長距離高落差有壓重力流廢水管道設(shè)計(jì)

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(chǎn)污水經(jīng)廠內(nèi)污水處理站處理后，廢水水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。廢水排放規(guī)模為360 m3/h。

出廠后的生產(chǎn)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(shè)計(jì)

2.1 管道敷設(shè)路線

該化工廠位于稷山縣西社新型煤化工循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園區(qū)內(nèi)，該廠污水出口位于廠區(qū)東南側(cè)，振西大街北側(cè)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，本次設(shè)計(jì)的廢水管敷設(shè)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(shè)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(yùn)稷路西側(cè)農(nóng)田鋪設(shè)5.367 km，然后向東穿過運(yùn)稷路鋪設(shè)0.28 km，再向南沿西社河西岸鋪設(shè)3.399 km，穿汾河北岸大壩進(jìn)入汾河灘地，再沿灘地鋪設(shè)0.398 km接入汾河主河槽，規(guī)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(yùn)稷線鋪設(shè)，管道鋪設(shè)總長10.247 km，進(jìn)出口地形高差125 m，管道進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)水池1座，設(shè)計(jì)容積為32 m2，出口處設(shè)置八字出口1座，在管道突起處設(shè)置進(jìn)排氣閥，低洼處設(shè)置泄水閥，轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，管道沿線共布置進(jìn)排氣閥井12座，泄水閥井8座，減壓閥井2座，鎮(zhèn)墩15個(gè)。

圖1 給排水管道總平面布置圖

2.3 排污管線的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)排污管線采用明挖施工，在穿越道路及建筑物密集區(qū)采用水平定向轉(zhuǎn)施工。

2.3.1 管道的水力計(jì)算

本項(xiàng)目廢水排放規(guī)模為360 m3/h。

2.3.1.1 管徑計(jì)算

管徑選擇直接關(guān)系到工程投資與運(yùn)行管理費(fèi)用，因此合理選擇管徑是管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，管徑計(jì)算公式如式(1)。

(1)

式中，D為管內(nèi)徑，mm；Q為流量，m3/h；V為流速，m/s。

根據(jù)地形高差、管道流量及管道水頭損失計(jì)算綜合確定管徑。

2.3.1.2 管道壓力計(jì)算

管道的沿程水頭損失按式(2)計(jì)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(shù)；Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3/h；m為流量指數(shù)；d為管道內(nèi)徑，mm；b為管徑指數(shù)；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(jì)算，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)。

2.3.1.3 各段管道水力計(jì)算見表1。

表1 管道的水力計(jì)算表

經(jīng)計(jì)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(zhì)的選擇，應(yīng)根據(jù)管徑、內(nèi)壓、外部荷載和管道敷設(shè)地區(qū)的地形、地質(zhì)等，按運(yùn)行安全、耐久、減少漏損、施工和維護(hù)方便等原則，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(fù)雜、落差大，本次管材選擇考慮了鋼管(TPEP)、球墨鑄鐵管(DIP)、預(yù)應(yīng)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(duì)比表中可以看出，預(yù)應(yīng)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(hù)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(jià)格較高，TPEP鋼管價(jià)格適中，但是施工線路中多處需采用水平定向轉(zhuǎn)施工，TPEP鋼管外防腐易損壞，PE管價(jià)格最低，而且糙率小，抗地基沉陷性強(qiáng)，抗腐蝕性能強(qiáng)，接頭采用熱熔連接施工簡單，因此結(jié)合本工程高差大、地形復(fù)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(shè)計(jì)

2.3.3.1 縱斷面設(shè)計(jì)

管道縱斷設(shè)計(jì)既要考慮地形條件，又要考慮管道埋置深度，允許借轉(zhuǎn)角度，管件設(shè)置條件等有關(guān)因素，本次管線設(shè)計(jì)遵循以下原則[4-5]：

1) 該區(qū)最大凍土深為0.57 m，管頂應(yīng)在凍土線以下，同時(shí)不影響耕作，穿耕地的管道設(shè)計(jì)管頂覆土深度不小于2.0 m，沿道路綠化帶敷設(shè)時(shí)，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(chǎn)時(shí)或檢修后通水時(shí)管線內(nèi)的空氣，平時(shí)用以排除從水中釋出的氣體，以免空氣在管中，減小過水?dāng)嗝?，增大水頭損失。

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

4) 在管道接口、三通及10°以上的彎道上設(shè)支墩，支墩做法參考給排水標(biāo)準(zhǔn)圖集10S505。

5) PE管道在穿越鐵路、高速路等主要道路時(shí)應(yīng)設(shè)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(jí)為PN1.0 MPa。套管兩端采用防水材料封閉，防腐等級(jí)為加強(qiáng)級(jí)防腐。

2.3.3.2 橫斷面設(shè)計(jì)

該段壓力管路為單管線，根據(jù)規(guī)范要求，De355管道管溝底寬1.0 m，兩側(cè)以1:0.5邊坡開挖，個(gè)別段挖深大于3 m時(shí)，兩側(cè)留寬0.5 m馬道，馬道以上仍按1:0.5坡度開挖。樁號(hào)0+000～7+012段基礎(chǔ)為非自重濕陷性黃土，基礎(chǔ)采用0.3 m厚3:7灰土墊層，樁號(hào)7+012～10+247段管道基礎(chǔ)位于地下水位以下，基礎(chǔ)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(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)共布置建筑物38座，其中，進(jìn)水池1座，進(jìn)排氣閥井12座，泄水閥井8座，出水池1座，減壓閥井1座，鎮(zhèn)墩15個(gè)。建筑物位于管道樁號(hào)0+000～7+012段，由于該段地基為非自重濕陷性黃土，濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)，基礎(chǔ)換填0.3 m厚3:7回填墊層，基礎(chǔ)及回填土壓實(shí)度不小于93%；管道樁號(hào)7+012～10+247段，由于基礎(chǔ)位于地下水位以下，基礎(chǔ)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(jìn)水池

本次設(shè)計(jì)在廠區(qū)排污口處(樁號(hào)0+000)新建進(jìn)水池1座，根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS193:2005)第5.1.6條規(guī)定，重力輸水管道中間的水池，保證正常運(yùn)行和流量調(diào)節(jié)時(shí)匹配上下游流量，取5 min設(shè)計(jì)流量作為水池容積，本次設(shè)計(jì)進(jìn)水池容積為32 m3，池內(nèi)尺寸為4 m×4 m×2.35 m(長×寬×高)。

2.4.2 進(jìn)排氣閥井

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

井內(nèi)配有快速排氣閥，型號(hào)為QKP-0.6，直徑為Φ50 mm；閘閥型號(hào)為SD341X-6Q，DN=50 mm。

2.4.3 泄水閥井

排污管道在地勢低洼處設(shè)置泄水閥井8座，井身均為矩形，井內(nèi)尺寸為1.2 m×1.2 m(長×寬)。為便于抽排，閥井后設(shè)置濕井，井身均為矩形，井內(nèi)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(dāng)檢修管道時(shí)打開泄水閥將水排至濕井內(nèi)，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(duì)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)圖集95S517。

2.4.5 減壓閥井

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

閥井下游設(shè)置消力池2座，當(dāng)加壓閥檢修或損壞時(shí)，為不影響廠區(qū)正常排水，起到臨時(shí)減壓的作用。同時(shí)為滿足流量調(diào)節(jié)時(shí)匹配上下游流量，消力池設(shè)計(jì)容積為32 m2，池內(nèi)尺寸為4 m×4 m×2.35 m(長×寬×高)。

2.4.6 鎮(zhèn)墩

管道10°以上的彎道上設(shè)鎮(zhèn)支墩，鎮(zhèn)墩做法參照給排水標(biāo)準(zhǔn)圖集10S505。

3 經(jīng)濟(jì)分析

本工程建設(shè)投資為1 197.84萬元，其中，主材費(fèi)為417.79萬元，安裝工程費(fèi)為249.08萬元，建設(shè)工程費(fèi)230.86，其他費(fèi)用為300.11萬元。項(xiàng)目實(shí)施后解決了該公司廢水排放出路的問題，避免了工廠停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目實(shí)施后具有良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益，社會(huì)效益一般是潛在的、無形的，主要表現(xiàn)在增加就業(yè)機(jī)會(huì)，提高公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)及健康水平等。環(huán)境效益主要為提高河道沿線居民的生活水平和生活質(zhì)量。項(xiàng)目帶來的環(huán)境效益是長遠(yuǎn)的利益。