沿河道敷設排水管道工程設計重難點

黎 鋒

(湖南博世科環(huán)保科技有限公司,湖南 長沙 410000)

1 概述

近年來，隨著國家大力支持污水治理工程，越來越多縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污水處理工程啟動了建設。益陽市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理項目即在此列，本污水廠近期設計規(guī)模8 000 m3/d，遠期設計規(guī)模18 000 m3/d，廠址位于洢水河側，其中10 km的截污主干管敷設在洢水河河床。由于本項目位于山區(qū)，雨季時，河流的斷面流量和流速較大，如何確保敷設在河床內(nèi)的管道安全，成為了該項目的重點和難點。

2 設計重難點

在河道內(nèi)敷設污水管道，需要注意的幾個要點：1)污水管道屬于重力流，一般情況下，會沿河流的流向在河床下而敷設，標高越來越低；2)設計時需考慮空管在水下所受到的浮力作用，即需進行抗浮設計[1]；3)需考慮河流的沖刷作用對管道及檢查井的影響；4)需考慮河水中攜帶的大塊硬質漂浮物對管道和檢查井設施的沖撞。

3 工程設計

考慮到了管道在河床下敷設時所面臨的重難點，應盡量避開沿河床敷設管道。但由于本項目，截污主干管途經(jīng)鎮(zhèn)區(qū)主干道，道路較窄，兩側均建有居民樓，且道路下已敷設各類管線，不具備在道路下敷設污水管道的條件。同時居民的生活污水直接排入房屋后面的河流中，若將管道敷設在道路下，需對居民樓內(nèi)排水口位置進行改造，投資額增大，協(xié)調工作難度大，對工作開展和項目進度不利?；谏鲜鲈?，選擇將污水主干管敷設在居民樓后面的洢水河中。納污主干管按照遠期規(guī)模18 000 m3/d進行敷設。污水管道總長度為12 km，其中沿河敷設段約10 km，起端為DN400鋼帶增強聚乙烯螺旋波紋管(以下簡稱鋼帶管，屬于塑料管)，后端逐步增大，至進污水廠前，采用DN1 000的鋼帶管。

3.1 難點一：抗浮設計

抗浮設計主要包括兩種：一是自重抗??；二是工程措施抗浮。

3.1.1 自重抗浮

由于污水管道淹沒在河水中，考慮管道在最不利情況(即空管)下受到浮力作用，當管道的自重不能抵消浮力作用時，管道上浮，管道將變形斷裂。

此處以管徑為DN600管道分別計算自重和浮力(管道長度按1 m計)，管道自重可查詢廠家樣本，管道在水中所受到的浮力可根據(jù)阿基米德原理進行計算：

分別計算Ⅱ級鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、焊接鋼管和鋼帶管的自重和浮力，如表1所示。

表1 常見管道(DN600)自重和所受浮力計算表

通過水力計算，在浮力相同的情況下，混凝土管道的自重最大。但混凝土管道接口施工的要求很高，難以做到嚴密防水。球墨鑄鐵管道其自重較大，抗浮措施較簡單，內(nèi)襯材料具有防腐蝕作用，但價格過高，將導致項目整體投資增加。結合接口嚴密性和工程投資方面考慮，目前使用最廣泛的是塑料管道，本項目采用塑料管(鋼帶管)作為截污主干管的材質。由于該材質的管道自重無法抵消浮力作用，因此需進行措施抗浮設計[2]。

3.1.2 措施抗浮

通常情況下，措施抗浮主要有覆土抗浮和混凝土鎮(zhèn)墩抗浮兩種。

第一種為覆土抗浮。以DN600的塑料管道為例，查詢表1，其浮力為2 690.18 N，自重為147.15 N，因此措施抗浮力應大于2 543.03 N，經(jīng)計算，其覆土厚度應該為0.5 m可滿足抗浮要求。由于本項目管道敷設在河床下，暴雨季節(jié)的洪水會對現(xiàn)有河床造成沖刷，降低覆土厚度，覆土抗浮不適用。

第二種是混凝土鎮(zhèn)墩抗浮。管道覆土的情況下，根據(jù)防洪評價報告中提供的河床沖刷深度，計算沖刷后的覆土厚度，據(jù)此計算混凝土鎮(zhèn)墩的尺寸和數(shù)量。本文按最不利取覆土厚度為0 m，以DN600的鋼帶管為例進行鎮(zhèn)墩抗浮設計。

根據(jù)上述所示，單位長度的鋼帶管所受到的浮力為147.15 N，如考慮每隔4 m設置一個鎮(zhèn)墩，則總浮力為10 172.12 N?；炷伶?zhèn)墩采用C30鋼筋混凝土，斷面尺寸為1.0 m×1.0 m，長度為1.0 m，鎮(zhèn)墩的橫斷面圖如圖1所示。

則計算鎮(zhèn)墩的重量為(1.0×1.0-3.14×0.588×0.588/4)×0.6×2.5×9.81=13 717 N，滿足抗浮要求。

3.2 難點二：防沖刷設計

河床被沖刷后，容易造成敷設在河床下污水管道的檢查井或管道基礎板底脫空，管道發(fā)生下沉而損壞。

防沖刷的措施[3]：

1)敷設在沖刷深度以下；

2)在沖刷面堆砌石籠和大塊石，避免對河床產(chǎn)生沖刷；

3)局部沖刷時，可考慮在沖刷面做混凝土硬化處理；

4)確保管道敷設標高低于常規(guī)的沖刷深度，在管道溝槽內(nèi)采用混凝土包管處理。

3.3 難點三：防沖撞設計

由于河水流動，特別是雨季時，河水會攜帶大量的大塊硬質物

體，比如木方和石塊等。如上述物塊對排水設施(主要是檢查井的井筒)進行沖撞，將損壞檢查井。為此需對檢查井井筒部分進行防沖撞設計。

本項目設計時，根據(jù)對相關河道相關數(shù)據(jù)的查閱，管道敷設段河床的沖刷深度約為0.5 m。故在河床以下0.5 m范圍內(nèi)對檢查井井筒設置了保護層，保護層厚度為250 mm，深度為500 mm，采用C20的素混凝土，詳見圖2，圖3。

本項目采取上述抗浮、防沖刷和防沖撞設計措施后，工程在2015年4月份完工，經(jīng)受了2015年和2017年洪水的檢驗，埋深在河床下的污水管道未受到破壞，對污水處理廠的正常運行提供了保障。

4 結語

鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠配套截污管道在設計時，應遵循如下原則：

1)管道走向方案確定時，污水管道盡量不要選擇在河床內(nèi)敷設；

2)如果選擇在河床上敷設污水管道，則應該選擇枯水季節(jié)河床水位最淺時進行施工；

3)如果必須在河床內(nèi)敷設污水管道時，若投資允許，則優(yōu)先選用排水用球墨鑄鐵管、帶內(nèi)外襯的鋼管等金屬管材；

4)采用塑料管材時，設計之前需收集該河流的相關基礎數(shù)據(jù)，并注意抗浮設計、抗沖刷設計和抗沖撞設計。