市政給排水管道的結構設計研究

吳至帆

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司（200092）

0 前言

在市政給排水工程項目建設過程中，管道的結構設計是重要內容之一，與給排水作用的發揮密切相關。 所以，應當在保證給排水管道結構設計合理性的基礎上，提高管道結構的整體設計質量，從而使其作用能夠得以最大限度地發揮。為實現這一目標，應當了解并掌握給排水管道結構設計要點。

1 市政給排水系統概況

1.1 給水系統

市政給水系統由以下幾個部分組成: 水源、取水與凈水構筑物、輸配水管道、加壓裝置、水池等。給水管道的布置情況如下。

1.1.1 配水管網

配水管網由兩種形式，一種是枝狀，另一種是環狀。 前者的供水安全性相對較差，管網中的水質容易發生變化，投資相對較少，適用于小城鎮。后者的供水安全性和造價都比較高， 適用于大中型城市。

1.1.2 輸水管網

當輸水管網的水源低于給水區時，需要以泵站進行加壓；水源高于給水區時，可通過重力的方式進行輸水[1]。

1.2 排水系統

市政排水系統的主要作用是對污廢水、雨水進行排除與處理，避免水體污染。 污水排水系統主要由建筑內部的排水設備、室外污水管道、泵站、排水口等幾個部分組成。 在對排水管道進行布置時，要盡可能使路線達到最短，減少轉彎，管道與道路交叉時要與路中心線相垂直。

2 市政給排水管道結構設計要點

2.1 設計方法

在市政給排水管道設計過程中，為確保設計出來的管道結構合理，應當對相關的設計要點加以了解和掌握。

2.1.1 極限狀態計算

市政給排水管道結構設計中，需要對以下兩種極限狀態進行計算，一種是承載能力，另一種是正常使用。

1）與管道的承載能力極限狀態相對應的內容包括:所選管道結構達到最大承載能力時，因超出管材本身的強度而損壞；管道結構發生變形，從而導致管道的穩定性喪失，無法繼續承載；管道結構出現橫向滑移或是上浮的情況，喪失平衡性[2]。

2）與管道正常使用極限狀態相對應的內容包括:管道結構耐久性能的限值，對管道正常使用具有直接影響的變形量限值，管道結構上的局部裂縫寬度限值等。

2.1.2 抗浮設計

市政給排水管網的規模較大，遍布城市的各個地段，其中不乏沖溝、河岸等。 當管道埋設在上述地段時，不可避免地會受到水流的沖刷。 鑒于此，要確保管道頂部的覆土層厚度在100 cm 以上，并根據相關規范標準的規定要求，以分層的方式進行壓實。同時，可按照地形地貌對管道的中心線位置進行調整，當平面位置受到條件限制時， 可用混凝土包裹管道的方法進行處理。 在常規的地段上， 若是管道頂部覆蓋土層的厚度不足70 cm， 則應當使用混凝土對管道進行包裹，確保管道能夠達到抗浮設計要求。

2.1.3 抗震設計

市政給排水管道埋于地下，當發生地震時，在地震荷載的作用下，管道結構可能會發生變形，甚至損壞。為最大限度降低地震對給排水管道的影響，應當采取合理的抗震設計。 在對給排水管道的走向進行確定時，應當避開軟弱地基。當管道必須從不利于抗震的地段上經過時，應結合實際，采取有效的抗震措施。如可通過設置鋼套筒的方法，對給排水管道進行保護， 減輕地震對管道的直接作用。 與剛性連接相比，柔性連接的抗震能力更強，所以可將柔性連接作為管道的首選連接方式，以此來增強管道的抗變形能力[3]。當管道從活動斷層穿越時，應當在滿足設計要求的情況下進行淺埋，這樣不但有助于減輕地震作用力對管道結構的破壞，而且還便于地震發生后對管道進行快速維修。

2.2 構造措施

在市政給排水管道結構設計中采取如下構造措施:給排水管道的承插管可以采用柔性連接，無壓管道在滿足抗震要求的前提下可適當增強剛度，從而使管道本身具備更強的抗震能力，降低地震作用下產生變形的可能性。 當給排水管道的形狀為圓形時，應當設置管道基礎，材質可選用鋼筋混凝土。 管道的接口位置處應當采用鋼絲網水泥帶，當管道需要在液化的地段上布設時，應當以鋼混管道、柔性接口作為首選。

2.2.1 地基處理

在對市政給排水管道的地基基礎進行處理的過程中，應當將與地基有關的圖紙全部納入到設計圖當中。 以矢量化的方式，對處理地基的縱斷面進行掃描，從中選取出適宜的參考點位，確定放置管道的基底輪廓線。 在此基礎上，對地質單元進行劃分，并注明基底高程，結合實際的地質狀況，選取適宜的方法對地基進行處理。 為減弱地基土體本身的濕陷性，可在管道的基底增設一個墊層，材質以灰土為主，厚度控制在 50～100 cm 即可[4]。

2.2.2 設置支墩

帶有承插接口的壓力管道在結構設計時應設置支墩。 在對水平及垂直支墩進行設計的過程中，應當依據如下條件計算出支墩的尺寸： 管道的轉角、試驗壓力、土體的基本參數等。 若是給排水管道采用的是鋼管，則無需設置支墩。

2.3 相關設計

在市政給排水系統設計中，有一些與管道結構設計有關的內容，具體包括管道出口格柵、井底沉淀池以及井內閘槽等。

2.3.1 管道出口格柵

市政排水管道中常常會出現各種漂浮物，從而給管道的疏通工作增添了一定的難度。 大部分漂浮物會被提升泵站的格柵間攔截下來，其中會有一少部分通過格柵進入到泵房當中，這樣一來會造成水泵堵塞。 為避免此類問題的發生，在對格柵進行設計時，可縮小柵條的間距，雖然使泵房堵塞大幅度減少，但卻并未完全消除，偶爾仍然會發生堵塞。 對此，在市政排水管道結構設計中，可將攔污格柵設置在管道的出口位置，并指定專人對格柵進行定期清理，從源頭上杜絕漂浮物進入排水管道，避免泵站堵塞。

2.3.2 井底沉淀池

當市政給排水管道內的水體流速較為緩慢，且流量較小時，水中的沉積物便會出現沉淀現象。 當沉淀達到一定的程度時，可能導致管道堵塞，進而造成水流不暢通，影響給排水系統作用的發揮。 對于這種情況，可以在給排水管道結構設計中，將沉淀池設置在檢查井的底部，并使整個井底在原本的基礎上下降50 cm 左右，由此絕大多數的沉積物基本上都會沉積在井底的沉淀池內，不會繼續向下游流走。 對井底沉淀池內的沉積物進行定期清理，便可避免沉積物堵塞管道的情況發生。

2.3.3 井內閘槽

在市政給排水系統的干管中，水體的流速與流量相對較大，部分檢查井內的水位比較高。 在對管道進行維護前，需要先將水位降低，由此會導致管道維護工作量增大。 為解決這一問題，可在干管的檢查井內設置閘槽，按照干管的長度合理確定閘槽的數量和間距。 當需要對某段干管進行維護時，只要將該段干管的閘槽關閉，便可截斷水流[5]。

2.4 設計質量控制

市政給排水管道結構設計中，為確保設計出來的管道質量達到規范要求，應當采取有效的措施對設計質量進行控制。

2.4.1 收集相關資料

為給市政給排水管道結構設計提供詳實可靠的依據，從而保證設計質量達到規范要求。 應當在設計工作正式開始前，對相關的資料進行全面收集和整理。 當資料全部收集好之后，設計人員應當到工程現場進行實地勘查，了解并掌握給排水管道敷設環境的基本特征，對設計進行逐步優化，確保管道結構、布設方式、構造措施的合理性。

2.4.2 質控要點

在對給排水管道的位置進行設計時，應當以區域道路規劃作為主要依據，可將排水管道設置在人行道或是慢車道。 在設計過程中，對管道的坡度及埋深進行嚴格控制，為管道質量提供保障。 在排水區域內，應當明確管道結構的質控要點，保證控制點標高的合理性，從而使污水可以較快的速度流至管道內。

3 結語

市政給排水管道結構設計是一項較為復雜且系統的工作，涵蓋的內容相對較多，一旦某個環節出現問題，可能會對設計質量造成影響。 為此，應了解并掌握給排水管道結構設計要點，以此來確保給排水管道工程能夠按質、按量、按時完成。