【摘要】 水务一体化后,城市水务工程设计、施工、监督管理中常遇到倒虹管。城市排水管道遇到障碍物,如穿过河道、铁路等地下设施时,管道不能按原有坡度埋设,而是以下凹的折线方式从障碍物下通过, 这种管道称为倒虹管。本文介绍了倒虹管的前期工作及设计要点;并结合某城市水处理厂配套截污干 管工程实例从三个方面进行了分析;在发挥倒虹管穿越障碍物作用的同时,设计上还应充分考虑其走 线合理、排水顺畅、维修方便、经济安全等因素。
【关键词】 倒虹管;设计流速;冲洗;实例
一个城市的发展,离不开城市配套基础设施的 建设。城市的排水管网系统是城市正常运行的关 键。如今,城市化进程越来越快,地下管网往往跟 不上地面建筑的进程。基础设施建设跟不上新城区 建设的发展,特别是污水处理厂,往往滞后于城市 建设,这使得新城区的排水管网还必须通过旧城区 进行污水处理。而新建城区与旧城区之间通常有一 些天然或人为的屏障隔断,如:河流、洼地、山涧 等。此种情况下的排水管要通过障碍物时,则需要 采用倒虹管,这样倒虹管便成了穿越天然屏障连接新旧城市管网的桥梁,是城市水务工程中不可缺少 的一部分。
1 设计前期工作
排水管渠在遇到河流、洼地、山涧等障碍物时, 不能按原有的坡度埋设, 而是以下凹的折线方式从障 碍物下通过, 这种管道称为倒虹管。 虽然倒虹管的定 义简单明了, 但在实际工程中, 倒虹管的设计却是很 复杂的, 需要考虑的问题很多, 所以前期准备工作是 很必要的。前期准备工作主要有以下四个方面。
(1)通过排水量确定倒虹管的大小和根数。
(2)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、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 后排水管道能继续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。
(3)在选好穿越位置后对倒虹管穿越障碍物 处的地形环境进行实地测量。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。
(4) 对选择好的穿越线地下的地质情况进行详 细勘探。目的是了解倒虹管穿越线下的地质情况, 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 设计要点分析
倒虹管的设计应从实际工程出发,对具体工程做具体分析。穿过城市的河道河提一般都进行了河 提加固,加固后的河道大多成矩形,所以穿过城市 河道的倒虹管多为凹型倒虹管,凹型倒虹管同样由 进水井、管道及出水井三部分组成,其设计要点讲究的是走线合理、 排水顺畅、 维修方便、 经济安全。
(1)设计倒虹管走线。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,并应选择通过河道的地质条件好的地段,不易 被水冲刷地段及埋深小的部位敷设。
(2)设计倒虹管的条数。设计穿过河道的倒 虹管一般不宜少于两条,当近期水量不能达到设计 流速时,可使用其中的一条,暂时关闭一条。穿过 小河、 旱沟和洼地的倒虹管, 可敷设一条工作管道。 当穿过特殊重要构筑物(如地下铁道)的倒虹管, 应敷设 3条管道,其中 2条工作,1条备用。
(3)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。
(4)管材、管长、埋深设计。倒虹管管材选 用一般采用金属管或钢筋混凝土管;倒虹管水平管 的长度应根据穿越物的形状和远景发展规划确定; 倒虹管的水平管的管顶距规划的河底一般不宜小 于 0.5m, 通过航运河道时, 应与当地航运管理部门 协商确定,并设有标志,遇到冲刷河床应采取防冲 措施。
(5)倒虹管的流速设计。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 0.9 m/s,且不得小于上游 管道内的流速。当流速达不到 0.9 m/s时,应采用 定期冲洗措施,但冲洗流速不得小于 1.2 m/s。
(6)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。在进水井内还应设有冲洗取水点。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 0.9 m/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进入,地面检修孔应设井口和 井盖。
(7)沉泥槽。凹型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。
(8)事故排出口。进水井应设事故排出口, 当需要检修倒虹管时,使上游废水通过事故排出口 直接排入水体。如因卫生要求不能设置时,则应设备用管线。但在有 2条以上工作管线的情况下,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。
3 凹型倒虹管的实例分析
某工程为一个城镇污水处理厂配套截污干管 工程。在该镇城区有两条河流,与城市纵横交错, 将城镇分为三大片。该设计的污水处理厂配套截污 干管工程的截污干管服务全镇 80%以上,排水按合 流管道设计, 设计排水总量为 25万 t/d, 总的设计 截污干管长度约为 24km, 其中有三处截污干管采用 凹型倒虹管穿过城区河流。河道宽约 50m,河床底 深约 3.5m。
按相应的规范设计要求,结合实际选择其中一 处倒虹管为例进行设计。由于排水管道按合流制设 计,所以最后应按旱流污水量校核流速。此处倒虹 管上游管径 D =1000mm,设计坡度 I =0.8‰, 按漫 流设计,最大排水量 Q =874.3L/s。 流速 V =0.96m/s。 经计算此处的旱流污水量为 320 L/s。
选用两根 D700的倒虹管,在雨季时两根同时使 用,每根承担流量 Q =437.15L/s,在旱季时只开启 一根。倒虹管长度为 52.6 m。
(1)倒虹管的截面面积 A :
(2) 流速 V :V =Q /A =437.15/(1000×0.385)=1.14 m/s>0.9 m/s,同时 1.14 m/s>0.96 m/s。 经速度验证设计合理。
(3)水力半径 R :
(4)坡降 i :
(5)倒虹管沿程水头损失 H y :
H y =iL = 0.00226×52.6=0.1187 (m)
(6)倒虹管进出水口的局部水头损失 H j :
(7)总水头损 H :
H = H y +H j = 0.1187+0.099=0.2177 (m) 因考虑一定的安全系数,设计采用的静水压力 为 0.3 m。
(8)旱流污水量校核流速。
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