城区污水管道设计分析

金旺才 刘海茹

城市化进程不断加深，在促进城市发展的同时，也在一定程度上导致城市的水污染问题越发严重。鉴于此，为了促进城市可持续发展，有必要针对城市内部污水管道设计理念进行分析和研究。

1.城区污水管道现状分析

城区污水管道建设工作属于我国市政工程的重点内容。随着城市发展进程的逐步扩大，城市的污水管网复杂程度也在攀升，与给水管道不同，市政污水管道的综合距离较长，且经常需要穿越城市的交通干线以及大型建筑物。此外，由于很多城市的排污管道使用年限较长，已经发生了一定程度的变形，甚至引起了路面塌陷。由此可见，一定要充分做好城市污水管道的结构设计工作。

2.城市污水管道设计需要重点关注的几个方面

2.1 合理选择污水管材

在针对城市排污管道进行设计的过程中，一定要重视管材的选择。管材的材料性质、管道的用途、管道日常的工作环境和管道敷设方式、管道所处区域的地质水文条件有着非常重要的关系。鉴于此，在选择施工管材的过程中，一定要结合上述条件做好管材的挑选工作。

如在针对城市排污管道进行挑选的过程中，由于污水排污管道的重力管压力较低，可以采用金属材质管材，在城市排污中，常用的管材有钢管、球墨铸铁管。除此之外，也可以使用材料结构为混凝土形式的管材，如预应力混凝土管材、聚合物胶结混凝土管材。

此外，随着科学技术的不断发展，目前还有一些城市开始使用化学合成管材。不同类型的管材都有自身的优势和缺点。以金属管材为例，虽然金属管材的制作加工工艺比较简单，且非常适合应用在一些地形地质水文条件相对复杂的区域，但是由于污水具有较强腐蚀性，对金属管材的腐蚀非常严重，针对金属管材开展防腐工作具有一定的困难。

由此可见，为了尽量延长城市污水管道的使用寿命，应该尽量避免使用金属管材。混凝土管道具有耐腐蚀、使用寿命长的优势，但是由于混凝土管道的抗渗性能较差，不经过特殊处理很容易发生污水渗漏情况。和混凝土管材相比，合成材料污水管材具有水头损失较低、造价低、防腐蚀性高且防渗透能力较好的优势，非常适合在城市污水管道设计中广泛应用。

2.2 做好管道结构分析工作

一般情况下，城市的排污管道都采用埋地安装方式，在应用该方式的过程中，一定要结合施工区域的实际地质条件展开设计。施工人员需要根据基槽回填土密实度来对排污管道的结构进行确定。此外，为了确保管道结构的稳定性和强度，还应该针对管道的强度开展核算工作。同时，也要做好裂缝核算工作。在针对柔性管道结构进行设计的过程中，一定要充分做好管道环截面强度、环向稳定性、环截面变形控制计算工作。如果城市的地下水水位较高，还有可能产生污水管道埋设在地下水水位以下的情况，针对这一现象，除了做好管道防腐工作之外，还要针对管道的抗浮稳定性进行计算。通常，组合作用下金属管道的最终竖向变形率应控制在3%以内，塑料管道的最终竖向变形率应控制在5%以内。在12h～24h 时内，金属管道变形的裂变率不超过2%，塑料管道不超过3%。

2.3 采用合适的管道施工技术

在针对城市污水管道开展施工的过程中，不仅要考虑地下的地质结构，同时也要做好地面障碍物以及地表覆盖物的综合分析工作。就目前的城市污水管道施工情况来说，常用的管道施工方式有：（1）开挖施工；（2）顶管施工；（3）水平定向钻。

在采用开挖施工技术的过程中，一定要充分保障施工场地周围没有障碍物后才可以进行开挖施工。开挖施工技术具有工程造价较低、施工周期短的优势。在采用开挖技术的过程中，为了确保基坑周边的安全性，需要采取安全防护措施。

在采用顶管技术的过程中，由于该管道施工技术不需要进行开挖施工，需要施工人员在道路两侧放置工作井和接收井，然后再借助千斤顶进行顶进即可。鉴于此，在采用顶管施工的过程中，应该选择借助封闭式工具头进行施工，当施工距离较长的时候，还应增加中继环接力顶进。

水平定向钻也是一种非开挖施工技术，该技术需要借助水平定向钻进行打孔，然后经过多级扩孔后进行管道敷设工作。此外，在扩孔的过程中，还要同步做好泥浆护壁工作，并利用水泥砂浆针对空隙进行填补。在城市污水管道施工技术中，水平定向钻技术由于施工方式简单、施工成本低受到施工单位的青睐。

2.4 做好管基及沟槽回填工作

如果城市的污水管道采用混凝土管，那么一定要做好管道沟槽回填工作。管道沟槽回填质量在一定程度上决定了管道的受力大小以及路基的稳定性。如果没有做好管道沟槽回填工作，非常容易导致混凝土管道产生变形，从而导致地面沉降和塌陷。鉴于此，在针对管道沟槽进行回填的过程中，应该注意以下几方面的问题。（1）要做好回填材料选择工作，针对混凝土管道可以使用粘土、粉质粘土和砂砾进行分层回填。在针对金属材质管道进行回填的过程中，在管道的基础底层应该选择中粗砂砾进行回填，在管道两侧应该选择中粗砂、级配砂砾回填。（2）在进行回填的过程中，一定要注意施工力度，不能对管道壁造成损伤。（3）管道处于淤泥层中，由于地基作用力较弱，在回填时还要铺设一层垫层。

3.工程案例分析

在本文中，选择我国南方某地区的城市污水管道为例，该城市污水管道长度为6.4km，管径在De300～De500，埋深1.0m～3.5m。在敷设该管道的过程中，不仅需要穿越城市道路，同时还要穿越河道驳岸挡墙及居民房屋。由此可见，该管道敷设难度和复杂性较强。由于该城处于我国长江中下游三角洲区域，地形结构为淤积平原，整体地势比较平坦。根据勘察结果可知，该城市的土层按照时代和物理特征指标可以划分为以下几层：4 个工程地质层，6 个工程地质亚层。由于该区域的地形特征相对平坦，施工人员在敷设排污管道的过程中，采用开挖施工技术和牵引施工技术。针对开挖地段，选择HDPE 缠绕结构壁管，针对牵引路段，使用PE100 实壁管。经过对管道的分析计算得出其力学性能如下：质量密度不小于0.93 g/cm3，弹性模量不小于758 MPa，抗拉强度不小于20.7 MPa，抗拉设计值不小于16.0 MPa，环刚度不小于10 kN/m2。除上述前四项要求外，PE 实壁管的环刚度满足施工使用阶段的荷载要求，最小不小于10 KN/m2，管材满足拉回要求，拉应力不大于12 MPa。在粉砂、淤泥质粉质粘土层作为基础持力层的情况下，当持力层为淤泥质粉砂粘土时，用厚度不小于300 mm 的碎石垫层替换。挖方管道管腔内、管顶以上500mm 内均采用级配砂砾掺料回填。

但是，经过现场试水分析后，发现该管段部分区域有一定的淤塞现象，造成地面沉降。施工人员经过分析后发现是因为施工方为了节约成本，擅自对管道材料进行了更换，且在施工的过程中没有辅助做好支护措施和防水措施，没有按照基坑回填要求做好基坑回填工作，从而导致施工完成后，上部土体对下部管道造成扰动，引发管道接口变形，从而导致路面沉降连续发生。经过返工设计后，上述现象消失，管道运行状态和质量良好。

4.城市污水管道设计过程中的反思

结合工程案例可知，城市污水管道的埋深会直接影响管道的施工质量和总体的工程造价，通常，管道的埋深程度越高，其工程造价也就越高，从而增加了施工难度和施工周期。同时，管道埋深对管道直径有着非常大的影响，如果埋深较大，其埋深造价会高出管径造价好几倍。同时，受到管道连接和埋设的影响，如城市污水管道埋深增加了半径，则该管道下游的管道整体埋深都会有所增加。鉴于此，在城市污水管道的设计过程中，要尽量降低埋深。

此外，埋深程度还会影响管道的水流速度。影响管道埋深程度的决定因素为管道坡度，如果管道内水流速度降低，其水力半径会增加。二者之间呈现反比例关系。为了合理控制管道的水流速度，应该合理选择管道埋深。但是，在污水管道的约束条件中，除了对最小管径的管底坡度要求外，还没有对管底坡度作出具体规定，因此不能把管底坡度作为优选的决策变量。而对于设计流速却存在明确的约束，在满足设计流速约束条件的前提下，最小设计流速是优选设计参数的重要内容。

5.结束语

城市污水管道设计工作属于市政工程的重点内容，鉴于此，可以通过优化管材、选择合理的施工方式、做好管道沟槽回填工作等方式来提升城市排污管道质量。