500。

優(yōu)點(diǎn)：路面開(kāi)挖恢復(fù)費(fèi)用小。

缺點(diǎn)：頂管需要單獨(dú)的工作井和接收井，井深較大。

牽引管施工采用水平定向鉆機(jī)成孔行程管道通道，再將預(yù)先連接好的管道從通道回拉過(guò)來(lái)，完成敷設(shè)，管材可用PE管、鋼管。

優(yōu)點(diǎn)：工作坑可位于地面或稍低于地面，無(wú)需開(kāi)挖。

缺點(diǎn)：由于擴(kuò)孔器自重大，多次擴(kuò)孔，遇土質(zhì)松軟機(jī)頭容易下沉，不利于控制管道坡度，重力流管道按設(shè)計(jì)水力坡降敷設(shè)，一般取牽引管水平段，兩端出、入土的弧形段廢棄。

微型頂管[2]：一般指管徑小于DN600的頂管施工技術(shù)，主要分為泥水平衡法（一次工法）、地箭式頂管（二次工法）。泥水平衡法與傳統(tǒng)頂管類似，地箭式首先利用液壓裝置將前導(dǎo)管按照設(shè)計(jì)軌跡推進(jìn)貫通，然后通過(guò)前導(dǎo)管作為導(dǎo)體，在前導(dǎo)管末端連接擴(kuò)孔切削頭并將擬鋪設(shè)的管道同時(shí)頂進(jìn)，完成管道鋪設(shè)。主要工作步驟有：（1）制作工作井——（2）定線測(cè)量——（3）安裝推進(jìn)設(shè)備——（4）前導(dǎo)管頂進(jìn)——（5）抽換內(nèi)管——（6）安裝擴(kuò)孔切削頭——（7）管道頂進(jìn)——（8）設(shè)備拆除——（9）工作井回填。

優(yōu)點(diǎn)：管道精度高，誤差±3 mm，能夠滿足重力流排水管道坡度要求。工作坑直徑小，施工占地面積小，頂管時(shí)僅擠壓土體無(wú)需擴(kuò)孔，無(wú)傳統(tǒng)頂管機(jī)頭沉降風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：通常施工使用的管材為樹(shù)脂砼管、玻璃鋼夾砂管和鋼筋混凝土管，每節(jié)1 m。單次頂進(jìn)距離不宜大于80 m，無(wú)中繼間。

本工程采用微頂管單次頂進(jìn)28 m，頂管工作井平面尺寸僅3.20 m×3.02 m，短時(shí)間快速施工完成，對(duì)建筑物和日常交通影響降至最低。

5 附屬構(gòu)筑物設(shè)計(jì)優(yōu)化

倒虹附屬構(gòu)筑物，主要為倒虹井，根據(jù)凹字形和多折形兩方式的不同，倒虹井設(shè)置深度略有不同，一般凹字形要深于多折形。本工程采用凹字形倒虹，具有檢查井間距短，倒虹管沒(méi)有彎頭，緩解淤積，便于疏通的優(yōu)點(diǎn)。

為確保事故發(fā)生或維修時(shí)隔斷水流，倒虹井內(nèi)設(shè)置閘門，閘門啟閉機(jī)設(shè)于二級(jí)平臺(tái)便于操作。

與開(kāi)挖現(xiàn)澆不同，沉井[3]是地面預(yù)制完成，以井內(nèi)挖土，依靠自身重力克服井壁土壤摩阻力后下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后經(jīng)過(guò)混凝土封底。沉井整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能承受較大的垂直荷載和水平荷載。沉井既是主體結(jié)構(gòu)，又是基坑支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)化，安全性高，對(duì)臨近建筑物影響較小，本工程設(shè)計(jì)采用沉井施工。

6 倒虹管設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)優(yōu)化

首先倒虹管建議設(shè)置有一定坡度，可便于水力沖洗后污水排除干凈。其次倒虹管容易泥沙板結(jié)，需要更大的沖洗水頭，倒虹管內(nèi)流速應(yīng)大于上游管道內(nèi)流速1.2或大于20%～30%，本工程沖洗時(shí)關(guān)閉倒虹井內(nèi)閘閥，使上游管道水位升高后打開(kāi)產(chǎn)生瞬時(shí)大水量沖洗倒虹管，日常輔助專業(yè)疏通車沖洗清淤。當(dāng)有支管接入倒虹出水井時(shí)，造成倒虹管下游井內(nèi)水位臃高，倒虹水頭差降低，流速減小，管道容易淤積，設(shè)計(jì)中需加以注意。最后在上游污水主管道上間隔設(shè)置污水沉泥井，緩解淤積，延長(zhǎng)倒虹管養(yǎng)護(hù)周期。

7 結(jié)論

倒虹管是管道交叉避讓常用設(shè)計(jì)，也是管道日常養(yǎng)護(hù)工作的重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)應(yīng)相關(guān)規(guī)劃為前提，以實(shí)際水量為依據(jù)，近遠(yuǎn)期結(jié)合，計(jì)算確定倒虹管管徑、流速、單雙管設(shè)置。本工程采用沉井不排水施工結(jié)合微頂管工藝有效降低了施工對(duì)周邊建筑的影響，避免道路全封閉施工，緩解交通壓力。倒虹井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，交通狀況、地質(zhì)情況等因素。實(shí)際設(shè)計(jì)中以延緩管道淤積，便于管養(yǎng)疏通為指引，優(yōu)化細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，可發(fā)揮較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第5冊(cè)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]何平.微型頂管技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2017（09）：37+39.

[3]殷良策，殷奇.沉井設(shè)計(jì)與施工[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.