低山丘陵地區(qū)村鎮(zhèn)污水管道設(shè)計與應(yīng)用

陳 莽，戴 紅，馬丹丹

（1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川 成都 610081；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川雅安 611830）

0 引 言

近年來，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，我國對于鎮(zhèn)、村污染的治理愈發(fā)重視，村鎮(zhèn)污水治理行業(yè)得到了快速發(fā)展并穩(wěn)健增長。

村鎮(zhèn)建設(shè)過程中大多缺乏對排水系統(tǒng)的整體規(guī)劃，很多村鎮(zhèn)污水治理工程“重廠站、輕管網(wǎng)”；另一方面，受經(jīng)濟(jì)、時間、地區(qū)發(fā)展等因素影響，部分村鎮(zhèn)污水治理工程“先廠站、后管網(wǎng)”，污水站進(jìn)水不穩(wěn)定、運(yùn)行管理困難等，導(dǎo)致污水治理系統(tǒng)低效運(yùn)行甚至癱瘓，造成資源的浪費(fèi)[1]。

現(xiàn)階段村鎮(zhèn)污水治理工程的終端處理技術(shù)已受到廣泛關(guān)注并迅速發(fā)展成熟。但圍繞村鎮(zhèn)地區(qū)尤其是低山丘陵等地區(qū)的污水收集與輸送問題，還未得到有效地解決。污水管道的設(shè)計運(yùn)行思路研究顯得尤為重要。

1 低山丘陵地區(qū)村鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的特點(diǎn)

村鎮(zhèn)相比于城市而言，具有人口密度低、分布較為分散等特點(diǎn)[2]，村鎮(zhèn)污水也具有分布分散、規(guī)模較小、水量水質(zhì)變化大等顯著特征。低山丘陵地區(qū)由于天然的居住條件、發(fā)展邊界等的限制，村莊等的空間分布更加隨機(jī)[3]，對污水收集、處理系統(tǒng)提出了更高的要求。

結(jié)合我國村鎮(zhèn)地區(qū)特點(diǎn)，可將村鎮(zhèn)污水處理按照規(guī)模大小分為鎮(zhèn)級、村級、戶級三種不同集中程度的污水處理系統(tǒng)，其規(guī)模范圍大致可分為：鎮(zhèn)級500～10 000 m3/d，村級10～500 m3/d，戶級小于10 m3/d。

低山丘陵地區(qū)地形復(fù)雜、巖層較淺，民房建設(shè)分散、無規(guī)劃、街巷狹窄[4]，給重力流管道的設(shè)計與運(yùn)行帶來很大的挑戰(zhàn)。其排水系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：（1）沿河道、山溝呈線性分布，受地形、水源、交通等多方面因素影響，村鎮(zhèn)發(fā)展也多呈帶狀。（2）順應(yīng)地勢向多個方向分散排放，受山洪等因素影響，村鎮(zhèn)房屋往往居高而建，排水自然順坡而下，難以形成統(tǒng)一的行泄通道。（3）明溝、暗管交織錯落，因地質(zhì)條件、建設(shè)水平、時序的不同，往往形成沿河、明排、暗流同時存在的混合排水系統(tǒng)。

2 污水管道設(shè)計的技術(shù)路線選擇

2.1 重力流管道技術(shù)路線

如前所述，我國大部分村鎮(zhèn)在建設(shè)和發(fā)展過程中，都適應(yīng)了不同地區(qū)的地形地貌、水文氣象條件的變化，整體上具有重力流輸送污水的條件。同時，由于大部分低山丘陵地區(qū)的村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、村鎮(zhèn)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃且分布分散，給污水管道重力輸送帶來困難。

在低山丘陵地區(qū)規(guī)劃建設(shè)污水管道時，考慮到長期運(yùn)行的能耗問題，仍應(yīng)以重力流為基本路線。首先，分析收集范圍內(nèi)的整體地勢及河流山川等條件，確定重力排水方向及主管走向；其次，根據(jù)街道數(shù)量、街坊層次，以及是否沿河道兩側(cè)分布等，確定主管根數(shù)及下游匯集點(diǎn)；最后，根據(jù)主管位置、民房分布合理布置收集支管。

2.2 壓力流管道技術(shù)路線

丘陵地區(qū)地形復(fù)雜、高差起伏較大，這種情況對主要依靠重力流排水的污水管道影響較大，若排水系統(tǒng)不能完全依靠重力流時，則需考慮壓力流輸送。壓力流管道設(shè)置主要可分為以下幾種情況，見表1。

表1 幾種壓力流管道設(shè)置條件比較

2.3 沿河管道技術(shù)路線

部分低山丘陵地區(qū)，村鎮(zhèn)發(fā)展受地形條件的限制，房屋、道路建設(shè)多依山傍水，逐漸形成“山、路、屋、水”緊鄰的發(fā)展格局，若道路狹窄、房屋臨河，則污水管道只能沿河建設(shè)。

沿河建設(shè)的污水管道主要可分為以下幾種情況，見表2。

表2 幾種沿河管道設(shè)計

2.4 混流制系統(tǒng)技術(shù)路線

在一些村鎮(zhèn)的已建區(qū)內(nèi)，由于街道狹窄、房屋密集，雨、污水沿街邊明溝或部分管道、暗涵混合排放，短期內(nèi)不具備雨污分流改造的條件時，仍在局部范圍內(nèi)保留合流管渠，形成混流制排水系統(tǒng)。

這種條件下，應(yīng)對現(xiàn)狀排水管渠系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其排水通暢，以不積水、不散排，顯著改善居住環(huán)境為目標(biāo)。在片區(qū)外合理地設(shè)置截流系統(tǒng)，使旱季不溢流、暴雨不內(nèi)澇，以應(yīng)收盡收為治理重點(diǎn)。

3 山丘污水管道設(shè)計的重難點(diǎn)分析

3.1 污水管道順河床敷設(shè)

污水管道沿河床敷設(shè)時，主要受河水沖刷及高水位時較大浮力的影響，并應(yīng)采取措施防止豐水期河水倒灌、較大的砂石破壞管道及檢查井等。

基于以上問題，根據(jù)地勘報告、水文資料等通過計算，在管道基礎(chǔ)持力層滿足要求的前提下，可采取的加固措施有：（1）河床下敷設(shè)的污水管道采用360°混凝土滿包加固，混凝土采用C25～C30，按需設(shè)置支墩，見圖1。（2）河道內(nèi)檢查井采用密封檢查井，視情況設(shè)置抗浮錨桿；檢查井及混凝土支墩基礎(chǔ)底嵌入基巖一定深度，見圖2。（3）間隔適當(dāng)距離設(shè)置通氣管，保證管道系統(tǒng)運(yùn)行安全。

圖1 管道位于河床以上時的加固做法（單位：mm）

圖2 河道內(nèi)檢查井做法

3.2 污水管道沿河堤敷設(shè)

（1）在河堤內(nèi)敷設(shè)

沿河敷設(shè)的污水管道應(yīng)與河堤工程、河道整治等工程同步實(shí)施。

（2）在河堤外敷設(shè)

在污水管道規(guī)劃設(shè)計前，當(dāng)河道兩側(cè)已建有堤防工程且不具備開挖條件時，應(yīng)盡量降低施工對現(xiàn)狀河堤的破壞程度，采取沿現(xiàn)狀平臺（如馬道）敷設(shè)、沿河堤擋墻掛管等方式。

沿河堤掛管的方式，受錨固方式、管道運(yùn)行重量的影響，建議管徑不大于DN300 mm 時采用。

3.3 污水管道倒虹敷設(shè)

當(dāng)遇到河流、溝壑等地勢突變及地下障礙物的情況，為避免下游管道埋深過大，往往會采用倒虹的方式。

以污水平均日流量為1 000 m3/d 為例，對應(yīng)的總變化系數(shù)為2.6，即倒虹管內(nèi)最大時流量為30.1 L/s，按倒虹管最小管徑DN200 計算，單管內(nèi)流速為0.977 m/s＞0.9 m/s，可滿足規(guī)范要求；在平均時流量11.57 L/s 的情況下，管徑DN200 時的單管內(nèi)流速為0.376 m/s＜0.9 m/s，需增設(shè)定期沖洗措施。

當(dāng)污水規(guī)模相對較小，采用倒虹時，需設(shè)置定期沖洗措施，有條件時，建議在倒虹管進(jìn)水井前增設(shè)一道格柵。

3.4 污水管道架空敷設(shè)

當(dāng)管道必須跨越較深的河谷、倒虹井深度過大時，可采用架空敷設(shè)的方式。架空敷設(shè)宜利用現(xiàn)有橋梁、管橋等構(gòu)筑物，無可用構(gòu)筑物時，應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較采用新建管橋、支墩架空等方式。不同情況下架空做法示意見圖3、圖4。

圖3 架空段有檢查井的做法（單位：m）

圖4 架空段有檢查孔的做法（不小于DN700 可采用）（單位：m）

污水管道架空敷設(shè)時，應(yīng)保證以下幾點(diǎn)：架空管道管徑、坡度滿足重力流輸水的要求；架空管宜采用金屬管道，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；金屬管道應(yīng)有可靠的內(nèi)外防腐；架空管道應(yīng)能正常檢修；管道架空高度宜高于防洪標(biāo)準(zhǔn)下的洪水位，當(dāng)不能滿足時，應(yīng)考慮管道在洪水期的安全性，且不影響河道行洪。

當(dāng)架空管道遇到障礙物無法避開時，可在較小角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎。并注意以下幾點(diǎn)：轉(zhuǎn)彎角度不宜過大，小于30°為宜；應(yīng)設(shè)置有效的沖洗措施，可采用在架空管道上設(shè)置沖洗孔，沖洗時以快速接頭連接的方式；固定支墩應(yīng)驗(yàn)算管內(nèi)滿流時所承受的側(cè)向壓力。

3.5 污水管道沿陡坡敷設(shè)

部分村鎮(zhèn)由于歷史原因或考慮城鎮(zhèn)防洪等因素，人員聚集地位于較高位置，當(dāng)污水收集管道需經(jīng)過山坡、陡坎時，常規(guī)的跌水井已無法滿足跌水高度要求。根據(jù)跌水井設(shè)計原理，可在國標(biāo)圖集做法的基礎(chǔ)上，增加跌水高度以滿足工程需求。工程中應(yīng)特別注意在跌水管道下端及相接的檢查井中采取有效的抗沖刷措施，同時在跌水管道下端適當(dāng)放大坡度，防止?jié)阉氯?。此外，?dāng)斜坡上檢查井間距較大時，管道應(yīng)有可靠的固定措施。

3.6 截流井設(shè)計

目前，在還未設(shè)置集中污水處理設(shè)施的村鎮(zhèn)區(qū)域，仍然以雨污合流制排水系統(tǒng)為主。在新建污水收集、處理系統(tǒng)之前，首先要調(diào)查、研究項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的排水管網(wǎng)情況，并據(jù)此提出合理的改造方案。對于現(xiàn)階段不具備雨污分流改造條件的區(qū)域，在合流管渠排放之前設(shè)置截流設(shè)施，是較為合理的方式。

截流井應(yīng)根據(jù)實(shí)際排水情況合理選擇，以下列舉了幾種常見的情況，見表3。

表3 截流井設(shè)置的幾種常見情況

4 結(jié) 論

（1）低山丘陵地區(qū)排水特點(diǎn)及系統(tǒng)選擇。低山丘陵地區(qū)的村鎮(zhèn)排水具有地形起伏、早期建設(shè)無序、雨污合流、明暗溝結(jié)合等特點(diǎn)，系統(tǒng)選擇時應(yīng)在詳細(xì)調(diào)查后結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行多方案比選、組合后確定，不可生搬硬套。

（2）重難點(diǎn)的解決方案

當(dāng)重力流排水管道沿河、跨河、順陡坡敷設(shè)時，可選擇的解決方案包括：混凝土滿包、倒虹、架空、高跌水等，具體措施應(yīng)結(jié)合水文地質(zhì)等資料進(jìn)行選擇、調(diào)整。

（3）案例參考

本文所述低山丘陵地區(qū)污水管道建設(shè)中遇到的情況及解決方案，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益?？勺鳛橄嚓P(guān)領(lǐng)域前期策劃規(guī)劃方案的理論依據(jù)，也可為相關(guān)工程建設(shè)提供參考。