污水倒虹管設(shè)計優(yōu)化及實例分析

沈煒

摘 要：倒虹管是管道設(shè)計的重要節(jié)點，也是日常養(yǎng)護的重點，合理的工藝設(shè)計計算，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建筑物和地面交通的影響，合理的設(shè)計優(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：TU991.36 文獻標識碼：A

1 簡介

隨著城市化進程的建設(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)標準低，老舊城區(qū)排水管網(wǎng)合流或覆蓋率低，加之年代久遠，管道滲漏和破損的日趨嚴重，晴天污水入河、雨天污水處理廠超負荷運行污水溢流排河，造成水生態(tài)環(huán)境惡化，與人民日益增長的精神文化需求相矛盾十分突出。近年來黨十八大、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、管線交叉沖突時有發(fā)生，在豎向高差富余的前提下，常采取倒虹管進行避讓，具有管道遷改工程量少，施工周期短的優(yōu)點。本文以東南某沿海發(fā)達城市新建截污管道項目倒虹管設(shè)計為例，對倒虹管設(shè)計過程中的要點及部分細節(jié)優(yōu)化進行闡述。

2 項目概況

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，地塊周邊有集中海鮮批發(fā)市場，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，截污管道降低標高，采用倒虹管經(jīng)供水管下方通過。

3 倒虹管設(shè)計計算要點

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，可大開挖施工，也可用頂管等非開挖施工。倒虹管管徑不宜小于DN200，倒虹管流速應(yīng)>0.9 m/s，倒虹管計算時，常因為無法獲取管道運行準確數(shù)據(jù)，同時忽視對地塊排水量的近遠期復(fù)核和預(yù)測，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，并依此計算倒虹管管徑。但結(jié)合地塊實際流量和管道運行數(shù)據(jù)，與上述方法計算結(jié)果往往相差較大，甚至會得出需設(shè)置單管倒虹或雙管倒虹兩種截然不同的結(jié)果，按兩種情況分別計算如下：

按規(guī)劃要求倒虹管上游負擔管徑為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計算水損，倒虹管長度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)計手冊》第5冊[1]”附加0.1 m富余水損，總水損為0.33 m。

按項目初步設(shè)計管道近期實際匯水面積約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，管道長時間運行容易淤積，設(shè)計需采取雙管，一用一備。一根清淤疏通時可相互切換，當遠期運行水量達到62 L/s時，雙管同時運行，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)計優(yōu)化

設(shè)計倒虹管位于市政道路下，呈南北走向，西側(cè)緊鄰?fù)ê胶拥?，上部橫跨交通橋梁，且周邊有海鮮批發(fā)市場，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，考慮施工對橋梁和交通出行的影響，不適宜采用大開挖進行施工。目前常用非開挖技術(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：路面開挖恢復(fù)費用小。

缺點：頂管需要單獨的工作井和接收井，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來，完成敷設(shè)，管材可用PE管、鋼管。

優(yōu)點：工作坑可位于地面或稍低于地面，無需開挖。

缺點：由于擴孔器自重大，多次擴孔，遇土質(zhì)松軟機頭容易下沉，不利于控制管道坡度，重力流管道按設(shè)計水力坡降敷設(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管按照設(shè)計軌跡推進貫通，然后通過前導管作為導體，在前導管末端連接擴孔切削頭并將擬鋪設(shè)的管道同時頂進，完成管道鋪設(shè)。主要工作步驟有：（1）制作工作井——（2）定線測量——（3）安裝推進設(shè)備——（4）前導管頂進——（5）抽換內(nèi)管——（6）安裝擴孔切削頭——（7）管道頂進——（8）設(shè)備拆除——（9）工作井回填。

優(yōu)點：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，頂管時僅擠壓土體無需擴孔，無傳統(tǒng)頂管機頭沉降風險。

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

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

5 附屬構(gòu)筑物設(shè)計優(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，倒虹管沒有彎頭，緩解淤積，便于疏通的優(yōu)點。

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

與開挖現(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)計標高，然后經(jīng)過混凝土封底。沉井整體性強、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結(jié)構(gòu)，施工簡化，安全性高，對臨近建筑物影響較小，本工程設(shè)計采用沉井施工。

6 倒虹管設(shè)計細節(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%，本工程沖洗時關(guān)閉倒虹井內(nèi)閘閥，使上游管道水位升高后打開產(chǎn)生瞬時大水量沖洗倒虹管，日常輔助專業(yè)疏通車沖洗清淤。當有支管接入倒虹出水井時，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，延長倒虹管養(yǎng)護周期。

7 結(jié)論

倒虹管是管道交叉避讓常用設(shè)計，也是管道日常養(yǎng)護工作的重點，其設(shè)計應(yīng)相關(guān)規(guī)劃為前提，以實際水量為依據(jù)，近遠期結(jié)合，計算確定倒虹管管徑、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)計還需要考慮現(xiàn)場施工條件，交通狀況、地質(zhì)情況等因素。實際設(shè)計中以延緩管道淤積，便于管養(yǎng)疏通為指引，優(yōu)化細節(jié)設(shè)計，可發(fā)揮較好的工程應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]給水排水設(shè)計手冊第5冊[M].中國建筑工業(yè)出版社.

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

[3]殷良策，殷奇.沉井設(shè)計與施工[M].同濟大學出版社.