深汕特别合作区某过河污水倒虹管设计实例分析

深汕特别合作区某过河污水倒虹管设计实例分析

陈勇 1 戴广杰 2 杨坤宁 1

1 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065； 2 北京市第三建筑工程有限公司， 北京 100044

【摘要】在总结传统倒虹管的技术特点的基础上，以深汕特别合作区某过河倒虹管为例，提出合理的设计优化，以期为国内开展相关工程提供参考。

【关键词】过河污水管；倒虹吸；设计实例

1 工程概况

深汕特别合作区位于汕尾市海丰县，处于深汕高速、324国道厦深铁路以及正在建设中的广汕铁路交汇点。2018年12月16日，深汕特别合作区揭牌仪式隆重举行，深汕特别合作区正式成为深圳第“10+1”区。

该工程位于深汕特别合作区某高新产业小镇内，属于市政道路配套管网建设项目，污水管正常情况下沿道路敷设，过河时需采用倒虹吸形式从河底穿越，河道水面宽度40m，河道红线宽度90m，河底高程4.2m，该河道为新开挖河道，河道规划不通航。本次设计污水管上下游管径DN700，设计坡度3‰，设计充满度0.7，设计污水流量424.4L/s，设计流速1.48m/s。

2 过河污水倒虹管设计

2.1 倒虹管的形式

倒虹管通常有直管型（凹字型）与多折型两种形式，见图1与图2。直管型适用于河面与河滩较窄，或障碍物面积与深度较小的情况；多折型适用于河面与河滩较宽阔，河床深度较大的情况^[1]。本工程倒虹管采用直管型与多折型相结合的形式（见图3），过河管前半段采用折线型，过河管后半段采用直管型，这样既可以减少进水井深度，管道中的沉积物又可以被冲刷至出水井中，避免污染物在过河管段中间沉积，便于后期清淤维护。

图1 直管型倒虹管

图2 多折型倒虹管

图3 直管型与多折型相结合倒虹管

2.2 管道定线及选址

倒虹管进出水井及管道应布置于道路及河道红线内，且管道线位尽可能与河道中线垂直，以期缩短倒虹管距离。管道在过河处往往会碰到桥梁基础等障碍物，桥梁规范并未规定其他建（构）筑物与其基础的最小水平间距，《城市工程管线综合规划规范^[2]》规定了排水管线与其他建（构）筑物的最小净距为2.5m，建议污水管线在过河时与桥梁基础的最小净距控制在5m以上。

过河倒虹管道应尽量选择在水流稳定、不易被水冲刷、河岸土质稳固段，以保证管道正常运行^[3]。且应对管道所处位置做详细的地质勘探，查明地质情况及周边现状管线情况，避免管道位于不良地质或者坚硬岩石段。难以避开时应做相应的处理，设计管线应避开现状管线，且与现状管线距离满足规范要求，无法保证时应做相应的管线保护或迁改处理。

2.3 倒虹管管径及流速设计原则

倒虹管管径根据设计流量流速计算确定，通常倒虹管管径比上游管道管径略小1～2级，通过缩小管径来增大流速，但最小管径不宜小于DN200。倒虹管内设计流速应大于0.9m/s，并应大于进水管内的流速，通常设计在1.2～1.5m/s为宜^[4][5]。可通过给定流速来计算管径，或者给定管径来计算流速是否合适，通过试算确定倒虹管管径及流速。

2.4 倒虹管管材选择

倒虹管管材通常采用金属管或钢筋混凝土管，为避免污水渗漏，对于折线型倒虹管不宜选用承插连接的混凝土管；金属管易于施工，管道强度高，抗外部荷载能力强，但金属管易受污水腐蚀。本工程倒虹管采用PE100给水用聚乙烯管，抗污水腐蚀性能好，管道连接采用热熔连接，施工方便，不易漏水，但塑料管管道较轻，为满足抗浮要求，本次采用钢筋混凝土进行包封，这样不仅增加管道配重，而且增强了管道的抗冲刷及抵抗外部荷载能力，保障过河倒虹管的使用安全。

2.5 设计计算

（1）倒虹管管径计算

D=

式中：D 为倒虹管管径，m；Q 为倒虹管内流量，m³/s；υ 为管道流速，m/s。

根据上节2.3中给出的设计原则，本次通过给定设计流速计算倒虹管管径，本次设计流速取1.5m/s＞1.48m/s（进水管流速），通过公式计算得倒虹管管径为DN600。

（2）进出水水面差计算

H=h₁+h₂+h₃

h₁= i ×L

h₂=

式中：H 为进出水井的水面差，m；h₁ 为倒虹管沿程水头损失，m；h₂ 为倒虹管局部水头损失，m；h₃ 为安全水头，一般取0.05～0.10 m；i 为水力坡降（即倒虹管每米长的水头损失）；L 为倒虹管的长度，m；ζ 为局部阻力系数，m；v 为倒虹管内流速，m/s；g 为重力加速度m/s²。

查给水排水设计手册^[6]，得倒虹吸管道D=400，Q=424.4L/s，i=4.8‰，υ=1.5m/s，倒虹管长度L=83m，h₁=4.3‰×83=0.357，h₂=0.018，h₁+h₂=0.375，安全水头h₃取0.1，因此H=0.475。

2.4 平面及竖向设计

（1）平面设计：倒虹管过河应尽量远离现状或新建桥梁等构筑物基础，避免新建桥梁施工时对倒虹管造成破坏，或者倒虹管施工时破坏现状桥梁等构筑物稳定性。本工程设计倒虹管采用双管敷设，一备一用，进水井设置事故排放口，并在河道两岸倒虹管上方设置标志桩，以提示河道下方存在管道，避免其他工程施工对倒虹管造成破坏。本工程倒虹管平面设计图见图4。

图4倒虹管平面布置图

（2）竖向设计：倒虹管管顶距规划河底最小净距除满足规范最小净距外（一般不小于1.0m），还应满足当地河道管理办法等相关规定要求，通过通航河道时，应征询航运管理部门意见。本次设计管顶距离规划河底最小净距取2.0m。

2.5 进出水倒虹井设计

本次设计进出水倒虹井均设置闸门及检修平台，方便后期检修，为避免倒虹管淤积，本工程的防淤措施主要有：

（1）进出水倒虹井均设置30cm沉泥槽，防止杂物进入倒虹管；

（2）设计流速1.5m/s，大于规范规定的最小流速0.9m/s；

（3）倒虹管上设置冲洗设施，避免后期淤积时疏通困难。

图4进出水倒虹井剖面图

2.7 施工方式

倒虹管施工通常有大开挖施工、顶管施工、水平定向钻等方式。穿越现状宽度、水量较大的干流水系时通常采用顶管或者水平定向钻等非开挖方式，横穿新挖河道或者水量较小的直流水系时采用大开挖方式较多。本次河道为新开挖河道，施工采用大开挖+支护的方式进行施工，管道坡度平顺、施工质量好。

3 结语

倒虹管由于埋深大，疏通养护困难，设计时应经过详细的设计计算以及方案比选，特别应注意管道的防淤积措施、管材比、施工方式、管道埋深等方面；此外，应加强倒虹管的养护管理，如双管的切换使用，定期的冲洗疏通，以保证倒虹管的长期畅通运行。

【参考文献】

【1】给水排水设计手册（第五册城镇排水）.中国建筑工业出版社 [M].第三版. 2017年2月

【2】GB50289 城市工程管线综合规划规范（2016年版）[S].

【3】张新欢, 崔露愉. 倒虹管在污水管道中的应用 [J]. 上海水务, 2017, 33(2): 57-59.

【4】李敏. 污水倒虹管设计要点与实例分析 [J]. 城市道桥与防洪, 2015, 10(10): 89-91.

【5】张军卫, 张智. 北碚区主城排水管网过河倒虹吸工程设计 [J]. 市政技术, 2009, 27(5): 482-484.

【6】给水排水设计手册（第一册常用资料）.中国建筑工业出版社 [M].第二版. 2000年10月.

作者简介：陈勇（1987~），男，陕西咸阳人，工程师，从事水环境治理和市政给排水设计工作。