城區(qū)污水管道設(shè)計分析

金旺才 劉海茹

城市化進程不斷加深，在促進城市發(fā)展的同時，也在一定程度上導(dǎo)致城市的水污染問題越發(fā)嚴重。鑒于此，為了促進城市可持續(xù)發(fā)展，有必要針對城市內(nèi)部污水管道設(shè)計理念進行分析和研究。

1.城區(qū)污水管道現(xiàn)狀分析

城區(qū)污水管道建設(shè)工作屬于我國市政工程的重點內(nèi)容。隨著城市發(fā)展進程的逐步擴大，城市的污水管網(wǎng)復(fù)雜程度也在攀升，與給水管道不同，市政污水管道的綜合距離較長，且經(jīng)常需要穿越城市的交通干線以及大型建筑物。此外，由于很多城市的排污管道使用年限較長，已經(jīng)發(fā)生了一定程度的變形，甚至引起了路面塌陷。由此可見，一定要充分做好城市污水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

2.城市污水管道設(shè)計需要重點關(guān)注的幾個方面

2.1 合理選擇污水管材

在針對城市排污管道進行設(shè)計的過程中，一定要重視管材的選擇。管材的材料性質(zhì)、管道的用途、管道日常的工作環(huán)境和管道敷設(shè)方式、管道所處區(qū)域的地質(zhì)水文條件有著非常重要的關(guān)系。鑒于此，在選擇施工管材的過程中，一定要結(jié)合上述條件做好管材的挑選工作。

如在針對城市排污管道進行挑選的過程中，由于污水排污管道的重力管壓力較低，可以采用金屬材質(zhì)管材，在城市排污中，常用的管材有鋼管、球墨鑄鐵管。除此之外，也可以使用材料結(jié)構(gòu)為混凝土形式的管材，如預(yù)應(yīng)力混凝土管材、聚合物膠結(jié)混凝土管材。

此外，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，目前還有一些城市開始使用化學合成管材。不同類型的管材都有自身的優(yōu)勢和缺點。以金屬管材為例，雖然金屬管材的制作加工工藝比較簡單，且非常適合應(yīng)用在一些地形地質(zhì)水文條件相對復(fù)雜的區(qū)域，但是由于污水具有較強腐蝕性，對金屬管材的腐蝕非常嚴重，針對金屬管材開展防腐工作具有一定的困難。

由此可見，為了盡量延長城市污水管道的使用壽命，應(yīng)該盡量避免使用金屬管材。混凝土管道具有耐腐蝕、使用壽命長的優(yōu)勢，但是由于混凝土管道的抗?jié)B性能較差，不經(jīng)過特殊處理很容易發(fā)生污水滲漏情況。和混凝土管材相比，合成材料污水管材具有水頭損失較低、造價低、防腐蝕性高且防滲透能力較好的優(yōu)勢，非常適合在城市污水管道設(shè)計中廣泛應(yīng)用。

2.2 做好管道結(jié)構(gòu)分析工作

一般情況下，城市的排污管道都采用埋地安裝方式，在應(yīng)用該方式的過程中，一定要結(jié)合施工區(qū)域的實際地質(zhì)條件展開設(shè)計。施工人員需要根據(jù)基槽回填土密實度來對排污管道的結(jié)構(gòu)進行確定。此外，為了確保管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度，還應(yīng)該針對管道的強度開展核算工作。同時，也要做好裂縫核算工作。在針對柔性管道結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中，一定要充分做好管道環(huán)截面強度、環(huán)向穩(wěn)定性、環(huán)截面變形控制計算工作。如果城市的地下水水位較高，還有可能產(chǎn)生污水管道埋設(shè)在地下水水位以下的情況，針對這一現(xiàn)象，除了做好管道防腐工作之外，還要針對管道的抗浮穩(wěn)定性進行計算。通常，組合作用下金屬管道的最終豎向變形率應(yīng)控制在3%以內(nèi)，塑料管道的最終豎向變形率應(yīng)控制在5%以內(nèi)。在12h～24h 時內(nèi)，金屬管道變形的裂變率不超過2%，塑料管道不超過3%。

2.3 采用合適的管道施工技術(shù)

在針對城市污水管道開展施工的過程中，不僅要考慮地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時也要做好地面障礙物以及地表覆蓋物的綜合分析工作。就目前的城市污水管道施工情況來說，常用的管道施工方式有：（1）開挖施工；（2）頂管施工；（3）水平定向鉆。

在采用開挖施工技術(shù)的過程中，一定要充分保障施工場地周圍沒有障礙物后才可以進行開挖施工。開挖施工技術(shù)具有工程造價較低、施工周期短的優(yōu)勢。在采用開挖技術(shù)的過程中，為了確?；又苓叺陌踩?，需要采取安全防護措施。

在采用頂管技術(shù)的過程中，由于該管道施工技術(shù)不需要進行開挖施工，需要施工人員在道路兩側(cè)放置工作井和接收井，然后再借助千斤頂進行頂進即可。鑒于此，在采用頂管施工的過程中，應(yīng)該選擇借助封閉式工具頭進行施工，當施工距離較長的時候，還應(yīng)增加中繼環(huán)接力頂進。

水平定向鉆也是一種非開挖施工技術(shù)，該技術(shù)需要借助水平定向鉆進行打孔，然后經(jīng)過多級擴孔后進行管道敷設(shè)工作。此外，在擴孔的過程中，還要同步做好泥漿護壁工作，并利用水泥砂漿針對空隙進行填補。在城市污水管道施工技術(shù)中，水平定向鉆技術(shù)由于施工方式簡單、施工成本低受到施工單位的青睞。

2.4 做好管基及溝槽回填工作

如果城市的污水管道采用混凝土管，那么一定要做好管道溝槽回填工作。管道溝槽回填質(zhì)量在一定程度上決定了管道的受力大小以及路基的穩(wěn)定性。如果沒有做好管道溝槽回填工作，非常容易導(dǎo)致混凝土管道產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致地面沉降和塌陷。鑒于此，在針對管道溝槽進行回填的過程中，應(yīng)該注意以下幾方面的問題。（1）要做好回填材料選擇工作，針對混凝土管道可以使用粘土、粉質(zhì)粘土和砂礫進行分層回填。在針對金屬材質(zhì)管道進行回填的過程中，在管道的基礎(chǔ)底層應(yīng)該選擇中粗砂礫進行回填，在管道兩側(cè)應(yīng)該選擇中粗砂、級配砂礫回填。（2）在進行回填的過程中，一定要注意施工力度，不能對管道壁造成損傷。（3）管道處于淤泥層中，由于地基作用力較弱，在回填時還要鋪設(shè)一層墊層。

3.工程案例分析

在本文中，選擇我國南方某地區(qū)的城市污水管道為例，該城市污水管道長度為6.4km，管徑在De300～De500，埋深1.0m～3.5m。在敷設(shè)該管道的過程中，不僅需要穿越城市道路，同時還要穿越河道駁岸擋墻及居民房屋。由此可見，該管道敷設(shè)難度和復(fù)雜性較強。由于該城處于我國長江中下游三角洲區(qū)域，地形結(jié)構(gòu)為淤積平原，整體地勢比較平坦。根據(jù)勘察結(jié)果可知，該城市的土層按照時代和物理特征指標可以劃分為以下幾層：4 個工程地質(zhì)層，6 個工程地質(zhì)亞層。由于該區(qū)域的地形特征相對平坦，施工人員在敷設(shè)排污管道的過程中，采用開挖施工技術(shù)和牽引施工技術(shù)。針對開挖地段，選擇HDPE 纏繞結(jié)構(gòu)壁管，針對牽引路段，使用PE100 實壁管。經(jīng)過對管道的分析計算得出其力學性能如下：質(zhì)量密度不小于0.93 g/cm3，彈性模量不小于758 MPa，抗拉強度不小于20.7 MPa，抗拉設(shè)計值不小于16.0 MPa，環(huán)剛度不小于10 kN/m2。除上述前四項要求外，PE 實壁管的環(huán)剛度滿足施工使用階段的荷載要求，最小不小于10 KN/m2，管材滿足拉回要求，拉應(yīng)力不大于12 MPa。在粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層作為基礎(chǔ)持力層的情況下，當持力層為淤泥質(zhì)粉砂粘土時，用厚度不小于300 mm 的碎石墊層替換。挖方管道管腔內(nèi)、管頂以上500mm 內(nèi)均采用級配砂礫摻料回填。

但是，經(jīng)過現(xiàn)場試水分析后，發(fā)現(xiàn)該管段部分區(qū)域有一定的淤塞現(xiàn)象，造成地面沉降。施工人員經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)是因為施工方為了節(jié)約成本，擅自對管道材料進行了更換，且在施工的過程中沒有輔助做好支護措施和防水措施，沒有按照基坑回填要求做好基坑回填工作，從而導(dǎo)致施工完成后，上部土體對下部管道造成擾動，引發(fā)管道接口變形，從而導(dǎo)致路面沉降連續(xù)發(fā)生。經(jīng)過返工設(shè)計后，上述現(xiàn)象消失，管道運行狀態(tài)和質(zhì)量良好。

4.城市污水管道設(shè)計過程中的反思

結(jié)合工程案例可知，城市污水管道的埋深會直接影響管道的施工質(zhì)量和總體的工程造價，通常，管道的埋深程度越高，其工程造價也就越高，從而增加了施工難度和施工周期。同時，管道埋深對管道直徑有著非常大的影響，如果埋深較大，其埋深造價會高出管徑造價好幾倍。同時，受到管道連接和埋設(shè)的影響，如城市污水管道埋深增加了半徑，則該管道下游的管道整體埋深都會有所增加。鑒于此，在城市污水管道的設(shè)計過程中，要盡量降低埋深。

此外，埋深程度還會影響管道的水流速度。影響管道埋深程度的決定因素為管道坡度，如果管道內(nèi)水流速度降低，其水力半徑會增加。二者之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系。為了合理控制管道的水流速度，應(yīng)該合理選擇管道埋深。但是，在污水管道的約束條件中，除了對最小管徑的管底坡度要求外，還沒有對管底坡度作出具體規(guī)定，因此不能把管底坡度作為優(yōu)選的決策變量。而對于設(shè)計流速卻存在明確的約束，在滿足設(shè)計流速約束條件的前提下，最小設(shè)計流速是優(yōu)選設(shè)計參數(shù)的重要內(nèi)容。

5.結(jié)束語

城市污水管道設(shè)計工作屬于市政工程的重點內(nèi)容，鑒于此，可以通過優(yōu)化管材、選擇合理的施工方式、做好管道溝槽回填工作等方式來提升城市排污管道質(zhì)量。