市政給排水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

吳至帆

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司（200092）

0 前言

在市政給排水工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重要內(nèi)容之一，與給排水作用的發(fā)揮密切相關(guān)。 所以，應(yīng)當(dāng)在保證給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的基礎(chǔ)上，提高管道結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而使其作用能夠得以最大限度地發(fā)揮。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)了解并掌握給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 市政給排水系統(tǒng)概況

1.1 給水系統(tǒng)

市政給水系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成: 水源、取水與凈水構(gòu)筑物、輸配水管道、加壓裝置、水池等。給水管道的布置情況如下。

1.1.1 配水管網(wǎng)

配水管網(wǎng)由兩種形式，一種是枝狀，另一種是環(huán)狀。 前者的供水安全性相對(duì)較差，管網(wǎng)中的水質(zhì)容易發(fā)生變化，投資相對(duì)較少，適用于小城鎮(zhèn)。后者的供水安全性和造價(jià)都比較高， 適用于大中型城市。

1.1.2 輸水管網(wǎng)

當(dāng)輸水管網(wǎng)的水源低于給水區(qū)時(shí)，需要以泵站進(jìn)行加壓；水源高于給水區(qū)時(shí)，可通過重力的方式進(jìn)行輸水[1]。

1.2 排水系統(tǒng)

市政排水系統(tǒng)的主要作用是對(duì)污廢水、雨水進(jìn)行排除與處理，避免水體污染。 污水排水系統(tǒng)主要由建筑內(nèi)部的排水設(shè)備、室外污水管道、泵站、排水口等幾個(gè)部分組成。 在對(duì)排水管道進(jìn)行布置時(shí)，要盡可能使路線達(dá)到最短，減少轉(zhuǎn)彎，管道與道路交叉時(shí)要與路中心線相垂直。

2 市政給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)方法

在市政給排水管道設(shè)計(jì)過程中，為確保設(shè)計(jì)出來的管道結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)當(dāng)對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)加以了解和掌握。

2.1.1 極限狀態(tài)計(jì)算

市政給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)以下兩種極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，一種是承載能力，另一種是正常使用。

1）與管道的承載能力極限狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容包括:所選管道結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力時(shí)，因超出管材本身的強(qiáng)度而損壞；管道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致管道的穩(wěn)定性喪失，無法繼續(xù)承載；管道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向滑移或是上浮的情況，喪失平衡性[2]。

2）與管道正常使用極限狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容包括:管道結(jié)構(gòu)耐久性能的限值，對(duì)管道正常使用具有直接影響的變形量限值，管道結(jié)構(gòu)上的局部裂縫寬度限值等。

2.1.2 抗浮設(shè)計(jì)

市政給排水管網(wǎng)的規(guī)模較大，遍布城市的各個(gè)地段，其中不乏沖溝、河岸等。 當(dāng)管道埋設(shè)在上述地段時(shí)，不可避免地會(huì)受到水流的沖刷。 鑒于此，要確保管道頂部的覆土層厚度在100 cm 以上，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，以分層的方式進(jìn)行壓實(shí)。同時(shí)，可按照地形地貌對(duì)管道的中心線位置進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)平面位置受到條件限制時(shí)， 可用混凝土包裹管道的方法進(jìn)行處理。 在常規(guī)的地段上， 若是管道頂部覆蓋土層的厚度不足70 cm， 則應(yīng)當(dāng)使用混凝土對(duì)管道進(jìn)行包裹，確保管道能夠達(dá)到抗浮設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 抗震設(shè)計(jì)

市政給排水管道埋于地下，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，在地震荷載的作用下，管道結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變形，甚至損壞。為最大限度降低地震對(duì)給排水管道的影響，應(yīng)當(dāng)采取合理的抗震設(shè)計(jì)。 在對(duì)給排水管道的走向進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)當(dāng)避開軟弱地基。當(dāng)管道必須從不利于抗震的地段上經(jīng)過時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，采取有效的抗震措施。如可通過設(shè)置鋼套筒的方法，對(duì)給排水管道進(jìn)行保護(hù)， 減輕地震對(duì)管道的直接作用。 與剛性連接相比，柔性連接的抗震能力更強(qiáng)，所以可將柔性連接作為管道的首選連接方式，以此來增強(qiáng)管道的抗變形能力[3]。當(dāng)管道從活動(dòng)斷層穿越時(shí)，應(yīng)當(dāng)在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下進(jìn)行淺埋，這樣不但有助于減輕地震作用力對(duì)管道結(jié)構(gòu)的破壞，而且還便于地震發(fā)生后對(duì)管道進(jìn)行快速維修。

2.2 構(gòu)造措施

在市政給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取如下構(gòu)造措施:給排水管道的承插管可以采用柔性連接，無壓管道在滿足抗震要求的前提下可適當(dāng)增強(qiáng)剛度，從而使管道本身具備更強(qiáng)的抗震能力，降低地震作用下產(chǎn)生變形的可能性。 當(dāng)給排水管道的形狀為圓形時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置管道基礎(chǔ)，材質(zhì)可選用鋼筋混凝土。 管道的接口位置處應(yīng)當(dāng)采用鋼絲網(wǎng)水泥帶，當(dāng)管道需要在液化的地段上布設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)以鋼混管道、柔性接口作為首選。

2.2.1 地基處理

在對(duì)市政給排水管道的地基基礎(chǔ)進(jìn)行處理的過程中，應(yīng)當(dāng)將與地基有關(guān)的圖紙全部納入到設(shè)計(jì)圖當(dāng)中。 以矢量化的方式，對(duì)處理地基的縱斷面進(jìn)行掃描，從中選取出適宜的參考點(diǎn)位，確定放置管道的基底輪廓線。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)地質(zhì)單元進(jìn)行劃分，并注明基底高程，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)狀況，選取適宜的方法對(duì)地基進(jìn)行處理。 為減弱地基土體本身的濕陷性，可在管道的基底增設(shè)一個(gè)墊層，材質(zhì)以灰土為主，厚度控制在 50～100 cm 即可[4]。

2.2.2 設(shè)置支墩

帶有承插接口的壓力管道在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)置支墩。 在對(duì)水平及垂直支墩進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)依據(jù)如下條件計(jì)算出支墩的尺寸： 管道的轉(zhuǎn)角、試驗(yàn)壓力、土體的基本參數(shù)等。 若是給排水管道采用的是鋼管，則無需設(shè)置支墩。

2.3 相關(guān)設(shè)計(jì)

在市政給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有一些與管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的內(nèi)容，具體包括管道出口格柵、井底沉淀池以及井內(nèi)閘槽等。

2.3.1 管道出口格柵

市政排水管道中常常會(huì)出現(xiàn)各種漂浮物，從而給管道的疏通工作增添了一定的難度。 大部分漂浮物會(huì)被提升泵站的格柵間攔截下來，其中會(huì)有一少部分通過格柵進(jìn)入到泵房當(dāng)中，這樣一來會(huì)造成水泵堵塞。 為避免此類問題的發(fā)生，在對(duì)格柵進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可縮小柵條的間距，雖然使泵房堵塞大幅度減少，但卻并未完全消除，偶爾仍然會(huì)發(fā)生堵塞。 對(duì)此，在市政排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可將攔污格柵設(shè)置在管道的出口位置，并指定專人對(duì)格柵進(jìn)行定期清理，從源頭上杜絕漂浮物進(jìn)入排水管道，避免泵站堵塞。

2.3.2 井底沉淀池

當(dāng)市政給排水管道內(nèi)的水體流速較為緩慢，且流量較小時(shí)，水中的沉積物便會(huì)出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。 當(dāng)沉淀達(dá)到一定的程度時(shí)，可能導(dǎo)致管道堵塞，進(jìn)而造成水流不暢通，影響給排水系統(tǒng)作用的發(fā)揮。 對(duì)于這種情況，可以在給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將沉淀池設(shè)置在檢查井的底部，并使整個(gè)井底在原本的基礎(chǔ)上下降50 cm 左右，由此絕大多數(shù)的沉積物基本上都會(huì)沉積在井底的沉淀池內(nèi)，不會(huì)繼續(xù)向下游流走。 對(duì)井底沉淀池內(nèi)的沉積物進(jìn)行定期清理，便可避免沉積物堵塞管道的情況發(fā)生。

2.3.3 井內(nèi)閘槽

在市政給排水系統(tǒng)的干管中，水體的流速與流量相對(duì)較大，部分檢查井內(nèi)的水位比較高。 在對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)前，需要先將水位降低，由此會(huì)導(dǎo)致管道維護(hù)工作量增大。 為解決這一問題，可在干管的檢查井內(nèi)設(shè)置閘槽，按照干管的長(zhǎng)度合理確定閘槽的數(shù)量和間距。 當(dāng)需要對(duì)某段干管進(jìn)行維護(hù)時(shí)，只要將該段干管的閘槽關(guān)閉，便可截?cái)嗨鱗5]。

2.4 設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

市政給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為確保設(shè)計(jì)出來的管道質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求，應(yīng)當(dāng)采取有效的措施對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行控制。

2.4.1 收集相關(guān)資料

為給市政給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供詳實(shí)可靠的依據(jù)，從而保證設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。 應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)工作正式開始前，對(duì)相關(guān)的資料進(jìn)行全面收集和整理。 當(dāng)資料全部收集好之后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)?shù)焦こ态F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘查，了解并掌握給排水管道敷設(shè)環(huán)境的基本特征，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步優(yōu)化，確保管道結(jié)構(gòu)、布設(shè)方式、構(gòu)造措施的合理性。

2.4.2 質(zhì)控要點(diǎn)

在對(duì)給排水管道的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)以區(qū)域道路規(guī)劃作為主要依據(jù)，可將排水管道設(shè)置在人行道或是慢車道。 在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)管道的坡度及埋深進(jìn)行嚴(yán)格控制，為管道質(zhì)量提供保障。 在排水區(qū)域內(nèi)，應(yīng)當(dāng)明確管道結(jié)構(gòu)的質(zhì)控要點(diǎn)，保證控制點(diǎn)標(biāo)高的合理性，從而使污水可以較快的速度流至管道內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

市政給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工作，涵蓋的內(nèi)容相對(duì)較多，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，可能會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量造成影響。 為此，應(yīng)了解并掌握給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以此來確保給排水管道工程能夠按質(zhì)、按量、按時(shí)完成。