污水倒虹吸設(shè)計分析

蔡桂榮

（東莞市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展帶動下，城市道路路網(wǎng)也在不斷完善過程中，市政道路配套污水管網(wǎng)也相應(yīng)同步建設(shè)。往往在污水管道建設(shè)過程中需要在穿越障礙物或渠道等情況，污水不能按照原有的坡度和高程實施時，需要采用合理方式進行跨越，生活中常見的是采用倒虹的方式進行處理。倒虹管段是污水管網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計的好壞將直接影響污水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。若排水不暢，產(chǎn)生淤堵，勢必會影響居民生活質(zhì)量。

1 倒虹吸原理及方式

（1）倒虹吸原理：利用水體水位液面高程的作用現(xiàn)象，進水端高于出水端，由進水端先下降至倒虹管段后上升至出水端的過程，液面高差需要克服過程中產(chǎn)生水頭損失（包括倒虹管段水頭損失、進口局部水頭損失、出口局部水頭損失等）。

（2）市政污水倒虹吸方式：倒虹吸設(shè)計一般主要分為兩種方式。

倒虹設(shè)計型式主要有凹字型（圖1）和多折型（圖2）。凹字型倒虹方式適用于穿越短距離障礙物或渠道、深度較小的情況；多折型方式適用于穿越長距離障礙物或河道、深度較大的情況[1]。

圖1 凹字型倒虹

圖2 多折型倒虹

2 設(shè)計要點分析及對策

2.1 確保采用倒虹吸設(shè)計的可行性

對策措施：通過水力計算和實例進行驗算分析，情況如下：

（1）基本資料

根據(jù)《云霄縣濱北路道路工程》項目設(shè)計實例進行分析，本項目設(shè)計污水管道與2孔5.0 m×4.0 m箱涵高程沖突。根據(jù)跨越渠道較窄的情況進行分析，選用施工簡單且便于清除泥沙的凹字型倒虹管。倒虹吸進水井擬采用直井式，倒虹管身長度L=20 m，倒虹管上游管道流量：i=0.001，n=0.01，DN=600 mm。查水力計算表當h/d=0.7時,v=1.0 m/s，q=0.21 m3/s。

（2）確定倒虹管管徑D、流速V及坡度I，管中流速v≥0.9 m/s，查水力計算表得：DN=500 mm,Q=0.22 m3/s，I=0.02，滿流時：V=1.12 m/s＞0.9 m/s,并且，V=1.12 m/s＞1.0 m/s（上游流速）,符合倒虹吸設(shè)計要求。因此倒虹管取DN=500 mm，V=1.12 m/s，I=0.002。

（3）水頭損失計算

倒虹管段水頭損失：H0=I×L=0.02×20=0.04 m。

進口局部水頭損失：（ζ=0.5）：H1=ξ×ν2/2 g=0.5×1.12×1.12/2/9.8=0.032 m。

出口局部水頭損失：（ζ=1.0）：H2=ξ×v2/2 g=1.0×1.12×1.12/2/9.8=0.064 m。

倒虹管總水頭損失：H=H0+H1+H2=0.04+0.032+0.064=0.136 m。

（4）設(shè)計水位差:3.646-3.405=0.241 m＞0.149 m（總水頭損失），富余高程為安全水頭0.092 m，故滿足要求。

2.2 解決倒虹吸存在易堵塞現(xiàn)象

對策措施：當?shù)购缥苓^水的污水中含砂量高或雜質(zhì)較多情況下，就容易產(chǎn)生淤積，需要有以下幾種處理措施。

（1）倒虹井進水井的前一檢查井，設(shè)置沉泥井（沉泥深度為0.6 m），定期檢查及清理沉泥井內(nèi)雜物。

（2）倒虹井進水井內(nèi)設(shè)置豎井沉泥槽（沉泥深度為0.5 m），定期檢查及清理沉泥井內(nèi)雜物。

（3）增大倒虹井管段過水流速，根據(jù)流量與流速計算公式（Q=A×V）分析，當流量一定時，若要提高流速，選擇小管徑來增大流速，通常設(shè)計在1.1～1.5 m/s為宜。

（4）加大倒虹管道設(shè)計坡度。

（5）選用粗糙系數(shù)較小的管材。

（6）倒虹管線位盡可能與河道中線垂直，以縮短倒虹管距離。

2.3 解決倒虹吸堵塞后處理

對策措施：①倒虹管設(shè)置兩條管道，采用一備一用，并在倒虹井進出水井內(nèi)設(shè)有閘閥。確保一條管道堵塞情況下，啟用備用污水管道，不影響污水正常排放。為防止長期使用單根管道，建議定期更換使用兩條管道，互為備用。②在倒虹井進水井設(shè)置事故排出口，事故發(fā)生時啟用。③倒虹管上設(shè)置沖洗設(shè)施，避免后期淤積時疏通困難。

2.4 倒虹井及倒虹吸管段在特殊地質(zhì)情況下管道基礎(chǔ)處理方式分析

對策措施：存在特殊地質(zhì)的情況地基承載力不能滿足要求時，應(yīng)當處理提高地基承載力達到設(shè)計要求方可實施[2]。施工中經(jīng)常會遇到淤泥、淤泥質(zhì)土、軟粘土等軟土，根據(jù)出現(xiàn)這些情況一般常用的處理方法主要有：

（1）換填法。這種是常用的方法，適用于處理深度3 m以內(nèi)的軟土。采用人工或機械挖除全部軟土。換填強度較高的粘性土或砂礫、卵石或片石等滲水性材料，換填深度要求根據(jù)承載力要求確定，這種方法施工方便，工期短，造價較低，因此較為普遍應(yīng)用。

（2）水泥攪拌樁法。利用水泥作為固化劑與土反應(yīng)，從而使軟土硬結(jié)后，提高了基礎(chǔ)的強度，適用于處理深度大于5～20 m的軟土，水泥攪拌樁又分為干法加固和濕法加固。干法加固深度控制在15 m以內(nèi)。濕法加固深度控制在20 m以內(nèi)。

2.5 倒虹井結(jié)構(gòu)及倒虹管段保護措施分析

對策措施：鑒于倒虹井結(jié)構(gòu)及倒虹管段使用的重要性，對其性能及要求高于常規(guī)管段，建議加強保護處理。

（1）倒虹井結(jié)構(gòu)保護對策措施：污水中物質(zhì)容易腐蝕倒虹井，進而降低倒虹井的使用壽命，一般污水檢查井需要要求具有良好的耐腐蝕性能。耐腐蝕方式一般為兩種，①物理隔離方法，在倒虹井外表面設(shè)置耐腐蝕層隔絕與污水直接接觸達到防腐效果，比如采用厚度大于3 mm的纖維增強塑料或環(huán)氧瀝青等涂刷；②提高倒虹井自身結(jié)構(gòu)防腐性能方法，比如在拌合混凝土是添加硅粉、高減水率的減水劑等外加劑，從而盡可能減少混凝土的蜂窩氣狀。

（2）倒虹吸管段保護對策措施：①選用環(huán)剛度較大、耐腐蝕性較強等性能較好的管材。②對管段外壁進行結(jié)構(gòu)性加固，如采用鋼筋混凝土包封或套管等方式。

2.6 倒虹井及倒虹吸管段的基坑（槽）開挖及支護

倒虹井及倒虹吸管段一般深度較深，根據(jù)《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》（住房城鄉(xiāng)建設(shè)部令第37號）和《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于實施《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》有關(guān)問題的通知》（建辦質(zhì)[2018]31號）。

涉及危險性較大的分部分項工程的重點部位和環(huán)節(jié)：基坑開挖深度超過3 m（含3 m）的基坑（槽）的土方開挖、支護、降水工程；涉及超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程的重點部位和環(huán)節(jié)：基坑開挖深度超過5 m（含5 m）的基坑（槽）的土方開挖、支護、降水工程。

根據(jù)本項目危大工程和超過一定規(guī)模的危大工程的范圍，保障工程周邊環(huán)境安全和工程施工安全。對基坑（槽）工程設(shè)計及施工要求：①開挖方式應(yīng)從水文、地質(zhì)、開挖方式及施工的環(huán)境條件等方面因素充分考慮，對于基坑、管槽的開挖選擇是否采取支護方式措施進行分析論證；②基坑頂?shù)乃闹軕?yīng)禁止堆載并在施工范圍內(nèi)做好安全防護措施，基坑的頂面四周需要設(shè)置截水溝，防止地面雨季水或其他水源流入基坑的設(shè)施內(nèi)；③在枯水或少雨季節(jié)為挖基施工時間最佳時間；④基坑頂面若有動荷載，其邊緣與動荷載之間應(yīng)有不小于1 m寬的護道，若動荷載較大，應(yīng)適當加寬護道，必要時應(yīng)采取加固措施；⑤建議開挖深度大于3 m段落采用鋼板樁等防護型式進行支護；⑥施工單位應(yīng)根據(jù)上述文件的規(guī)定，確定本項目危大工程和超過一定規(guī)模的危大工程的范圍，編制相應(yīng)的專項施工方案。超過一定規(guī)模的危大工程專項施工方案必須召開專家論證會，經(jīng)專家論證通過后方可實施。危大工程和超過一定規(guī)模的危大工程完工后應(yīng)組織相關(guān)人員進行驗收；⑦其他未盡事宜應(yīng)嚴格按照現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)文件等執(zhí)行。

2.7 其他方面注意事項

（1）倒虹吸設(shè)計較為復(fù)雜，需要做好設(shè)計前期工作，如障礙物準確位置、選擇穿越位置的地形環(huán)境、穿越位置的地質(zhì)情況應(yīng)有詳細勘探。

（2）倒虹管的管頂距規(guī)劃河底距離按大于1.0 m設(shè)計。若航運河道時，氣位置和距離應(yīng)上報當?shù)睾竭\管理部門確定。 倒虹管走向及位置需做好標志，如遇到?jīng)_刷河床敷設(shè)倒虹管，應(yīng)考慮防沖刷措施。

（3）根據(jù)GB 50289—2016《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范[3]》規(guī)定了排水管線與其他建（構(gòu)）筑物的最小凈距為2.5 m，建議污水管線在過河時與涵洞、橋梁基礎(chǔ)等建（構(gòu)）筑物的最小凈距控制在3 m以上。

（4）污水管道回填土前應(yīng)采用閉水法進行嚴密性試驗，試驗管段應(yīng)按井距分隔，帶井試驗。

（5）倒虹管道選用的最小管徑宜為200 mm。

（6）當?shù)购绻芄軆?nèi)流速不能大于進水管流速或倒虹管管內(nèi)流速小于0.9 m/s的情況，應(yīng)增加定期沖洗措施設(shè)計，沖洗時速要求不得小于1.2 m/s。

（7）倒虹井進出水井高程應(yīng)高于洪水位，必要時考慮排氣措施。

（8）當?shù)购绻転閮筛鶗r，井蓋的中心位置宜設(shè)在各自管道的中心線位置上。

（9）倒虹井需按要求安裝安全網(wǎng)。

（10）井蓋選用需要滿足要求，如位于機動車道下不低于D400級，位于人行道或綠化帶下不低于D250級。

3 結(jié)論

（1）倒虹管設(shè)計應(yīng)通過水力驗算作為滿足設(shè)計條件為前提。

（2）盡量增加優(yōu)化設(shè)計處理措施達到減少易堵塞現(xiàn)象的效果。

（3）倒虹井及倒虹吸管段在特殊地質(zhì)情況選用合理處理方式。

（4）建議對倒虹井結(jié)構(gòu)及倒虹吸管道采取保護措施設(shè)計。

（5）做好倒虹井及倒虹吸管段的基坑（槽）開挖過程安全保護措施。