北京市市政工程設計研究總院有限公司深圳分院  518048
        摘要：隨著污水管網系統日臻完善，覆蓋率也日漸提高，越來越多的新建污水管道需要穿越河道，污水管道過河一般采用倒虹管的形式。本文主要介紹了倒虹管概念、原理及設計要點等，并結合工程實例進行了具體分析。
        關鍵詞：污水管；倒虹管；設計要點；施工方案；進出水井
        1倒虹管概念及原理
        排水管渠遇到河流、山澗、洼地或地下構筑物等障礙物時，不能按原有的坡度埋設，而是按下凹的折線方式從障礙物下通過，這種管道稱為倒虹管，水體在倒虹管內的流動依靠上下游管道中的水面高差進行的。倒虹管由進水井、下行管、平行管、上行管和出水井等組成，如圖1所示。
        
        圖1倒虹管
        2污水倒虹管的設計要點
        要做好污水倒虹管的設計，應結合實際工程，主要要求線位合理、排水順暢、維修方便、經濟安全。要達到以上目的，首先要做好倒虹管的設計，主要體現在以下幾個方面。
        2.1線位選擇
        確定倒虹管穿越障礙物的大致位置，選定的穿越位置必須對整個管網是可行的、有利的。判定是否可行、有利的標準主要有兩點：一是選擇此位置不會引起排水管網的過大迂回；二是過障礙物后排水管道能按原有管道的埋深坡度繼續敷設前行，并能順利到達目的地。確定倒虹管的路線時，應盡可能與障礙物正交通過，以縮短倒虹管的長度，減少工程的施工量。過河倒虹管道應盡量選擇在水流穩定、不易被水沖刷、河岸土質穩固段，以策安全。測量的目的是要選擇倒虹管的穿越線，使其距離近，有較好的施工工作面，從而減少倒虹管的設計長度和降低施工難度。
        另外，對選擇好的穿越線地下的地質情況進行詳細勘探。一是看穿越線下是否有不利頂管施工的地質，如穿越位置處是否有巖石等堅硬物；二看是否對障礙物會造成不利影響，如河道的河床位置等，然后對探測數據進行可行性分析后確定倒虹管的穿管深度。
        2.2倒虹管設計參數選擇
        （1）設計倒虹管的條數根據《室外排水設計規范》，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。倒虹管設置兩條以上，是以便一條發生故障時，另一條可繼續使用，平時也能逐條清通。當近期流量不夠，達不到設計流速的時候，可使用其中一條，暫時關閉另一條。
        （2）確定倒虹管的流速
        因倒虹管的清通比一般管道困難得多，因此在設計時必須盡量完善，并采取各種措施來防止倒虹管內污水的淤積。在設計流速時最好采用1.2～1.5m/s，在條件困難時可適當降低，但不宜小于0.9m/s，且不得小于上游進水管道內的流速。當流速達不到0.9m/s時，應采用定期沖洗措施，沖洗流速不得小于1.2m/s。
        2.3倒虹管設計計算
        （1）設計倒虹管管徑
        倒虹管的管徑應通過流量、流速計算確定，設計污水為合流管道時，設計倒虹管應按旱流污水量校核流速。但最小設計管徑不應小于200mm。當缺乏基礎的污水量資料時，可按照上游管道管徑、坡度，按最大充滿度計算得的流量確定。
        （2）設計倒虹管各項標高
        污水在倒虹管內的流動是依靠上、下游管道中的水位差（進、出水井的水面高差）進行。該高差用以克服污水流經倒虹管的全部阻力損失。計算時，要求進水井和出水井間水位高差稍大于全部阻力損失值，其差值（安全水頭）一般取0.05～0.10m。倒虹管的水平管段的管頂距規劃的河底一般不宜小于1.0m，通過航運河道時，其位置和管頂距規劃河道河底距離應與當地航運管理部門協商確定，并設有標志，遇到沖刷河床應考慮防沖措施。
        2.4附屬構筑物設計
        （1）倒虹管進、出水井的設計倒虹管進、出水井應設在不被洪水淹沒的地方。進出水井內應設閘槽或閘門。倒虹管進、出水井應設置檢修室，檢修室凈高宜為2m。當進出水井較深時，井內應設檢修臺，其寬度應滿足檢修要求。當倒虹管的設計流速達不到0.9m/s時，還應在進水井內設置定期沖洗裝置，并且在每個檢修室頂部都應設人孔，地面檢修孔應設井口和井蓋。倒虹管進水井和進水井的前一檢查井內，均應設置沉泥槽，沉泥槽的設置深度一般為0.5m。
        （2）沉泥槽和事故排出口設計。
        位于倒虹管進水井前的檢查井，應設置沉泥槽。凹字型倒虹管的進出水井中也應設沉泥槽，一般井底落底0.5m。進水井應設置事故排出口，如因衛生要求不能設置時，則應設備用管線。但在有2條以上工作管線情況下，當其中1條發生故障，其余管線在提高水壓線后并不影響上游管道正常工作仍能通過設計流量時，也可不設備用管線。
        2.5 管徑計算
        （1）
        式中：D為倒虹管管徑，（m）；Q為倒虹管內流量，（m3/s）；υ為倒虹管內流速，（m/s），一般取1.2~1.5m/s，但不宜小于0.9m/s。
        2.6標高計算
        H=h1+h2+h3（2）
        h1=i×L
        
        式中：H為進出水井的水面差，（m）；h1為倒虹管沿程水頭損失，（m）；h2為倒虹管局部水頭損失，（m），初步估算時，一般可以按照沿程水頭損失值的5%～10%考慮，當倒虹管長度大于60m時，采用5%，等于或小于60m時，采用10%；h3為安全水頭，一般取0.05～0.10m；i為倒虹管每米長度的水頭損失；L為倒虹管總長度，（m）；ζ為局部阻力系數；υ為倒虹管內流速，（m/s）。
        3設計實例
        3.1工程概況
        某地區有2根現狀DN800的過河污水倒虹管，該管道為西區和澳頭片區的污水排入中心區污水處理廠的唯一通道，重要性非常高�，F狀管道運行時間已經超過十年，欠缺維護，通過現場勘查和收集分析原管道設計資料，在目前的情況下不具備對現狀兩根DN800倒虹管停水進行清淤、檢查、維修等工作的條件，這個重要的過河節點沒有備用管道，給上游片區的污水正常排入污水處理廠帶來了極大的的風險，而且萬一倒虹管道發生損壞，會有污水長時間溢入河道、污染水體的風險。另外，隨著片區的發展，現狀污水管道規格已不能滿足規劃污水的接入。因此，亟需增設一套污水管道，確保上游片區污水順利排入污水處理廠。
        3.2現狀條件
        項目位置處淡澳河河底寬約80m，河道水深約3.5m，南北岸均為濕地公園，濕地內無現狀建筑物和構筑物，均為林地和草地，現狀情況如下所示：
        
        
        現狀起點位置地貌圖        現狀終點位置地貌圖
        現狀倒虹井位于淡澳河南側現狀紅樹林公園人行道下，終點井位于現狀濱河北路，過河倒虹管長178m，埋深7.5～8.7m。
        現狀淡澳河北岸紅樹林中，有一根DN600的華德輸油管，埋深2.5m。北岸濱河北路北側主要有現狀DN100給水管道、電力管道和DN300污水管道。淡澳河南岸紅樹林綠化帶有現狀電力通信管線、DN1200污水管、DN600雨水管、現狀DN600和DN100的給水管線。
        3.3水力計算
        按照相應規范的要求，結合具體實際，進行倒虹管設計。
        上游一根DN1200及一根DN1500污水管道匯入倒虹井，本次設計設置2根倒虹管，與現狀2根DN800倒虹管組成兩用一備（2根DN800為一組備用管）。由于上下游污水管道規劃標高已設定，兩者相差0.53m，無調整余地，因此倒虹管設計水頭損失不宜過大。
        上游管道：一根DN1200+一根DN1500，其中DN1200管道坡度1.1‰，流速V=1.3m/s；DN1500管道坡度0.75‰，DN1500流速V=1.24 m/s。兩者設計充滿度為h/D=0.75，合計流 量 Q= 2925L/s。
        根據《室外排水設計規范》進行水力計算，得單根DN1100倒虹吸管道流量Q=1462.5 L/s，坡度i=1.07‰，流速V=1.54 m/s。設計流速大于規范要求的0.9m/s及上游進水管流速1.3m/s。
        倒虹吸管道長：單根管道長L=190m。
        倒虹管管段水頭損失：沿程水頭損失為h1=ixL=0.00107*190=0.203m，
        局部水頭損失：
        進口局部水頭損失為h進= 0.06m，
        出口局部水頭損失為h出= 0.121m，
        局部水頭損失為h2= h進+h出=0.06+0.121=0.181m。
        倒虹管全部水頭損失：
        h=h1+h2=0.203+0.181=0.384m
        安全水頭：管道較長且為主干管，因此安全水頭取大值0.1m。
        倒虹井上下游水面差H==0.384+0.1=0.484m＜上下游井標高差0.53m。
        4施工方式
        穿越河涌等水域的大型管線工程一般有圍堰、自承式管架橋、沉管、頂管、定向鉆等施工方法。
        由于本項目位于濕地公園，景觀要求高，因此管道考慮采用從河底穿越。河底地質條件為淤泥質土，開槽施工需設置圍堰及支護，實施難度及投資大。
        綜上，本次考慮采用非開挖施工方式，而本工程管徑大，主要對沉管和頂管兩種施工方法進行方案比選。
        表1管道穿越方式比選表
        
        若采用沉管施工工藝，存在一些缺陷：
        （a）若采用帶彎頭式沉管，管道的下沉、定位都很困難，一旦跑位難以糾偏。同樣也存在開挖很深的問題。
        （b）采用漂、沉管方案，造價高，工程施工工期較難保證。
        （c）根據本工程的具體特點，若采用沉管法施工，由于水域寬闊，受潮汐的影響及管道埋藏深等原因，其水下開槽難以成形，該河床底又為深厚淤泥層，開槽坡度緩，工程量很大，基坑、管道長、水下作業多，施工風險高。
        當采用頂管施工法時，工作井、接收井采用沉井施工，工藝技術成熟；采用封閉式機械頂進，施工風險較低。
        因此本工程采用頂管法施工。
        3管材及設計參數
        管材的選擇取決于輸送流量大小，施工方案，管道埋深，管道內壓、當地地質及氣象條件、工程造價等因素，另外還需要考慮所選擇的管材在當地的供應情況。
        經上文分析，本工程采用頂管施工，常用管材為鋼管及鋼筋混凝土管。
        根據《給水排水工程頂管技術規程》：（1）頂管穿越江河底時，覆蓋層最小厚度不宜小于管道外徑的1.5倍，且不宜小于2.5m。（2）互相平行的管道水平凈距應根據土層性質、管道直徑和管道埋置深度等因素確定，一般情況下宜大于1倍的管道外徑。（3）空間交叉管道的凈間距，鋼管不宜小于0.5倍管道外徑，且不應小于1.0m；鋼筋混凝土管不宜小于1倍管道外徑，且不應小于2m。
        在相同管徑的情況下，鋼筋混凝土管外徑比鋼管大約20%。采用鋼管有利于減少管道的埋深及間距，從而減少進出水井的埋深及尺寸，減少投資及施工風險。再者，本次頂進距離約190米，鋼管的管道結構承載能力優于鋼筋混凝土管道。因此，本次頂管管材采用鋼管。
        考慮到本次管道為污水干管，輸送介質腐蝕性強，因此考慮在鋼管內套PE管，即采用D1600x20鋼管頂管，內套Dn1100PE管。
        4附屬構筑物設計
        4.1進出水井
        進出水井設置位置應避免被洪水淹沒，井蓋高程應大于河道洪水位，檢修室凈高需大于規范要求的2米，因此本次進出水井設置在河道兩岸空地處。本次新建兩根倒虹管共用進出水井，為便于后期運營維護期間的檢修及清淤，井內對兩根管道分別設置了閘門進行分隔。同時，在進水井的前一檢查井和進出水井均設置沉泥槽用以沉淀雜物，以保證倒虹管內水流暢通，沉泥槽深度取0.5m。
        
        倒虹井平面圖
        
        倒虹井縱斷面圖
        4.2分流井設計
        該工程利用現狀2根DN800倒虹管作為備用管，新建倒虹管與現狀倒虹管之間通過設置分流井連通。分流井設置在DN800倒虹管上下游現狀DN1200污水管處，同時，在分流井內靠近DN800倒虹管的一端預留閘板槽。分流井尺寸根據現狀DN1200管道外徑、底板施做空間、舊管切割操作空間及閘板閥安裝空間綜合考慮確定。
        
        分流井平面圖                        分流井剖面圖
        在分流井井室施做完成后，暫不進行覆蓋，可采用繩鋸切割方式對舊管進行拆除，可避免人員水下作業，施工安全風險低。最后放置疊梁閘對下游進行封堵，實現污水分流。
        5結語
        如今城市排水系統建設的科學合理性直接影響人民群眾的生產生活，國家各級建設及相關部門高度重視“黑臭水體”治理，各級政策導向以表明管理部門對排水系統整治的決心，而倒虹管作為其中的一份子，看似小節點單如若盲目設置則隱患無窮。無論是老城區合流制排水系統改造或新城區污水干管建設，倒虹管都發揮著至關重要的作用，是連通地下管線的橋梁。而需要設置倒虹管的環境往往比較復雜，要考慮穿越物的現狀和遠景規劃，施工條件相對困難。另外，相比一般路段下的排水管道，倒虹管的運營維護難度要大很多。因此，在設計過程中要充分考慮井管選址、水力條件、運維便利、經濟安全等諸多因素，同時，還應采取各種措施來防止倒虹管內污泥的淤積，更要加強工程竣工后的管理維護力度，以保證倒虹管的暢通。

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