山地城市污水干管过河方式研究

敖良根，黄炜曦

山地城市污水干管过河方式研究

敖良根1，黄炜曦2

（1重庆市市政设计研究院，重庆400020；2重庆金泰国有资产经营有限公司，重庆401121）

山地城市污水干管在跨越河流时，合理选择过河方式是山地城市污水排水系统定线布局研究的重点。该文介绍了山地城市污水干管几种过河方式：管桥方式、倒虹吸方式、泵站提升方式和利用河道地形过河方式，并结合理论及案例进行了分析，为山地城市排水系统设计研究提供参考。

山地城市；污水干管；过河方式；管桥；倒虹吸；泵站提升

引言

山地城市地形复杂，山势起伏，水系交错，其污水干管沿地势较低的滨河道路或河道两岸敷设，在河道水系汇合区域不可避免将横跨河沟。由于山地城市河流纵坡大，两岸谷坡陡峻，污水干管过河方式与平原地区有很大区别。山地城市污水干管如何结合自身特点，在考虑技术、经济、安全、美观、实用等因素的条件下合理选择过河方式，是山地城市污水排水系统定线布局研究的重点。

1 山地城市污水干管布置特点

污水管道定线应尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排出。污水干管定线主要原则：（1）便于接入原则：便于支管重力流接入。（2）经济性原则：考虑污水干管线路短，埋深小，利于降低造价。（3）重力输水原则：干管尽量重力流敷设，减少压力流提升泵站的设置。（4）可实施性原则：污水干管可在道路下或沿自然地形敷设，具备可实施性。（5）实用性原则：考虑构筑物简单，实用，便于检修。（6）与其他设施协调原则：结合景观因素条件下，污水干管各构筑物、管线与其他基础设施统一、协调、美观。

根据以上原则，污水干管一般依据地形布置在流域地势较低位置，尽可能重力流收集整个流域污水，所以，污水干管一般沿河道两侧布置或沿滨河道路敷设。而滨河道路顾名思义一般沿河流两岸选线，所以，研究山地城市河流的形态特性，是污水干管选线的重要条件。

山地城市河流为流经地势高峻、地形复杂的山地的河流，山地城市河流在纵向特性为河道多落差、河槽比降大；河流断面特性为两岸谷坡陡峻，河谷断面形态往往发育为"V”字形或不完整的“U”字形，坡面呈直线形或曲线形非规则断面[1]。

图1 山地城市河流典型横断面形态

山地城市滨河道路沿河道两岸定线，一般结合自然地形调整高程，为减少土石方开挖，节约造价，滨河道路高程上起伏较大。山地城市污水干管沿河道两岸布置，优先考虑设置于滨河道路下，管道施工时可利用道路路基作为管线基础。但由于滨河道路在高程上起伏，污水干管在滨河道路上埋深将会出现较大埋深高差。为避免管线大埋深带来的高造价及后期维护检修困难，污水干管可结合自然地形敷设于滨河道路路基范围外，以及河流滨水绿化区域。故污水干管在滨河道路跨越河道支流或主流位置经常出现污水干管比路面低5～10m的情况，污水干管定线时就需要选用合理的方式跨越两岸谷坡陡峻的山地河流。

2 污水干管过河方式研究

污水干管沿滨河道路或河道岸边敷设时，与其他河流交叉或需要横跨河流继续往下游敷设时，污水管线过河方式主要有以下几种：管桥方式、倒虹吸方式、泵站提升方式以及结合河道地形过河。

2.1 管桥方式

污水干管需要跨过河流时一般考虑利用现状桥梁管廊或设置管桥过河。

利用现状桥梁管廊过河方式简单、造价省，不影响河道景观。但现状桥梁一般考虑在人行道板下预留管线走廊，管廊底标高与车行道标高基本一致，一般压力管线（给水）或非重力流管线（电力、通信等）能从管廊通过，而重力流管线由于在道路下敷设，具备一定覆土埋深，无直接利用管廊过桥条件，而且现行桥梁规范明确指出不允许重力流污水管线利用桥梁管廊过河。

设置管桥过河方式在污水干管过河案例中非常普遍，应用非常广泛。但对于山地城市河流而言，一般污水干管特别是污水主干管过河位置，河道一般两岸陡峭，河道深度20～30m，有的甚至达到上百米。对于这种河道，设置管桥造价高，而且需考虑与周边景观的协调性。所以，对于跨越山地城市河流污水干管而言，设置管桥过河并不是首选方案。

2.2 倒虹吸方式

当渠道与道路或河沟高程接近，处于平面交叉时，需要修一构筑物，使水从路面或河沟下穿过，此构筑物通常叫做倒虹吸[2]。污水干管与河流交叉需跨越河流时是否采用倒虹吸结构方式，主要应考虑两方面因素。

2.2.1 进出水井高差因素

倒虹吸管是利用上下游管道的高差来克服污水在倒虹吸管道及进出水井的阻力损失[3]。倒虹吸管设置首先应考虑污水干管在河道两侧须有高差，倒虹吸管阻力损失计算公式[4]：

△h-倒虹吸管阻力损失，m；

i-倒虹吸管每米长度阻力损失，即水力坡度；

L-倒虹吸管总长度，m；

ξ-局部阻力系数；

v-倒虹吸管流速，m/s；

g-重力加速度，m/s2；

h1-进出水井水头安全系数，一般取0.05～0.1m。

一般倒虹吸管阻力损失中沿程损失占总阻力损失的90%，所以，合理选用管道断面，减少倒虹吸管水力坡度是减少沿程损失关键，但必须考虑管道流速满足最小流速条件。在进行污水管线定线方案设计时，可按局部损失约占沿程损失值的5%～10%考虑。

从以上分析可以看出，河道两侧污水干管水位高差为倒虹吸管能否设置的关键因素。

图2 倒虹吸管示意图

2.2.2 河流横断面形态因素

河流横断面形态因素主要考虑三个方面：河流宽度、河流岸坡高度及坡度、河流水深。河流横断面形态主要决定倒虹吸管道设施条件。

（1）河流宽度影响分析

河流越宽，倒虹吸管道越长，河道两侧污水干管需要水位高差越大，并且管道水下施工部分增长，相应施工难度增大。所以，倒虹吸应选在河流宽度较窄位置，尽量正交通过。

（2）河流岸坡影响分析

河流岸坡应有利于倒虹吸管道及进出水井竖井实施。山地城市河流在与主流河道汇合位置，岸坡一般为陡峭岩坡且高差大。由于倒虹吸上下行管与水平线夹角应不大于30°，如加大倒虹吸竖井深，不利于竖井实施及后期维护。所以，倒虹吸管可考虑设置在河流岸坡较缓位置，便于倒虹吸管上行管与下行管实施安装。

（3）河流水深影响分析

河流水深主要对倒虹吸管道水下施工产生影响。倒虹吸管道一般设置于河底，管道水下施工工艺主要有：围堰施工、沉管施工工艺、暗挖施工工艺等。

① 围堰施工工艺：主要用于河流水深较浅，允许断流或分段围堰施工河段。一般土袋围堰施工适用于水深小于3m，水流速度小于1.5m/s河段；对于水深超过3m河段，则需要根据河床基础条件设置钢板桩围堰或双壁钢围堰[5]，成本显然会增加。

② 沉管施工工艺：适用于水深较深，河道不允许断流河段，国内沉管施工工艺已有水深10m以上沉管成功施工案例。沉管施工工艺主要包括钢管或PE制作、基槽开挖、吊管下水、横管及沉管、抛石回填等五个主要工序。管道制作、焊接可在岸边操作或采用浮船施工，基槽开挖可利用挖泥船进行水下开挖，下管前注意先铺砂石作为垫层，沉管时考虑两岸固定管位坐标。

③ 暗挖施工工艺：主要用于河床基础较好水深较深河段。目前国内一般顶管法施工适用管径900～4000mm；对于150～900mm管径范围管段，可采用微型隧道法施工工艺[6]。

2.2.3 运行维护因素

由于污水管道内沉积物及悬浮物较多，在倒虹吸管容易沉积堵塞管道。所以，在进水井应考虑设置沉泥井，同时考虑在进水井前设置格栅拦截悬浮物。倒虹吸管道应控制设计流速大于0.9m/s，设计时可考虑设置两根管道，按近期流量时交替运行其中一条管道，流量逐步增加后考虑两条管道同时运行。在进出水位置考虑设置高压水冲洗口，冲洗水可利用河水或自来水进行冲洗。

2.3 泵站提升方式

当河流两岸污水干管无水位高差时，污水干管需设置泵站提升，泵站提升方案重点考虑泵站压力管线过河方式。泵站压力管线过河方式主要有三种：①利用道路桥梁管廊过河；②单设管桥过河；③河底敷设（顶管工艺，沉管工艺等）。

2.3.1 利用道路桥梁管廊过河方式分析

对主干路、次干路、支路的桥梁，桥面为混合车道时，人行道或检修道路缘石宜高出车行道路面0.25～0.4m[7]。所以，道路桥梁管廊一般可布设管道断面约DN150～DN300，若超过DN300，则需加高人行道或检修道路缘石高度。从荷载平衡考虑，污水压力管线可双侧对称布置。污水压力管线利用道路桥梁管廊过河方式简单，实用，造价低，属于较为常用过河方式。

根据 《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）第3.0.19条，“不得在桥上敷设污水管、压力大于0.4MPa燃气管和其他可燃、有毒或腐蚀性的液、气体管线”。笔者认为此条主要针对于在桥梁上敷设重力流污水管线，重力流污水管线存在泄露及沼气外溢问题，影响桥梁结构安全。而污水压力管线泄露的可能性小，在做好事故应对措施的基础上，可将污水压力管线设置于桥梁管廊，主要措施有：①考虑在管廊内预留污水压力管事故溢出地漏，防止污水浸泡桥梁结构构件；②在桥梁管廊内每隔一定距离增设自来水冲洗龙头，发生事故时及时冲洗。在设计阶段可对其进行专项论证，征求桥梁主管部门及环保部门意见。

2.3.2 单设管桥过河方式分析：

污水泵站压力管线单设管桥过河方式考虑因素主要有：①河流洪水位影响；②河流景观影响；③经济性因素。

（1）河流洪水位影响因素

山地城市河流由于纵坡大，水流急，洪水位一般较低，管桥基本不受洪水位影响。但在支流与主流交叉位置，由于受主流河道洪水倒灌顶托影响，支流洪水位与主流河道洪水一致，则管桥设置时应按主流河道洪水位进行考虑。

（2）河流景观影响因素

管桥修建时应考虑管桥对河流景观的影响。管桥修建将影响河道景观通透性，尽量避免污水干管位于桥梁与河道底部标高的中间位置，既影响美观，又影响河道行洪。

（3）经济性因素

相对于其他几种管线过河方式，管桥的造价最高。由于管桥属于市政设施附属构筑物，以简单、经济、实用为主，在河流较宽河段，如果桥梁跨度较大，则造价将大幅度增加，而采用小跨径桥梁将形成较多的桥墩，影响河道整体景观。

2.4 利用河道地形过河

由于山地城市河流纵坡大，纵向上多跌水段。所以，利用河道纵坡高差，可在上游河道适当位置过河，可减少污水干管与河道底标高高差。利用山地城市河道纵坡大特点，在上游过河需考虑三方面因素：

（1）河道两岸用地因素：河道两岸用地需为绿化保护用地或允许设置污水干管用地。

（2）岸坡地形因素：岸坡地形相对较缓，有设置污水干管条件。

（3）河道纵坡因素：河道纵坡大，在短距离内有跌水等高落差，有条件在短距离内减少污水干管底标高与河底标高差。

3 工程案例分析

项目位于重庆市北部新区，为污水干管工程设计。污水干管断面：d600～d1000，i=0.0012，污水干管结合路基挖填及自然地形，考虑采用道路左侧人行道下敷设与临江侧绿化用地内布置相结合的平面布置形式，其中大部分管道结合自然地形可布置于临江侧绿化用地内。污水干管跨越河道位置断面为d800；井底标高：195.40，井面标高：197.90，河底标高172.55，河道河口洪水位20年一遇约192.70m；50年一遇约196.00m，属于嘉陵江顶托影响水位。河道在滨江路范围深大约25m，污水干管基本沿滨江路路基敷设，污水干管在河道过桥位置标高不受河流自身洪水冲击影响。

（1）管桥方式过河思路

在河流河口位置，设置管桥，管桥长度约135m，管桥距河底高度约25m，管桥造价约85万。管桥需结合道路桥梁设置，由于管道埋深约2.4m，管桥对滨江路景观影响大，且管道底标高位于洪水位下，管桥标高直接受主流河道洪水位影响。

由于支流洪水位为主流河道顶托洪水位，往河流上游方向设置管桥，管桥受支流自身洪水位影响小。往河流上游约300m位置，河流底标高约181.50m，污水管道底标高约195.05m，河流两侧为绿化用地。方案考虑污水干管沿河道东侧绿化用地内敷设，距滨江路300m位置过河，可考虑结合绿地步道系统设置管桥，管桥长度约125m，管桥距河底高度约9.5m，管桥造价约75万，管桥可结合人行景观桥功能。

（2）倒虹吸方式过河思路

如果在滨江路位置设置倒虹吸管，则25m深河道显然不利于倒虹吸管上下行管道敷设。考虑到河流纵坡大，往上游约400m位置河底标高约185.50m，水面宽度约8m。方案考虑污水干管通过上游支路道路（规划标高200.05m）处过河，由于河道深度约为14.5m，可考虑在上游支路设置倒虹吸管，虹吸管管长约55m，进出水井深约6m，倒虹吸设施造价约58万。相对于在滨江路位置（河流河口位置）设置倒虹吸管的上下行管道短，实施条件更为有利。

（3）泵站提升方式过河思路（图3）

Study on River Crossing Mode of Sewerage Pipe in Mountainous City

A reasonable river-crossing mode of sewerage pipe is a crucial part of sewerage layout in the mountainous city.Several river-crossing modes of sewerage pipe are introduced:bridge pipeline,inverted siphon,pump station lifting and riverway-based mode.And these ways are analyzed through the combination of theories and cases.It can offer some references for sewerage design and study in the mountainous city.

mountainous city;sewerage pipe;river crossing mode;bridge pipeline;inverted siphon;pump station lifting

TU992

A

1671-9107（2013）03-0040-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.040

2013-01-94

敖良根(1977-)，男，江西南昌人，研究生，高级工程师，主要从事水污染控制、城市次级河流保护和市政管网系统方面设计和研究。