污水倒虹管的設計案例探析

曾海勇

(福州市規劃設計研究院集團有限公司 福建福州 350108)

0 引言

隨著城市建設發展，人民生活水平提高，對城市環境要求越來越高，加強水環境治理十分迫切，因此，城市建設過程中同步完善雨、污水系統勢在必行。污水管道系統設計中，管道經常需要穿過河道、旱溝、洼地、地下構筑物等天然或人工障礙物，污水管道不能順接上游管道標高徑直通過時，一般設置倒虹管，管道按下凹折線方式，從障礙物下通過[1]。

1 工程概況

該工程位于龍巖市，道路沿線所經用地多為山林、農田和局部民房，地勢變化大。整個項目分A、B兩個標段：A標段樁號長度約3.9 km，道路寬度32 m，污水主管按單側布置，設在道路南側人行道下，兩側地塊產生的綜合生活污水通過收集管及收集井收集，污水主管管徑d500 mm～d600 mm，主管坡度0.3%～3%；B標段樁號長度約3.8 km，道路寬度32 m，污水主管按單側布置，設在道路西側人行道下，兩側地塊產生的綜合生活污水通過收集管及收集井收集，污水主管管徑d400 mm～d500 mm，主管坡度0.2%～4%。B標段污水通過A標段污水管轉輸，A標段終點處污水主管需橫穿一條16 m寬的現狀河道排入對岸既有沿河鋪設的污水管網內。

(1)設計采用2條直徑為d300 mm的倒虹管與河道正交通過，倒虹井應緊挨河道擋墻臺背設置，盡量縮短倒虹管長度，以減少水頭損失且方便后期檢修維護。根據河道凈寬及擋墻結構寬度，倒虹管長度最終定為20 m。

(2)倒虹管上游進水管設計流量為232 L/s，每條倒虹管設計流量116 L/s。

(3)進水管管徑d600 mm，坡度0.2%，設計充滿度0.63，設計流速1.25 m/s。

(4)出水管管徑d600 mm，坡度0.5%，設計充滿度0.48，設計流速1.78 m/s。

(5)倒虹管管徑d300 mm，水力坡度0.0138，設計充滿度1，設計流速1.64 m/s。

2 倒虹管的設計要點

2.1 倒虹管位置選擇

經現場踏勘、地質勘探報告及地形測量資料等綜合分析，該工程倒虹管選在河床及岸邊地質穩定、不易沖刷且河道寬度較小的位置。倒虹管布置與河道軸線垂直，使其跨河長度最短。

2.2 倒虹管的形式

倒虹管形式有多折型和凹字型兩種[1]。該工程河道寬度較窄，河床深度較小，且可以采用大開挖施工，采用凹字型。

2.3 倒虹管條數

根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006(2016年版))第4.11.1條：通過河道的倒虹管，不宜少于兩條；通過谷地、旱溝或小河的倒虹管可采用一條[2]。為此，該工程采用兩條直徑相同的倒虹管平行敷設，由于周邊地塊尚未開發，現狀污水流量較小，近期可使用1條，暫時關閉另一條，待遠期污水達到設計流量時開通兩條同時運行，從而實現近遠期結合。

2.4 管材及管道接口

根據《給水排水設計手冊(第5冊城鎮排水)》第1.5.6條：倒虹管一般采用金屬管或鋼筋混凝土管，最小管徑宜為200 mm[1]。該工程倒虹管管徑采用d300 mm，管材采用污水用球磨鑄鐵管及管件，管道接口采用承插式橡膠圈接口，橡膠圈外觀平整，不得有裂縫、破損、氣孔、重皮等缺陷。

2.5 埋深深度

根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2條：倒虹管的管頂距規劃河底距離一般不宜小于1.0 m，通過航運河道時，其位置和管頂距規劃河底距離應與當地航運管理部門協商確定，并設置標志，遇沖刷河床應考慮防沖刷措施[2]。該工程為非通航河道，管頂距離河底采用1.0 m，倒虹管采用C30混凝土滿包加固。

2.6 流速及沖洗措施

根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006(2016年版))第4.11.2條：倒虹管內設計流速應大于0.9 m/s，并應大于進水管內流速[2]。當管內設計流速不能滿足上述要求時，應加定期沖洗措施，沖洗流速不小于1.2 m/s[2]。該工程倒虹管管徑采用d300 mm，經計算，其設計流速為1.64 m/s，大于0.9 m/s，且大于進水管設計流速1.25 m/s，可不設置沖洗措施。

2.7 進、出水井

為滿足倒虹管能在近期小流量時只開通1根管運行及倒虹管檢修時關閉其中1根倒虹管等工況下正常運行，該工程進、出水井內采用分隔墻各分為3格，分隔墻上設置600 mm孔洞，并設圓形鑄鐵鑲銅閘門，閘門啟閉通過井蓋板上手動式啟閉機控制。進、出水井各分格的人孔中心設在各條管道的中心線上。人孔下墻體設置爬梯，爬梯采用塑鋼爬梯。進、出水井蓋板頂面設置DN50通氣管，井內分隔墻上緣設置100 mm通氣孔洞。

2.8 沉泥槽

為沉淀泥土、雜物，保證管道內水流通暢，根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.6條：倒虹管進水井前一個檢查井，應設置沉泥槽[2]。進、出水井內也分別設置沉泥槽，井底落底0.5 m。

2.9 事故排出口

事故排出口應在取得當地衛生主管部門同意的條件下設置，一般設置在進水井或靠近進水井的上游管渠道的檢查井中，當需要檢修倒虹管時，可以讓上游污水通過事故排出口直接泄入河道[4]。

根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2條：倒虹管宜設事故排出口[2]。該工程事故排出口設圓形鑄鐵鑲銅閘門，閘門啟閉通過井蓋板上手動式啟閉機控制，事故排出管管徑d600 mm，坡度1%。

2.10 倒虹管設計圖(圖1)

3 倒虹管的水力計算

3.1 倒虹管設計流量

圖1 倒虹管平面圖及剖面圖

倒虹管設計流量包含了：綜合生活污水設計流量、工業廢水設計流量(含工業企業生活污水、工業生產廢水)及入滲地下水量，經計算其設計流量為232L/s。

3.2 進、出水管

進、出水管采用HDPE管，經計算：進水管管徑d600 mm，坡度0.2%，設計充滿度0.63，設計流速1.25 m/s；出水管管徑d600 mm，坡度0.5%，設計充滿度0.48，設計流速1.78 m/s。

3.3 倒虹管管徑

倒虹管管徑比選是設計過程中關鍵步驟：管徑取值過大，容易導致設計流速偏小，不能滿足規范規定的設計流速要求，同時管徑過大會增加造價，不經濟；管徑取值過小，導致設計流速增大，水頭損失增大，對進、出水井的水面高差要求增大，同時根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2條：倒虹管的最小管徑宜為200 mm[2]。

因此，倒虹管管徑選擇應在滿足規范要求情況下，通過技術經濟比較，選擇最優管徑。

該工程采用2條倒虹管與河道正交通過，每條倒虹管設計流量為116L/s，倒虹管管材為污水用球磨鑄鐵管，查《常用資料)》[3]，各管徑在設計流量下水力坡度及設計流速如表1所示。

表1 水力計算表

表1中：倒虹管管徑為d500 mm時，設計流速0.59 m/s<0.9 m/s且0.59 m/s<1.25 m/s(進水管設計流速)，不滿足規范要求。

倒虹管管徑為d400 mm時，設計流速0.92 m/s>0.9 m/s，但0.92 m/s<1.25m/s(進水管設計流速)，不滿足規范要求。

倒虹管管徑為d300 mm時，設計流速1.64 m/s>0.9 m/s且1.64 m/s>1.25 m/s(進水管設計流速)，滿足規范要求。

綜上，倒虹管管徑采用d300 mm，水力坡度0.0138。

3.4 進、出水井內污水流過閘門孔洞設計流速經計算為0.41m/s

3.5 倒虹管及進、出水井總阻力損失值

(1)倒虹管及進、出水井總阻力損失值包含沿程阻力損失值hy和局部阻力損失值hj。

(2)沿程阻力損失值hy根據倒虹管長度和水力坡度確定，經計算為0.276 m。

(3)局部阻力損失值hj包含倒虹管內的阻力損失值h2及進、出水井內閘門阻力損失值h3。

①倒虹管內的阻力損失值h2：可采用局部水頭損失系數和百分數法分別計算，取大者。

根據倒虹管進、出口局部水頭損失系數計算：倒虹管進口ζ1=0.5，倒虹管出口ζ2=1[1]。倒虹管內的阻力損失值h2經計算為0.206 m。

百分數法估算倒虹管進口、出口及彎頭的水頭損失：一般按管段阻力損失值的5%～10%考慮，當倒虹管長度大于60 m時，采用5%；小于60 m時，采用10%[1]。倒虹管內的阻力損失值h2經計算為0.0276 m<0.206 m。

因此，倒虹管內的阻力損失值h2按0.206 m計。

②進、出水井內閘門阻力損失值。

d600 mm閘門進口ζ3=0.5，d600 mm閘門出口ζ4=1[2]。進、出水井內閘門阻力損失值h3經計算為0.026 m。

③綜上，局部阻力損失值hj為0.232 m。

(4)倒虹管及進、出水井總阻力損失值h總經計算為0.508 m。

3.6 進、出水井的水面高差

根據《給水排水設計手冊》(第5冊城鎮排水)第1.5.6條：進、出水井的水面高差應稍大于倒虹管及進、出水井總阻力損失值h總，可取0.05 m～0.1 m，設計取0.1 m[1]。

進水井與出水井的水面高差取0.608 m。

4 結語

市政排水工程中，污水倒虹管運用越來越廣泛，是污水管道系統能否正常運行的關鍵節點，設計前期應進行現場踏勘。設計過程中應對管徑選擇進行技術經濟比較，選擇最優管徑，減少淤積可能，減輕后期清通維護工作量，并應確保出水管的管內底高程高于接入管的管內底高程。此外，還應征求當地主管部門意見，根據當地地形、地質、污水性質等作適當調整，做到理論聯系實際，確保排水系統順暢。