污水倒虹管设计要点与实例分析

李 敏

（东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏南京 210096）

0 引言

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，这种管道成为倒虹管[1]。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

1 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。

1.1 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。

1.2 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》（GB50014-2006）（2014年版），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1.2～1.5 m/s，在条件困难时可适当降低，但不宜小于0.9 m/s，且不得小于上游进水管道内的流速。当流速达不到0.9 m/s时，应采用定期冲洗措施，冲洗流速不得小于1.2 m/s。

1.3 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200 mm。

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1.0 m，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。

1.4 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2 m。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，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0.5 m。

（2）事故排出口

倒虹管宜设置事故排出口。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，应设置备用管线。

2 倒虹管水力计算

2.1 管径计算

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 1.2～1.5 m/s,但不宜小于0.9 m/s。

2.2 标高计算

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60 m时，采用5%，等于或小于60 m时，采用10%；h3为安全水头，一般取0.05～0.10 m；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

某工程一条污水主干管需要穿越一条大型河道，水面宽度120 m。河道北侧有一30 m宽云台山河路，距离北河岸边40 m左右；河道南侧距离河岸边30 m、60 m处分别有一根川气东送管道和一根西气东输管道。具体平面位置见图2。

图2 设计实例倒虹管过河道平面布置图

3.1 设计实例管径计算

该工程上游两根DN600管道汇入该倒虹管，设计坡度1‰，设计充满度0.75，则流量为Q=2×150 L/s=300 L/s。

鉴于该河道水面宽度较宽，且近期污水流量较小，为保证倒虹管正常运行，该工程设计设置2根倒虹管，近期使用一根，一用一备，且定期轮换使用，以保证倒虹管内有较好的水力条件。

由于上下游设计标高已经设定，两者相差甚小，无调整余地，故该处倒虹管设计水头损失不宜过大。查设计手册[2]，选择倒虹管管径D=600 mm，坡度 i=2.4‰，流速 υ=1.064 m/s，Q=300.84 L/s。

3.2 设计实例标高计算

沿程水头损失：iL=0.002 4×210=0.504（m）

局部水头损失：按照沿程水头损失的5%计算0.05×0.504=0.025 2（m）

倒虹管全部水头损失：h=0.504+0.025 2=0.529（m）

安全水头：由于该倒虹管长度比较长，故取大值0.1 m。

上下游水面差：H=0.529+0.1=0.63（m）

已知上游管内底标高4.83 m，故下游管内底标高设计为4.83-0.63=4.20（m）

图3为设计实例倒虹管过河道横剖面图。

图3 设计实例倒虹管过河道横剖面图

该处河道规划河底标高为4.0 m，设计倒虹管管顶覆土至少保证1.0 m，则水平管段管底标高最高为2.4 m。

3.3 管材及施工方法选择

该工程河面宽度宽，水平管埋设深度深，大开挖施工难度大，故该工程设计采用导向钻进技术敷设该倒虹管，一次性穿过河道北侧道路、河道以及两根输气管道。导向钻进敷管法[3]是非开挖敷设地下管线技术中的一种。它具有非开挖施工的共同优点，如无须断航等。此外，其钻孔轨迹是一条平滑的曲线，避免了传统倒虹管施工中折管所带来的弊端，楔形导向钻头在钻进中可根据需要形成直线段和造斜段。倒虹管的管材可选用耐腐蚀的塑料管。该工程选用HDPE管材，热熔连接。

拖拉管最小覆土厚度的选择很重要，过深将导致倒虹井埋深过大，施工困难，过浅将导致拖拉管冒浆甚至管道在河水浮力作用下施工失败。该工程现状河底标高为5.0 m，规划河底标高4.0 m，按照倒虹管水平段距离规划河底至少1 m考虑，水平管段管内底标高为2.4 m，既保证了与规划河底标高的安全距离，又满足现状条件下牵引管施工的要求。

3.4 倒虹井的设计

该工程两座倒虹井设置在河道两侧的空地上，均采用3 m×3 m方形钢筋混凝土检查井。由于两座检查井较深，井内设置检修台，并在倒虹井中设置流槽、闸门。

由于该倒虹管段长度比较长，且近期流量尚未达到设计充满度的标准，流速尚未能达到设计流速要求，故在该倒虹管上设计冲洗装置。由于该倒虹管处河道最低水位高出上游管管顶2 m，所以为了节约冲洗用水量，采用了引入河道水对倒虹管进行冲洗。具体设计为在倒虹管顶部设计引入管分别与两根倒虹管连接，在两根连接管上分别装设阀门，在引入管上装设闸门对冲洗水进行控制。

4 结语

倒虹管在城市化进程中起着举足轻重的作用，它是连通城市地下管线的桥梁。由于倒虹管埋设较深，大都在河道或建（构）筑物底下，与一般的管道相比体现出了两大难点：一是施工难，二是清通难。所以在设计、施工和维护管理倒虹管的时候应特别注意，在发挥倒虹管穿越障碍物作用的同时，也要充分考虑走线合理、排水顺畅、维修方便、经济安全等诸多因素。

另外，倒虹管的清通管理比一般管道困难多，因此，必须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[4]。

[1]孙慧修.排水工程（上册）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[2]给水排水设计手册编写组.给水排水设计手册（第1册）[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.

[3]韩世平.应用导向钻进技术敷设污水倒虹管探讨[J].给水排水,2006(3)：89-92.

[4]韩治国.综述倒虹管的养护修理技术 [J].黑龙江水利科技，2012（3）：392-394.