沿河道敷设排水管道工程设计重难点

黎 锋

(湖南博世科环保科技有限公司,湖南 长沙 410000)

1 概述

近年来，随着国家大力支持污水治理工程，越来越多县城和乡镇的污水处理工程启动了建设。益阳市某乡镇污水处理项目即在此列，本污水厂近期设计规模8 000 m3/d，远期设计规模18 000 m3/d，厂址位于洢水河侧，其中10 km的截污主干管敷设在洢水河河床。由于本项目位于山区，雨季时，河流的断面流量和流速较大，如何确保敷设在河床内的管道安全，成为了该项目的重点和难点。

2 设计重难点

在河道内敷设污水管道，需要注意的几个要点：1)污水管道属于重力流，一般情况下，会沿河流的流向在河床下而敷设，标高越来越低；2)设计时需考虑空管在水下所受到的浮力作用，即需进行抗浮设计[1]；3)需考虑河流的冲刷作用对管道及检查井的影响；4)需考虑河水中携带的大块硬质漂浮物对管道和检查井设施的冲撞。

3 工程设计

考虑到了管道在河床下敷设时所面临的重难点，应尽量避开沿河床敷设管道。但由于本项目，截污主干管途经镇区主干道，道路较窄，两侧均建有居民楼，且道路下已敷设各类管线，不具备在道路下敷设污水管道的条件。同时居民的生活污水直接排入房屋后面的河流中，若将管道敷设在道路下，需对居民楼内排水口位置进行改造，投资额增大，协调工作难度大，对工作开展和项目进度不利。基于上述原因，选择将污水主干管敷设在居民楼后面的洢水河中。纳污主干管按照远期规模18 000 m3/d进行敷设。污水管道总长度为12 km，其中沿河敷设段约10 km，起端为DN400钢带增强聚乙烯螺旋波纹管(以下简称钢带管，属于塑料管)，后端逐步增大，至进污水厂前，采用DN1 000的钢带管。

3.1 难点一：抗浮设计

抗浮设计主要包括两种：一是自重抗浮；二是工程措施抗浮。

3.1.1 自重抗浮

由于污水管道淹没在河水中，考虑管道在最不利情况(即空管)下受到浮力作用，当管道的自重不能抵消浮力作用时，管道上浮，管道将变形断裂。

此处以管径为DN600管道分别计算自重和浮力(管道长度按1 m计)，管道自重可查询厂家样本，管道在水中所受到的浮力可根据阿基米德原理进行计算：

分别计算Ⅱ级钢筋混凝土管、球墨铸铁管、焊接钢管和钢带管的自重和浮力，如表1所示。

表1 常见管道(DN600)自重和所受浮力计算表

通过水力计算，在浮力相同的情况下，混凝土管道的自重最大。但混凝土管道接口施工的要求很高，难以做到严密防水。球墨铸铁管道其自重较大，抗浮措施较简单，内衬材料具有防腐蚀作用，但价格过高，将导致项目整体投资增加。结合接口严密性和工程投资方面考虑，目前使用最广泛的是塑料管道，本项目采用塑料管(钢带管)作为截污主干管的材质。由于该材质的管道自重无法抵消浮力作用，因此需进行措施抗浮设计[2]。

3.1.2 措施抗浮

通常情况下，措施抗浮主要有覆土抗浮和混凝土镇墩抗浮两种。

第一种为覆土抗浮。以DN600的塑料管道为例，查询表1，其浮力为2 690.18 N，自重为147.15 N，因此措施抗浮力应大于2 543.03 N，经计算，其覆土厚度应该为0.5 m可满足抗浮要求。由于本项目管道敷设在河床下，暴雨季节的洪水会对现有河床造成冲刷，降低覆土厚度，覆土抗浮不适用。

第二种是混凝土镇墩抗浮。管道覆土的情况下，根据防洪评价报告中提供的河床冲刷深度，计算冲刷后的覆土厚度，据此计算混凝土镇墩的尺寸和数量。本文按最不利取覆土厚度为0 m，以DN600的钢带管为例进行镇墩抗浮设计。

根据上述所示，单位长度的钢带管所受到的浮力为147.15 N，如考虑每隔4 m设置一个镇墩，则总浮力为10 172.12 N。混凝土镇墩采用C30钢筋混凝土，断面尺寸为1.0 m×1.0 m，长度为1.0 m，镇墩的横断面图如图1所示。

则计算镇墩的重量为(1.0×1.0-3.14×0.588×0.588/4)×0.6×2.5×9.81=13 717 N，满足抗浮要求。

3.2 难点二：防冲刷设计

河床被冲刷后，容易造成敷设在河床下污水管道的检查井或管道基础板底脱空，管道发生下沉而损坏。

防冲刷的措施[3]：

1)敷设在冲刷深度以下；

2)在冲刷面堆砌石笼和大块石，避免对河床产生冲刷；

3)局部冲刷时，可考虑在冲刷面做混凝土硬化处理；

4)确保管道敷设标高低于常规的冲刷深度，在管道沟槽内采用混凝土包管处理。

3.3 难点三：防冲撞设计

由于河水流动，特别是雨季时，河水会携带大量的大块硬质物

体，比如木方和石块等。如上述物块对排水设施(主要是检查井的井筒)进行冲撞，将损坏检查井。为此需对检查井井筒部分进行防冲撞设计。

本项目设计时，根据对相关河道相关数据的查阅，管道敷设段河床的冲刷深度约为0.5 m。故在河床以下0.5 m范围内对检查井井筒设置了保护层，保护层厚度为250 mm，深度为500 mm，采用C20的素混凝土，详见图2，图3。

本项目采取上述抗浮、防冲刷和防冲撞设计措施后，工程在2015年4月份完工，经受了2015年和2017年洪水的检验，埋深在河床下的污水管道未受到破坏，对污水处理厂的正常运行提供了保障。

4 结语

乡镇污水处理厂配套截污管道在设计时，应遵循如下原则：

1)管道走向方案确定时，污水管道尽量不要选择在河床内敷设；

2)如果选择在河床上敷设污水管道，则应该选择枯水季节河床水位最浅时进行施工；

3)如果必须在河床内敷设污水管道时，若投资允许，则优先选用排水用球墨铸铁管、带内外衬的钢管等金属管材；

4)采用塑料管材时，设计之前需收集该河流的相关基础数据，并注意抗浮设计、抗冲刷设计和抗冲撞设计。