污水管網(wǎng)連通工程過(guò)河段管道設(shè)計(jì)

曹 芳 吳明白 劉 明 用明亮

（宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司 宿遷 223800）

1 工程概況

本工程將河西污水處理系統(tǒng)中的青年路污水提升泵站調(diào)至城南污水處理系統(tǒng)中，在泵站至飲馬堤路現(xiàn)狀污水管網(wǎng)區(qū)間增設(shè)連通管道，把青年路污水提升泵站1.5 萬(wàn)m3/d 的污水調(diào)入城南污水處理廠處理，其中需新建170m 過(guò)古黃河壓力管道。

2 管道設(shè)計(jì)

2.1 管徑設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)青年路污水提升泵站向城南污水處理廠輸送污水量最小為0.5 萬(wàn)m3/d，最大為1.5 萬(wàn)m3/d。為保證過(guò)河管道污水運(yùn)行安全，管徑以最小流量和最大流量進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)最小流量為0.5 萬(wàn)m3/d，管道流速按0.7m/s 計(jì)，管道管徑為324.3mm，選擇管道為dn400（公稱壁厚36.3mm）；按dn400 管道復(fù)核最大流量1.5 萬(wàn)m3/d，流速為2.0m/s，，滿足規(guī)范要求。

2.2 管道水頭損失計(jì)算

管道沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：hf—管道水頭損失；

f—管材摩阻系數(shù)，取0.505；

Q—設(shè)計(jì)流量，（m3/h）；

m—流量指數(shù)，取1.75；

D—管道內(nèi)徑（mm）；

b—管徑指數(shù)，取4.75；

L—管道長(zhǎng)度，（m），取745。

按最大流量計(jì)算得出hf=6.31m，局部水頭損失取沿程水頭損失的20%計(jì)，則局部水頭損失為1.26m，最大流量管道總水頭損失為7.57m，同理最小流量管道總水頭損失為1.13m。

2.3 管道參數(shù)計(jì)算

管道在外壓力作用下，豎向直徑的變形率應(yīng)小于管道直徑允許變形率5%。管道豎向直徑變形率按下式計(jì)算：

式中：

ε—管道豎向直徑變形率；

Wd，max—管道在荷載準(zhǔn)永久組合作用下的最大豎向變形量（m）；

Fsv，k—每延米管道上管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m）；

Kd—管道變形系數(shù)，取0.096；

Dl—變形滯后效應(yīng)系數(shù)，取1.2；

qvk—地面車輛荷載傳至管頂單位面積上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)（kN/m2），取10；

ψq—可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)，取0.5；

D1—管道直徑（m），取0.4；

γs—回填土的重力密度（kN/m3），取18；

Hs—管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度（m），取10.8m；

Sp—管材環(huán)剛度（kN/m2）；

Ed—管側(cè)土的綜合變形模數(shù)（kN/m2）；

Ee—管側(cè)回填土在要求壓實(shí)密度時(shí)相應(yīng)的變形模量（MPa），取5；

En—溝槽兩側(cè)原狀土的變形模量（MPa），取10；

ζ—綜合修正系數(shù)，查表取1.52。

Ed=1.52×5=7.6 kN/m2

Fsv，k=1.2×18×10.8×0.4=93.31kN/m

Wd，max=1.2×0.096×（93.1+0.5×10×0.4）/（8×Sp+0.061×7.6×1000）

ε=Wd，max/D1×100%=10.96/（8×Sp463.6）＜0.02，則Sp＞10.55。

塑料管道環(huán)剛度按下式計(jì)算：

Sp=EpIp/（8ro3）

式中：

Sp—管材環(huán)剛度（kN/m2）, 本次設(shè)計(jì)選擇管道環(huán)剛度為12.5kN/m2；

Ep—管材長(zhǎng)期彈性模量（kN/m2），取8000；

Ip—管道縱截面每延米管壁的慣性矩（m4/m）；

ro—管道計(jì)算半徑（管壁中性軸半徑）（m），取0.2。

計(jì)算得出：Ip=3.14×0.44×(1-D4/0.44）/64

Sp=8000×Ip/（8×0.23）=12.5kN/m2

計(jì)算管道內(nèi)徑D=250.0mm，根據(jù)管道參數(shù)，本次設(shè)計(jì)過(guò)黃河牽引段管道選擇dn400 國(guó)標(biāo)PE100 級(jí)管道，公稱壓力1.6MPa，環(huán)剛度為12.5 kN/m2。

2.4 過(guò)河牽引段設(shè)計(jì)

2.4.1 管道過(guò)河設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)資料，工程位置處河槽表層和淺層土主要為素填土（Q4ml），雜色，松散，主要成分為粉土、粉質(zhì)黏土和輕粉質(zhì)砂壤土（Q4ml）。

由于新建管道工程處河道無(wú)河灘，本次僅對(duì)河槽沖刷進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ C30-2015），非黏性土河槽沖刷計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀斷面情況下，河槽10年一遇工況下一般沖刷深度0.71m，沖刷線高程19.99m，50年一遇工況下一般沖刷深度0.23m，沖刷線高程20.47m，規(guī)劃斷面情況下排澇及行洪工況均無(wú)一般沖刷。管道穿河處沖刷計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4.2 管道過(guò)河牽引布置設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用dn400PE 管牽引過(guò)古黃河，根據(jù)地形情況，管道牽引入土點(diǎn)在河道東岸，出土點(diǎn)在河道西岸。在管道牽引段古黃河規(guī)劃整治河底標(biāo)高為19.0m，寬度為50m，設(shè)計(jì)本次牽引管道在河底處覆土深度考慮后期施工冒漿、河道清淤等影響，河底水平段管道位于土質(zhì)第3 層，水平段管底高程為12.0m，管頂距規(guī)劃河底距離6.6m，見(jiàn)圖1。

根據(jù)《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 382-2014）要求，本次設(shè)計(jì)牽引管道曲率半徑R=300×400/1000=120m，入土角α=15°，出土角β=15°，入土端高度h1=13.8m，出土端高度h2=12.4m。

a2=R×sinα=31.1m

b2=R×（1-cosα）=4.1m

b1=h1-b2=9.7m

a1=b1/tanα=36.2m

表1 管道穿河處沖刷計(jì)算參數(shù)表

c1=R×sinβ=31.1m

d2=R×（1-cosβ）=4.1m

d1=h2-d2=8.3m

c2=d1/tanβ=31.0m

L=L0+a1+a2+c1+c2= L0+129.4m

本次設(shè)計(jì)管道入土點(diǎn)位于青年路泵站出水井南側(cè)，牽引管道出土點(diǎn)位于青年路泵站黃河對(duì)岸花園路東側(cè)，牽引管道與黃河河道中心線垂直相交。

結(jié)合管道出入土點(diǎn)及實(shí)際地形情況，本次設(shè)計(jì)牽引管道水平段L0為50m，所以牽引管道平面總長(zhǎng)L 為180m。

2.4.3 回拖力計(jì)算

（1）本次設(shè)計(jì)管道水平段位于土質(zhì)3 層，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土。無(wú)水平方向彎曲的鉆孔，其典型軌跡由曲線段-直線段-曲線段組成（見(jiàn)圖2），回拖力計(jì)算采用遞推關(guān)系式計(jì)算。

TA=efgβfgwp（L1+L2+L3+L4）

TB=efhβ（TA+fh｜wf｜L2+wfH-fgwpL2efgβ）

TC=TB+fh｜wf｜L3-efhβ（fgwpL3efgβ）

TD=efhα[TC+fh｜wf｜L4-wfH-efhβ（fgwpL4efgβ）]

wp=（D12-D2）γp

wf=πD12γm/4-wp

計(jì)算得出：wp=（0.42-0.3272）×0.955×3.14/4=0.04kN/m

wf=3.14×0.42×12/4-0.04=1.47kN/m

TA=4.3kN

TB=54.6kN

TC=75.4kN

TD=90.0kN

所以本次管道過(guò)河牽引回拖力不小于90.0kN。

（2）管道可承受最大回拖力計(jì)算

圖1 管道牽引軌跡設(shè)計(jì)示意圖

圖2 管道牽引軌跡簡(jiǎn)化示意圖

塑料管道可承受最大回拖力按下式計(jì)算：

F=б×π（D12-D2）/（4N）

式中：F—管道能承受的最大回拖力（N）；

б—管材的屈服強(qiáng)度（MPa），取8.0；

D—管道內(nèi)徑（mm）；

N—安全系數(shù)，取2.0。

計(jì)算得出：F=165.8kN

設(shè)計(jì)施工回拖力小于管道可承受回拖力，滿足安全要求。

（3）管道擴(kuò)孔設(shè)計(jì)

牽引管道鉆孔最終擴(kuò)孔直徑為管道外徑1.2 倍，為480mm。

（4）鉆孔泥漿設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)管道所穿越地層為輕粉質(zhì)砂壤土和粉質(zhì)黏土，因此本次定向鉆必須選擇優(yōu)質(zhì)泥漿，用膨潤(rùn)土進(jìn)行泥漿護(hù)壁處理，使泥漿達(dá)到一定黏度，失水量降低，同時(shí)能抑制地質(zhì)土體的分化，保持孔壁穩(wěn)定。泥漿性能參數(shù)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況確定并案地質(zhì)的變化進(jìn)行調(diào)整。

（5）壓漿加固設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)在管道回拖后采用液壓注漿，水泥漿與周圍松軟土體混和后，可加強(qiáng)鉆孔周圍土層強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)管道起到保護(hù)作用。注漿壓力保持在0.4～0.8MPa之間，注漿參數(shù)選取及水泥漿各骨料用量計(jì)算：水灰比為1︰1，水泥為42.5 普通硅酸鹽水泥。

（6）泥漿循環(huán)與管理

水平定向鉆在施工過(guò)程中要保持穩(wěn)定的泥漿循環(huán)，泥漿在專用的攪拌容器中配制，從鉆孔內(nèi)返出的泥漿經(jīng)沉淀后凈化設(shè)備處理并調(diào)整后重復(fù)利用。當(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程需要長(zhǎng)時(shí)間中斷時(shí)，要對(duì)孔內(nèi)定時(shí)補(bǔ)充新泥漿并活動(dòng)鉆具，防止泥漿漏失及卡鉆事故的發(fā)生。施工后出入土點(diǎn)泥漿用泥漿泵抽到泥漿罐內(nèi)，及時(shí)用泥漿車排放到合理位置，將廢漿清理干凈，并恢復(fù)原貌。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)施青年路泵站至飲馬堤路污水管網(wǎng)連通工程，可將青年路污水提升泵站1.5 萬(wàn) m3/d 污水調(diào)入城南處理廠，近期基本可以解決河西污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行和城南污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷過(guò)低資源浪費(fèi)問(wèn)題，減少污水入河現(xiàn)象發(fā)生；遠(yuǎn)期可成為河西污水系統(tǒng)和城南污水系統(tǒng)之間應(yīng)急連通管道，在河西污水處理廠遭遇突發(fā)應(yīng)急事件時(shí)，可以利用連通管道減少污染事件影響■