污水倒虹管的设计案例探析

摘    要：

污水管道系统设计中，管道经常需要穿过河道、旱沟、洼地、地下构筑物等天然或人工障碍物。污水管道不能顺接上游管道标高径直通过时，一般设置倒虹管，按下凹折线方式，从障碍物下通过[2]。倒虹管容易淤积，后期维护管理较为复杂，因此，倒虹管是污水管道系统能否正常运行的关键节点。结合水下管道安装公司的工程案例，介绍倒虹管工程概况，并总结倒虹管设计要点、水力计算及规范要求。

0 引言

随着城市建设发展，人民生活水平提高，对城市环境要求越来越高，加强水环境治理十分迫切，因此，城市建设过程中同步完善雨、污水系统势在必行。污水管道系统设计中，管道经常需要穿过河道、旱沟、洼地、地下构筑物等天然或人工障碍物，污水管道不能顺接上游管道标高径直通过时，一般设置倒虹管，管道按下凹折线方式，从障碍物下通过[1]。

1 工程概况

该工程位于龙岩市，道路沿线所经用地多为山林、农田和局部民房，地势变化大。整个项目分A、B两个标段：A标段桩号长度约3.9 km, 道路宽度32 m, 污水主管按单侧布置，设在道路南侧人行道下，两侧地块产生的综合生活污水通过收集管及收集井收集，污水主管管径d500 mm～d600 mm, 主管坡度0.3%～3%;B标段桩号长度约3.8 km, 道路宽度32 m, 污水主管按单侧布置，设在道路西侧人行道下，两侧地块产生的综合生活污水通过收集管及收集井收集，污水主管管径d400 mm～d500 mm, 主管坡度0.2%～4%。B标段污水通过A标段污水管转输，A标段终点处污水主管需横穿一条16 m宽的现状河道排入对岸既有沿河铺设的污水管网内。

(1)设计采用2条直径为d300mm的倒虹管与河道正交通过，倒虹井应紧挨河道挡墙台背设置，尽量缩短倒虹管长度，以减少水头损失且方便后期检修维护。根据河道净宽及挡墙结构宽度，倒虹管长度定为20 m。

(2)倒虹管上游进水管设计流量为232L/s, 每条倒虹管设计流量116 L/s。

(3)进水管管径d600mm, 坡度0.2%,设计充满度0.63,设计流速1.25 m/s。

(4)出水管管径d600mm, 坡度0.5%,设计充满度0.48,设计流速1.78 m/s。

(5)倒虹管管径d300mm, 水力坡度0.0138,设计充满度1,设计流速1.64 m/s。

2 倒虹管的设计要点

2.1 倒虹管位置选择

经现场踏勘、地质勘探报告及地形测量资料等综合分析，该工程倒虹管选在河床及岸边地质稳定、不易冲刷且河道宽度较小的位置。倒虹管布置与河道轴线垂直，使其跨河长度*短。

2.2 倒虹管的形式

倒虹管形式有多折型和凹字型两种[1]。该工程河道宽度较窄，河床深度较小，且水下管道安装公司可以采用大开挖施工，采用凹字型。

2.3 倒虹管条数

根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006(2016年版))第4.11.1条：通过河道的倒虹管，不宜少于两条；通过谷地、旱沟或小河的倒虹管可采用一条[2]。为此，该工程采用两条直径相同的倒虹管平行敷设，由于周边地块尚未开发，现状污水流量较小，近期可使用1条，暂时关闭另一条，待远期污水达到设计流量时开通两条同时运行，从而实现近远期结合。

2.4 管材及管道接口

根据《给水排水设计手册(第5册城镇排水)》第1.5.6条：倒虹管一般采用金属管或钢筋混凝土管，管径宜为200 mm[1]。该工程倒虹管管径采用d300 mm, 管材采用污水用球磨铸铁管及管件，管道接口采用承插式橡胶圈接口，橡胶圈外观平整，不得有裂缝、破损、气孔、重皮等缺陷。

2.5 埋深深度

根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2条：倒虹管的管顶距规划河底距离一般不宜小于1.0 m, 通过航运河道时，其位置和管顶距规划河底距离应与当地航运管理部门协商确定，并设置标志，遇冲刷河床应考虑防冲刷措施[2]。该工程为非通航河道，管顶距离河底采用1.0 m, 倒虹管采用C30混凝土满包加固。

2.6 流速及冲洗措施

根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006(2016年版))第4.11.2条：倒虹管内设计流速应大于0.9 m/s, 并应大于进水管内流速[2]。当管内设计流速不能满足上述要求时，应加定期冲洗措施，冲洗流速不小于1.2 m/s[2]。该工程倒虹管管径采用d300 mm, 经计算，其设计流速为1.64 m/s, 大于0.9 m/s, 且大于进水管设计流速1.25 m/s, 可不设置冲洗措施。

2.7 进、出水井

为满足倒虹管能在近期小流量时只开通1根管运行及倒虹管检修时关闭其中1根倒虹管等工况下正常运行，该工程进、出水井内采用分隔墙各分为3格，分隔墙上设置600 mm孔洞，并设圆形铸铁镶铜闸门，闸门启闭通过井盖板上手动式启闭机控制。进、出水井各分格的人孔中心设在各条管道的中心线上。人孔下墙体设置爬梯，爬梯采用塑钢爬梯。进、出水井盖板顶面设置DN50通气管，井内分隔墙上缘设置100 mm通气孔洞。

2.8 沉泥槽

为沉淀泥土、杂物，保证管道内水流通畅，根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.6条：倒虹管进水井前一个检查井，应设置沉泥槽[2]。进、出水井内也分别设置沉泥槽，井底落底0.5 m。

2.9 事故排出口

事故排出口应在取得当地卫生主管部门同意的条件下设置，一般设置在进水井或靠近进水井的上游管渠道的检查井中，当需要检修倒虹管时，可以让上游污水通过事故排出口直接泄入河道[4]。

根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2条：倒虹管宜设事故排出口[2]。该工程事故排出口设圆形铸铁镶铜闸门，闸门启闭通过井盖板上手动式启闭机控制，事故排出管管径d600 mm, 坡度1%。

2.10 倒虹管设计图(图1)

图1 倒虹管平面图及剖面图  

3 倒虹管的水力计算

3.1 倒虹管设计流量

倒虹管设计流量包含了：综合生活污水设计流量、工业废水设计流量(含工业企业生活污水、工业生产废水)及入渗地下水量，经计算其设计流量为232L/s。

3.2 进、出水管

进、出水管采用HDPE管，经计算：进水管管径d600 mm, 坡度0.2%,设计充满度0.63,设计流速1.25 m/s; 出水管管径d600 mm, 坡度0.5%,设计充满度0.48,设计流速1.78 m/s。

3.3 倒虹管管径

倒虹管管径比选是设计过程中关键步骤：管径取值过大，容易导致设计流速偏小，不能满足规范规定的设计流速要求，同时管径过大会增加造价，不经济；管径取值过小，导致设计流速增大，水头损失增大，对进、出水井的水面高差要求增大，同时根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006 (2016年版))第4.11.2条：倒虹管的管径宜为200 mm[2]。

因此，倒虹管管径选择应在满足规范要求情况下，通过技术经济比较，选择管径。

该工程采用2条倒虹管与河道正交通过，每条倒虹管设计流量为116L/s, 倒虹管管材为污水用球磨铸铁管，查《常用资料)》[3],各管径在设计流量下水力坡度及设计流速如表1所示。

表1 水力计算表 导出到EXCEL

设计流量

(L/s)管径

(mm)水力坡度i设计流速

(m/s)

116d3000.01381.64

116d4000.003120.92

116d5000.001030.59

表1中：倒虹管管径为d500 mm时，设计流速0.59 m/s<0.9 m/s且0.59 m/s<1.25 m/s(进水管设计流速),不满足规范要求。

倒虹管管径为d400 mm时，设计流速0.92 m/s>0.9 m/s, 但0.92 m/s<1.25m/s(进水管设计流速),不满足规范要求。

倒虹管管径为d300 mm时，设计流速1.64 m/s>0.9 m/s且1.64 m/s>1.25 m/s(进水管设计流速),满足规范要求。

综上，倒虹管管径采用d300 mm, 水力坡度0.0138。

3.4 进、出水井内污水流过闸门孔洞设计流速经计算为0.41m/s

3.5 倒虹管及进、出水井总阻力损失值

(1)倒虹管及进、出水井总阻力损失值包含沿程阻力损失值hy和局部阻力损失值hj。

(2)沿程阻力损失值hy根据倒虹管长度和水力坡度确定，经计算为0.276 m。

(3)局部阻力损失值hj包含倒虹管内的阻力损失值h2及进、出水井内闸门阻力损失值h3。

①倒虹管内的阻力损失值h2 :可采用局部水头损失系数和百分数法分别计算，取大者。

根据倒虹管进、出口局部水头损失系数计算：倒虹管进口ζ1=0.5,倒虹管出口ζ2=1[1]。倒虹管内的阻力损失值h2经计算为0.206 m。

百分数法估算倒虹管进口、出口及弯头的水头损失：一般按管段阻力损失值的5%～10%考虑，当倒虹管长度大于60 m时，采用5%;小于60 m时，采用10%[1]。倒虹管内的阻力损失值h2经计算为0.0276 m<0.206 m。

因此，倒虹管内的阻力损失值h2按0.206 m计。

②进、出水井内闸门阻力损失值。

d600 mm闸门进口ζ3=0.5,d600 mm闸门出口ζ4=1[2]。进、出水井内闸门阻力损失值h3经计算为0.026 m。

③综上，局部阻力损失值hj为0.232 m。

(4)倒虹管及进、出水井总阻力损失值h总经计算为0.508 m。

3.6 进、出水井的水面高差

根据《给水排水设计手册》(第5册城镇排水)第1.5.6条：进、出水井的水面高差应稍大于倒虹管及进、出水井总阻力损失值h总,可取0.05 m～0.1 m, 设计取0.1 m[1]。

进水井与出水井的水面高差取0.608 m。

4 结语

市政排水工程中，污水倒虹管运用越来越广泛，是污水管道系统能否正常运行的关键节点，设计前期应进行现场踏勘。设计过程中应对管径选择进行技术经济比较，选择管径，减少淤积可能，减轻后期清通维护工作量，并应确保出水管的管内底高程高于接入管的管内底高程。此外，还应征求当地主管部门意见，根据当地地形、地质、污水性质等作适当调整，做到理论联系实际，确保排水系统顺畅。