北京市市政工程设计研究总院有限公司深圳分院  518048
        摘要：随着污水管网系统日臻完善，覆盖率也日渐提高，越来越多的新建污水管道需要穿越河道，污水管道过河一般采用倒虹管的形式。本文主要介绍了倒虹管概念、原理及设计要点等，并结合工程实例进行了具体分析。
        关键词：污水管；倒虹管；设计要点；施工方案；进出水井
        1倒虹管概念及原理
        排水管渠遇到河流、山涧、洼地或地下构筑物等障碍物时，不能按原有的坡度埋设，而是按下凹的折线方式从障碍物下通过，这种管道称为倒虹管，水体在倒虹管内的流动依靠上下游管道中的水面高差进行的。倒虹管由进水井、下行管、平行管、上行管和出水井等组成，如图1所示。
        
        图1倒虹管
        2污水倒虹管的设计要点
        要做好污水倒虹管的设计，应结合实际工程，主要要求线位合理、排水顺畅、维修方便、经济安全。要达到以上目的，首先要做好倒虹管的设计，主要体现在以下几个方面。
        2.1线位选择
        确定倒虹管穿越障碍物的大致位置，选定的穿越位置必须对整个管网是可行的、有利的。判定是否可行、有利的标准主要有两点：一是选择此位置不会引起排水管网的过大迂回；二是过障碍物后排水管道能按原有管道的埋深坡度继续敷设前行，并能顺利到达目的地。确定倒虹管的路线时，应尽可能与障碍物正交通过，以缩短倒虹管的长度，减少工程的施工量。过河倒虹管道应尽量选择在水流稳定、不易被水冲刷、河岸土质稳固段，以策安全。测量的目的是要选择倒虹管的穿越线，使其距离近，有较好的施工工作面，从而减少倒虹管的设计长度和降低施工难度。
        另外，对选择好的穿越线地下的地质情况进行详细勘探。一是看穿越线下是否有不利顶管施工的地质，如穿越位置处是否有岩石等坚硬物；二看是否对障碍物会造成不利影响，如河道的河床位置等，然后对探测数据进行可行性分析后确定倒虹管的穿管深度。
        2.2倒虹管设计参数选择
        （1）设计倒虹管的条数根据《室外排水设计规范》，通过河道的倒虹管不宜少于两条，通过谷地、旱沟或小河的倒虹管可采用一条。倒虹管设置两条以上，是以便一条发生故障时，另一条可继续使用，平时也能逐条清通。当近期流量不够，达不到设计流速的时候，可使用其中一条，暂时关闭另一条。
        （2）确定倒虹管的流速
        因倒虹管的清通比一般管道困难得多，因此在设计时必须尽量完善，并采取各种措施来防止倒虹管内污水的淤积。在设计流速时最好采用1.2～1.5m/s，在条件困难时可适当降低，但不宜小于0.9m/s，且不得小于上游进水管道内的流速。当流速达不到0.9m/s时，应采用定期冲洗措施，冲洗流速不得小于1.2m/s。
        2.3倒虹管设计计算
        （1）设计倒虹管管径
        倒虹管的管径应通过流量、流速计算确定，设计污水为合流管道时，设计倒虹管应按旱流污水量校核流速。但最小设计管径不应小于200mm。当缺乏基础的污水量资料时，可按照上游管道管径、坡度，按最大充满度计算得的流量确定。
        （2）设计倒虹管各项标高
        污水在倒虹管内的流动是依靠上、下游管道中的水位差（进、出水井的水面高差）进行。该高差用以克服污水流经倒虹管的全部阻力损失。计算时，要求进水井和出水井间水位高差稍大于全部阻力损失值，其差值（安全水头）一般取0.05～0.10m。倒虹管的水平管段的管顶距规划的河底一般不宜小于1.0m，通过航运河道时，其位置和管顶距规划河道河底距离应与当地航运管理部门协商确定，并设有标志，遇到冲刷河床应考虑防冲措施。
        2.4附属构筑物设计
        （1）倒虹管进、出水井的设计倒虹管进、出水井应设在不被洪水淹没的地方。进出水井内应设闸槽或闸门。倒虹管进、出水井应设置检修室，检修室净高宜为2m。当进出水井较深时，井内应设检修台，其宽度应满足检修要求。当倒虹管的设计流速达不到0.9m/s时，还应在进水井内设置定期冲洗装置，并且在每个检修室顶部都应设人孔，地面检修孔应设井口和井盖。倒虹管进水井和进水井的前一检查井内，均应设置沉泥槽，沉泥槽的设置深度一般为0.5m。
        （2）沉泥槽和事故排出口设计。
        位于倒虹管进水井前的检查井，应设置沉泥槽。凹字型倒虹管的进出水井中也应设沉泥槽，一般井底落底0.5m。进水井应设置事故排出口，如因卫生要求不能设置时，则应设备用管线。但在有2条以上工作管线情况下，当其中1条发生故障，其余管线在提高水压线后并不影响上游管道正常工作仍能通过设计流量时，也可不设备用管线。
        2.5 管径计算
        （1）
        式中：D为倒虹管管径，（m）；Q为倒虹管内流量，（m3/s）；υ为倒虹管内流速，（m/s），一般取1.2~1.5m/s，但不宜小于0.9m/s。
        2.6标高计算
        H=h1+h2+h3（2）
        h1=i×L
        
        式中：H为进出水井的水面差，（m）；h1为倒虹管沿程水头损失，（m）；h2为倒虹管局部水头损失，（m），初步估算时，一般可以按照沿程水头损失值的5%～10%考虑，当倒虹管长度大于60m时，采用5%，等于或小于60m时，采用10%；h3为安全水头，一般取0.05～0.10m；i为倒虹管每米长度的水头损失；L为倒虹管总长度，（m）；ζ为局部阻力系数；υ为倒虹管内流速，（m/s）。
        3设计实例
        3.1工程概况
        某地区有2根现状DN800的过河污水倒虹管，该管道为西区和澳头片区的污水排入中心区污水处理厂的唯一通道，重要性非常高。现状管道运行时间已经超过十年，欠缺维护，通过现场勘查和收集分析原管道设计资料，在目前的情况下不具备对现状两根DN800倒虹管停水进行清淤、检查、维修等工作的条件，这个重要的过河节点没有备用管道，给上游片区的污水正常排入污水处理厂带来了极大的的风险，而且万一倒虹管道发生损坏，会有污水长时间溢入河道、污染水体的风险。另外，随着片区的发展，现状污水管道规格已不能满足规划污水的接入。因此，亟需增设一套污水管道，确保上游片区污水顺利排入污水处理厂。
        3.2现状条件
        项目位置处淡澳河河底宽约80m，河道水深约3.5m，南北岸均为湿地公园，湿地内无现状建筑物和构筑物，均为林地和草地，现状情况如下所示：
        
        
        现状起点位置地貌图        现状终点位置地貌图
        现状倒虹井位于淡澳河南侧现状红树林公园人行道下，终点井位于现状滨河北路，过河倒虹管长178m，埋深7.5～8.7m。
        现状淡澳河北岸红树林中，有一根DN600的华德输油管，埋深2.5m。北岸滨河北路北侧主要有现状DN100给水管道、电力管道和DN300污水管道。淡澳河南岸红树林绿化带有现状电力通信管线、DN1200污水管、DN600雨水管、现状DN600和DN100的给水管线。
        3.3水力计算
        按照相应规范的要求，结合具体实际，进行倒虹管设计。
        上游一根DN1200及一根DN1500污水管道汇入倒虹井，本次设计设置2根倒虹管，与现状2根DN800倒虹管组成两用一备（2根DN800为一组备用管）。由于上下游污水管道规划标高已设定，两者相差0.53m，无调整余地，因此倒虹管设计水头损失不宜过大。
        上游管道：一根DN1200+一根DN1500，其中DN1200管道坡度1.1‰，流速V=1.3m/s；DN1500管道坡度0.75‰，DN1500流速V=1.24 m/s。两者设计充满度为h/D=0.75，合计流 量 Q= 2925L/s。
        根据《室外排水设计规范》进行水力计算，得单根DN1100倒虹吸管道流量Q=1462.5 L/s，坡度i=1.07‰，流速V=1.54 m/s。设计流速大于规范要求的0.9m/s及上游进水管流速1.3m/s。
        倒虹吸管道长：单根管道长L=190m。
        倒虹管管段水头损失：沿程水头损失为h1=ixL=0.00107*190=0.203m，
        局部水头损失：
        进口局部水头损失为h进= 0.06m，
        出口局部水头损失为h出= 0.121m，
        局部水头损失为h2= h进+h出=0.06+0.121=0.181m。
        倒虹管全部水头损失：
        h=h1+h2=0.203+0.181=0.384m
        安全水头：管道较长且为主干管，因此安全水头取大值0.1m。
        倒虹井上下游水面差H==0.384+0.1=0.484m＜上下游井标高差0.53m。
        4施工方式
        穿越河涌等水域的大型管线工程一般有围堰、自承式管架桥、沉管、顶管、定向钻等施工方法。
        由于本项目位于湿地公园，景观要求高，因此管道考虑采用从河底穿越。河底地质条件为淤泥质土，开槽施工需设置围堰及支护，实施难度及投资大。
        综上，本次考虑采用非开挖施工方式，而本工程管径大，主要对沉管和顶管两种施工方法进行方案比选。
        表1管道穿越方式比选表
        
        若采用沉管施工工艺，存在一些缺陷：
        （a）若采用带弯头式沉管，管道的下沉、定位都很困难，一旦跑位难以纠偏。同样也存在开挖很深的问题。
        （b）采用漂、沉管方案，造价高，工程施工工期较难保证。
        （c）根据本工程的具体特点，若采用沉管法施工，由于水域宽阔，受潮汐的影响及管道埋藏深等原因，其水下开槽难以成形，该河床底又为深厚淤泥层，开槽坡度缓，工程量很大，基坑、管道长、水下作业多，施工风险高。
        当采用顶管施工法时，工作井、接收井采用沉井施工，工艺技术成熟；采用封闭式机械顶进，施工风险较低。
        因此本工程采用顶管法施工。
        3管材及设计参数
        管材的选择取决于输送流量大小，施工方案，管道埋深，管道内压、当地地质及气象条件、工程造价等因素，另外还需要考虑所选择的管材在当地的供应情况。
        经上文分析，本工程采用顶管施工，常用管材为钢管及钢筋混凝土管。
        根据《给水排水工程顶管技术规程》：（1）顶管穿越江河底时，覆盖层最小厚度不宜小于管道外径的1.5倍，且不宜小于2.5m。（2）互相平行的管道水平净距应根据土层性质、管道直径和管道埋置深度等因素确定，一般情况下宜大于1倍的管道外径。（3）空间交叉管道的净间距，钢管不宜小于0.5倍管道外径，且不应小于1.0m；钢筋混凝土管不宜小于1倍管道外径，且不应小于2m。
        在相同管径的情况下，钢筋混凝土管外径比钢管大约20%。采用钢管有利于减少管道的埋深及间距，从而减少进出水井的埋深及尺寸，减少投资及施工风险。再者，本次顶进距离约190米，钢管的管道结构承载能力优于钢筋混凝土管道。因此，本次顶管管材采用钢管。
        考虑到本次管道为污水干管，输送介质腐蚀性强，因此考虑在钢管内套PE管，即采用D1600x20钢管顶管，内套Dn1100PE管。
        4附属构筑物设计
        4.1进出水井
        进出水井设置位置应避免被洪水淹没，井盖高程应大于河道洪水位，检修室净高需大于规范要求的2米，因此本次进出水井设置在河道两岸空地处。本次新建两根倒虹管共用进出水井，为便于后期运营维护期间的检修及清淤，井内对两根管道分别设置了闸门进行分隔。同时，在进水井的前一检查井和进出水井均设置沉泥槽用以沉淀杂物，以保证倒虹管内水流畅通，沉泥槽深度取0.5m。
        
        倒虹井平面图
        
        倒虹井纵断面图
        4.2分流井设计
        该工程利用现状2根DN800倒虹管作为备用管，新建倒虹管与现状倒虹管之间通过设置分流井连通。分流井设置在DN800倒虹管上下游现状DN1200污水管处，同时，在分流井内靠近DN800倒虹管的一端预留闸板槽。分流井尺寸根据现状DN1200管道外径、底板施做空间、旧管切割操作空间及闸板阀安装空间综合考虑确定。
        
        分流井平面图                        分流井剖面图
        在分流井井室施做完成后，暂不进行覆盖，可采用绳锯切割方式对旧管进行拆除，可避免人员水下作业，施工安全风险低。最后放置叠梁闸对下游进行封堵，实现污水分流。
        5结语
        如今城市排水系统建设的科学合理性直接影响人民群众的生产生活，国家各级建设及相关部门高度重视“黑臭水体”治理，各级政策导向以表明管理部门对排水系统整治的决心，而倒虹管作为其中的一份子，看似小节点单如若盲目设置则隐患无穷。无论是老城区合流制排水系统改造或新城区污水干管建设，倒虹管都发挥着至关重要的作用，是连通地下管线的桥梁。而需要设置倒虹管的环境往往比较复杂，要考虑穿越物的现状和远景规划，施工条件相对困难。另外，相比一般路段下的排水管道，倒虹管的运营维护难度要大很多。因此，在设计过程中要充分考虑井管选址、水力条件、运维便利、经济安全等诸多因素，同时，还应采取各种措施来防止倒虹管内污泥的淤积，更要加强工程竣工后的管理维护力度，以保证倒虹管的畅通。

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