杭州市城乡建设设计院股份有限公司 310004
摘要：在城市排水工管道设计与应用中，经常会遇到地下构筑物、洼地、河流等障碍物，需要利用倒虹吸的方式加以通过。作为污水管网上的关键节点，污水倒虹管的设计是否合理，直接关系到污水管网运行的整体效果，所以在具体设计中要绕开障碍物，准确掌握倒虹管的流速、管径、埋深、线位选择等要点，满足城市排水的实际需求。本文以某城市排水工程设计为例，分析和探究污水倒虹管在城市排水工程中的设计与应用。
关键词：城市排水工程；污水倒虹管；设计与应用
随着社会经济的快速发展，人们的思想意识和生活水平有了显著提升，更多的人通过城市积水内涝现象吸取教训经验，打破传统的观念，充分意识到城市排水工程发挥的作用。城市排水系统具有繁多的内容，各构筑物有着各自的作用，而倒虹管是排水管网中的关键节点，充当着连接上下游管道的通道。由于倒虹管的设计相对繁杂，需综合考虑多种因素，在实际设计中要从工程实际情况出发，对其适用场合及原理予以了解，掌握各设计节点需考虑的关键因素，以达到预期的设计效果。
工程概况
本文以某城市排水工程设计为例，市政道路的西侧和东侧分别为管道公司、住宅小区，该工程的倒虹管穿越八干渠，并将一座待建箱涵设在穿越管段的上游；八干渠属于现有的水沟渠，下口和上口的宽度分别是8m、25.5m，边坡系数为2，规划渠底的高程达9.14m。对于新开路的污水，其主要是自北向南排入下游艺术大道的污水管道内，本次倒虹管的坡度为0.1%，管道的管径为d800，管顶覆土约为5.9m，管道长度是52.2m。
市政道路的下游艺术大道污水管属于现状污水管道，已经确定管内的高程，而上游的污水管道穿过八干渠之后，不能以重力流的方式直接接入下游现状污水管道内。通过比较论证新开路的现场调研与各个方案，优选设计方案，最终确定采用凹字型倒虹吸的方式设计穿越八干渠管段，以便及时将污水排入到下游污水管道中。值得注意的是，倒虹管污水的出水高程和进水高程分别是 8.182m、8.757m，管道上下游的水头差为0.575m。
城市排水工程中污水倒虹管的设计与应用
设计要点
倒虹管的构成部分包括出水井、管道、进水井，其中进出水井内需要设置闸门或闸槽；而管道可分为直管式与折管式，其中折管式管道包括两侧斜管（下行管和上行管）、平行管道（埋设于其他障碍物或河流下，略有坡度），具有养护困难、管道施工复杂等特点，适用于较深较宽的河床。在污水倒虹管设计过程中，应该从工程实际出发，科学设计倒虹管，做到维修方便、排水通畅、选线合理、经济安全。污水倒虹管的设计要求主要表现为如下几点：
设计要求与型式
如果污水管道穿过地下构筑物、旱沟、河道等障碍物时，无法严格按照原本的设计高程予以通过时，可以合理设置倒虹管，使其水头损失低于上下游管道的高程差。该工程中采用的倒虹管类型包括凹字型、多折型两种，其中前者多用于穿越小河、沟渠等，当障碍物的面积深度较小时，可实施顶管施工或明开挖施工；后者多用于河床较深、何滩或河面较宽的情况，基本选用明开挖施工的方式，施工作业面较大。在城市排水工程设计过程中，如果遇到障碍物、沟渠等，应该实施凹字型倒虹管型式。
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穿越条数与位置
倒虹管穿越过程中，必须要尽量与穿越对象轴线相互垂直，以实现管道最短距离的穿越；若穿越小河与沟渠时，多采用一条管道的方式；若穿越较大河流时，多采用二条管道的方式。值得注意的是，对两条倒虹管的排水管道进行敷设时，需要将阀门设置在每条倒虹管的下、上游管道上，利用阀门对管道的检修、运行予以控制，确保两条倒虹管的间距与规范要求相符。该工程中八干渠属于汛期排洪渠道，日常无水，采用一条管道设计倒虹管，以实现预期的设计效果。
管位选择
管位的选择主要就是对倒虹管穿越障碍物的位置加以确定，选定的穿越位置符合整个管道的设计标准，能满足如下两点要求：①穿越障碍物之后，排水管道能以原有的埋设坡度为依据，继续进行敷设；②选定的位置不会造成排水管网的大迂回。同时确定倒虹管的路线时，应该做到与障碍物正交通过，以此降低工程施工量，使倒虹管的长度有所缩短；选择过河倒虹管道时，必须要尽可能选择河岸土质稳固、不易被水冲刷、水流稳定段，保证管道的正常运行。除此之外，相关人员要详细勘探穿越障碍物的地下地质，查看是否会影响障碍物，如河道的河床位置等；或者是是否存在不利于管道施工的地质，如穿越位置是否存在岩石等坚硬物。
管材和流速
①管材。倒虹管大多都是采用钢筋混凝土管材或金属防腐管材，其中金属管道的内外都需实施防腐处理，而钢筋混凝土管基本选用Ⅲ级管。当前部分塑料排水管材不断发展与成熟，在排水倒虹管设计过程中，可以管材环刚度控制为依据，合理选用塑料排水管道。该工程中采用的管材就是Ⅲ钢筋混凝土管材。
②管顶覆土。倒虹管穿越沟渠或河流时，如果选择明开挖施工的方式，则管顶与规划河底之间的距离要超过1.0m；如果选择顶管施工，管顶覆土的最小厚度应超过2.5m或超过外径的1.5倍。八干渠现状排洪渠，该工程设计的管道与规划渠底之间的净距控制在1.0m以内，在施工中利用管道沟槽进行明开挖施工。
③流速与管径。倒虹管的管径应超过500mm，不能设置过小，这样方可顺利开展后期管道的清通维护工作；管内设计的流速应超过进水管的流速，大于0.9m/s，若管内设计流速与规定要求不相符，必须要适当增加定期冲洗措施，冲洗时的流速要超过1.2m/s。
④跌水井设置。由于管道穿越八干渠高程遇到倒虹管进水管道高程之间的差距为2.0m，要想满足规范要求，需要合理设置跌水井，且不能在转弯处设置跌水井。同时管道穿越八干渠时，应该与其中心线垂直穿过，以场地条件和实际情况为依据，在沿渠侧垂直段设置跌水井，采用两次跌水的设计方式，以此减少倒虹管的长度。
⑤闸槽井和沉泥井。布置倒虹管的出水检查井、进水检查井时，必须要布置在不受洪水淹没处；或者是将沉泥槽设置在出水检查井、进水前-检查井、进水检查井，沉泥槽基本为0.6m，如果周边条件允许，可以将事故排出口设置在进水检查井，便于清通工作的有序实施。同时若倒虹管需要维护检修，可以用气囊封堵上下游的管道，取代闸槽井功能。如该工程将闸槽井设置在上下游管道中。
水力计算
倒虹管的水力计算公式为:h=hm+hf=il+(∑εv2)/2g，其中g表示重力加速度（m/s2）；v表示倒虹管内流速（m/s）；ε表示局部阻力系数，其中出口局部阻力系数ε为1.0，进口局部阻力系数ε为0.5；l表示倒虹管的长度（m）；i表示水力坡降。
①总水头损失：局部和沿程水头损失之和h=hm+hf=0.36m，对不可未知的遇见因素加以考虑，在h基础上增加0.2m的水头损失，所以该工程设计的总水头损失为0.56m。②局部水头损失：利用公式hm=(∑εv2)/2g，对管道局部水头损失进行计算，结合管道局部阻力系数ε，特别是出口局部阻力系数ε为1.0，进口局部阻力系数ε为0.5，计算得出hm=0.08m。③沿程水头损失：利用公式hf=（δ×L×V2）/（d×2g），对管道沿程水头损失进行计算，根据管道沿程阻力系数δ计算出hf=0.28m。④倒虹吸水头验算：通过计算H=0.575m＞h=0.56m发现，其与倒虹管水头压力要求相符。⑤本次倒虹吸管道上下游水头差：本次设计污水的出水高程Z1=8.182m，进水高程Z2=8.757m，倒虹吸管道上下游的水头差为H=Z2-Z1=8.757m-8.182m=0.575m。
结束语：
通过设计某城市排水工程中的污水倒虹管，其中穿越八干渠管段采用凹字型倒虹管，并在实际设计中着重考虑倒虹管后期的管理维护，科学设置沉泥槽与闸槽井，将倒虹管与跌水井进行综合设置，从而解决污水在穿越八干渠后无法通过重力流接入下游管道的问题，为今后类似工程的设计提供参考依据。
论文作者:庞学胜
论文发表刊物:《中国住宅设施》2018年2月上第3期
论文发表时间:2018/10/18
标签：管道论文; 污水论文; 水头论文; 干渠论文; 障碍物论文; 水井论文; 高程论文; 《中国住宅设施》2018年2月上第3期论文;