黄浦江倒虹管工程设计

曹晶

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海200092）

1 工程概况

1.1 系统简介

上海市污水治理二期工程总的服务面积为271.7 km2，总的服务人口为355.76万人。它的工程范围包括：浦西徐汇、卢湾的6个排水系统的截流设施、截流管道、黄浦江倒虹管（即龙华机场过江管）；浦东地区赵家沟以南的陆家嘴、洋泾、花木等13个地区和新区城镇的污水总管、中途泵站、出口泵站及排放口等。另外，工程还接纳龙华机场地区3万m3/d的生活污水；浦西黄浦江上游吴泾、闵行等地区约70万m3/d的污水。

黄浦江倒虹管工程是连接浦西截流系统和浦东污水总管的重要枢纽性工程。浦西截流收集系统主要是通过浦西1#和2#污水截流总管，以及浦西总线来接纳卢湾、徐汇区6个合流制排水系统的污水及初期雨水，并与龙华机场的污水汇合后自黄浦江龙华机场处过江，通过浦东南线SA泵站的提升接入浦东南线污水总管，再沿耀华支路、济阳路南下至外环线与南支线（即浦西吴泾、闵行等地区的污水）汇合，随后沿外环线向南，通过建平路连通管往北进入浦东中线总管，沿中线总管向东至白龙港污水处理厂与原南干线污水合并处理后，排入长江。

1.2 工程内容

黄浦江倒虹管工程中浦西倒虹井位于上海市燃料公司码头南侧，浦东倒虹井位于耀华支路西侧，浦东南线SA泵站内。倒虹管位于规划预留的规划管廊内。

黄浦江倒虹管工程是由浦西、浦东两座内净直径为14 m的倒虹井和其间二根直径为2 200 mm、单根管长为610 m的黄浦江过江倒虹管组成。浦西倒虹井同浦西总线格栅井紧邻，浦东倒虹井与SA泵站前池相连。

黄浦江倒虹管在雨天最大流量（即设计流量）时为满管流。在设计流量Q=18.43 m3/s时的黄浦江倒虹管的水头损失约为2.10 m。

2 工程规模

2.1 规划年限

工程的规划年限为2020年，并适当考虑2050年的发展状况。

2.2 设计参数

黄浦江倒虹管主要是收集浦西的合流污水过江通过浦东南线SA泵站的提升接入浦东南线污水总管。由于浦西徐汇、卢湾二区内的6个排水系统均为合流制，因此该工程采用的是截流旱季污水和初期雨水的收集方式。

（1）浦西合流制系统的截流倍数：对直接排入黄浦江的合流制系统，截流倍数采用1.5，排入其它支流的合流制系统，截流倍数采用3.0。

（2）最小旱流污水量：按平均旱流污水量的60%计。

（3）近期平均旱流污水量：浦西地区按规划污水量的70%计，不考虑截流量。

2.3 计算公式

2.3.1平均旱流污水量

QADWF=(1+f)Q1＋Q2＋Q3

式中：F——三产污水增加系数；

Q1——生活污水量；Q2——工业废水量；

Q3——地下水渗入量。

2.3.2设计水量

（1）合流制系统：

Q合＝(n+1)[(1+f)Q1＋Q2]＋Q3式中：N——截流倍数。（2）分流制系统：Q分＝KQADWF

式中：K——总变化系数。

（3）总管设计水量：

Q=Q合+Q分=(n+1)[(1+f)Q1+Q2]+Q3+KQADWF

2.4 设计规模

设计水量（即雨季合流污水量）：Q=18.43 m3/s平均旱流污水量（远期）：Q=6.10 m3/s平均旱流污水量（近期）：Q=3.75 m3/s浦西截流总管的设计运行模式详见表1所列。

表1 各运行工况表

3 工程设计

倒虹管是管道工程通过河道、谷地、旱洞或地下构筑物等障碍物时的一种特殊的构筑物。设计倒虹管时应保证安全、水流畅通，防止管道堵塞[1]。

根据倒虹管与上、下游管道的高程位置可分为“上倒虹”和“下倒虹”[2]；根据倒虹管的系统外观形式可分为“元宝式”和“扁担式”；倒虹管的施工工艺有开挖、沉管、顶管、盾构、拖拉等多种方法。

工程设计中对倒虹管的敷设位置，敷设数量，管材、管径及敷设长度、深度、斜管角度以及倒虹管的管内流速，进、出水井，沉泥槽，事故排出口和运行、养护、维修等均有较明确的规定。

上海市污水治理二期黄浦江倒虹管工程是属于特大型的合流污水管道工程。

3.1 系统定位

根据规划定位（属城市绝对坐标系统），规划管线走廊浦西端的定位坐标为：（X=-6 458.259，Y=-956.504）；浦东端的定位坐标为：（X=-6 557.800，Y=-325.500）。规划管线走廊宽度为过江管道中心线各向两侧外延10 m。总宽度为20 m。

确定和控制黄浦江倒虹管管线走廊的作用是：

（1）保证黄浦江过江倒虹管的安全施工、运行和养护、管理；

（2）有效控制黄浦江过江倒虹管两端的岸线功能；

（3）避免黄浦江过江倒虹管在施工期间对管线走廊范围以外事物的不利影响。

3.2 倒虹管型式的选择

黄浦江倒虹管前的浦西截流总管旱季为重力流，在雨天最大流量（即设计流量）时为满管流。倒虹管过黄浦江只能采用下倒虹型式。由于倒虹管过黄浦江须穿越沿江码头和驳岸，其下部桩基较深，只能采用垂直“扁担式”的倒虹管过江方式。

3.3 倒虹管的管径和数量

3.3.1倒虹管的管径

设计规范对倒虹管内自清流速（大于0.90 m/s）和冲洗流速（不小于1.20 m/s）的规定主要是防止管内泥沙等杂质垃圾的淤积[2]。由于浦西收集系统是截流原合流制排水系统中的旱流污水和初期雨水，因此平均旱流污水量，特别是近期旱流污水量远小于设计水量（雨季流量），为保证黄浦江倒虹管在旱流和合流截流的情况下均能正常运行，设计中2根Ф2 700 mm的倒虹井进水管缩小至2根Ф2 200 mm的黄浦江过江倒虹管，其倒虹管有效过水断面缩小了33.6%，在相同运行工况下，使倒虹管内流速提高了50.6%。

3.3.2倒虹管的数量

该工程设置2根Ф2 200 mm黄浦江倒虹管有以下两个作用：

（1）鉴于合流制截流系统中旱流污水量和设计合流截流污水量的数值差异较大，为保证黄浦江倒虹管在旱流和合流截流的情况下均能正常运行，设计中设置2根倒虹管，分别使用于旱流和合流截流两种情况，以保证倒虹管内有较好的水力状况。当旱流时，运行其中1根倒虹管，且定期轮换使用，互为备用；当合流截流时，则2根倒虹管一起运行。

（2）保证黄浦江倒虹管的运行、管理、维修和养护。当1根倒虹管需要维修、清洗和养护时，另1根倒虹管在提高水压线后，在对上游管道正常工作影响不大的前提下，仍能超负荷正常运行。

3.3.3倒虹管的设计运行工况

黄浦江倒虹管在不同的情况下其设计运行工况是不同的，具体详见表2所列。

表2 黄浦江倒虹管流速计算表

3.4 倒虹管的高程设计

黄浦江倒虹管的埋设深度主要决定于以下两个方面：

（1）倒虹管过黄浦江穿越沿江码头和驳岸时其下面的地下桩基深度；

（2）倒虹管过黄浦江时该断面的现状河床和规划河床深度。

3.4.1地下桩基

龙华机场黄浦江倒虹管过江断面两岸分别为上海电力燃料公司码头和上海港船铂修造厂浮码头，经过资料收集和调查研究获悉：电力燃料公司码头的板桩基础深度小于-15.0m（绝对标高，属吴淞高程）；船铂修造厂浮码头为重锤式基础，基础深度较浅。

3.4.2河床断面

经实地测量资料获悉，倒虹管过黄浦江时该断面的现状河床底最深深度约为-10.5 m。黄浦江下游河道为规划疏浚河道，因此规划河床深度要大于现状河床深度。因为龙华机场黄浦江倒虹管过江处的河床位置不属于规划疏浚河道，且该处的河流冲刷和淤积情况一般，所以该处的规划河床深度与现状河床深度相近。

3.4.3高程计算

根据有关的水文和航道要求，以河床断面深度作为控制因素进行设计计算：

式中：H——黄浦江倒虹管埋设深度，m；H0——实地测量的倒虹管过江断面河床底

的最大深度，m；

H1——河床底淤泥层厚度，m，（该项设计根据实际情况选取H1=2 m）；H2——管线覆土层保护厚度，m，（根据“室外

排水设计规范”规定：倒虹管的管顶距规划河底一般不宜小于0.5 m。上海航道局要求：一般根据黄浦江的河段水位基面、水深变化、现状及发展规划等因素，管线上覆土层厚度须保证在3 m以上，来满足通航标准和技术要求。该项设计考虑到超重货轮和客轮的重锚冲击，选取H2=5 m）D1——倒虹管内净尺寸，m，（该项设计为D1=2.2 m）D2——倒虹管壁厚尺寸，m，（该项设计为

D2=0.22 m）。

对计算结果进行取整得：黄浦江过江倒虹管的埋设深度为绝对标高-20 m（吴淞高程）。

对计算结果进行校核，H=-20 m大于最深的桩基深度-15.0 m（即H=-17.42 m）；H=-20 m大于交通部上海海上安全监督局规定的两根污水管穿越黄浦江部分的管顶标高应控制在-15.5 m（即H=-17.92 m）以下的要求。

最终确定黄浦江过江倒虹管的埋设深度为绝对标高-20 m（吴淞高程）。

3.4.4 倒虹管坡度

黄浦江倒虹管的高程设计中，浦西倒虹井处的倒虹管内底标高为-20.0 m，浦东倒虹井处的倒虹管内底标高为-20.4 m，过江倒虹管以0.66%的下降坡度由浦西坡向浦东。设置坡度的作用主要有：（1）便于施工排水；（2）便于养护清砂。

3.5 倒虹井的设计

3.5.1倒虹井的结构设计

浦西和浦东黄浦江倒虹井均采用内径为Ф14.0 m的圆形钢筋混凝土沉井，沉井内底标高均为-21.30 m，刃脚底面标高均为-26.30 m。浦西倒虹井井顶标高为2.50 m，原地面标高为4.80 m；浦东倒虹井井顶标高为4.00 m，原地面标高为6.80 m。两座沉井均采用水力机械下沉，水下封底，井内竖向排管结束后，部分素土回填。

浦西和浦东黄浦江倒虹井均采用外阶梯式沉井井壁，其作用在于：（1）便于在沉井施工时减小下沉的摩阻力；（2）通过节省工程量来节约工程投资。

3.5.2倒虹井中流槽和竖向管的设置

浦西和浦东黄浦江倒虹井中均设置了流槽、竖向导流管，以及转向为90°的弯头，并且其周围至标高为-2.49 m的中间平台间均用素土回填。工程设计的这种考虑主要有以下优点：（1）减小倒虹管系统的局部水头损失；（2）防止倒虹井中泥砂的沉积；（3）增加井内压重，解决沉井的抗浮问题；（4）便于倒虹井内中间平台的设置。有利于养护和管理。

3.6 倒虹井的水力计算

3.6.1设计参数

浦西倒虹井的2根Ф2 700 mm的进水管管内底标高为-6.44 m，2根Ф2 200 mm的出水倒虹管管内底标高为-20.00 m；浦东倒虹管的2根Ф2 200 mm的进水倒虹管管内底标高为-20.40 m，2根Ф2 700 mm的出水管管内底标高为-8.54 m。倒虹井内的导流管由2个转弯半径为3 500mm的90°弯头和1根Ф2200mm的竖向直管组成，单根黄浦江过江倒虹管设计长度为610m。

3.6.2计算公式

倒虹管工程系统水头损失H：H=H1＋H2＋H3

式中：H——倒虹管全部水头损失，m；

H1——倒虹管沿程水头损失，m；H2——倒虹管局部水头损失，m；H3——倒虹管安全水头损失，m。

3.6.3 局部水头损失H2的组成（见表3）

表3 倒虹管局部水头损失H2的组成表

3.6.4 倒虹管各水力运行工况（见表4）

表4 黄浦江倒虹管各水力运行工况表

3.6.5 几点说明

水平90°转弯和垂直90°转弯的局部阻力系数是不同的，而且差异还相当大。例如：当转弯半径R与管道直径d的比值为1.0时，垂直90°弯管局部阻力系数ξ1=0.294，而水平90°弯管局部阻力系数ξ2=0.80，ξ1/ξ2=1/2.72。

黄浦江倒虹管系统的水头损失以管段的沿程水头损失为主。

3.7 倒虹管施工工艺

该工程采用顶管施工工艺，顶管是地下管道不开槽施工方法中的一种，具有安全、可靠、规范和快捷等优点。

3.7.1顶管间距的确定

经过对现行的施工技术、施工设备、施工经验等多方面的调查和研究，最终确定：2根直径为Ф2 200 mm平行的过江倒虹顶管以及倒虹井的二根进、出水管管中心线间距离为5.0 m。这些指标均明显小于一般的顶管施工的常规参数（间距d=（2～3）D）。

减小双顶管之间的管间距，主要有两个优点：

（1）大大减小顶管倒虹井的平面净尺寸，节省工程投资；

（2）扩大双顶管外延至管线走廊边界的距离，减小管线走廊内外区域间的影响和干扰。

3.7.2该工程顶管施工的特点

（1）顶管管道的内径尺寸为D=2 200 mm＞1 800 mm，属于大口径管道顶管工程；

（2）顶管管道单向一次顶进长度为L=610 m（300 m＜L＜1 000 m），属于长距离顶管，需设置中继环；

（3）顶管轴线在竖向有一0.66%的倾斜坡度；

（4）采用钢筋混凝土顶管，该工程特殊的内压、外压和防腐要求须采用特殊的顶管管节和管接口设计；

（5）顶管间距远小于规范值，对顶管施工的难度要求相当高。

3.8 倒虹管节点工程

3.8.1系统透气问题

特大型、大型工程必须进行系统透气设计。从实际运行管理上来看，一些未考虑透气设计的管道系统已经出现了“气塞”、“跳井盖”等的工程事故。

黄浦江倒虹管工程由于浦西倒虹井紧邻浦西总线格栅井，浦东倒虹井与浦东SA泵站主泵房前池相连，格栅井和前池均是敞开面积较大的构筑物，可以通过构筑物进行透气。设计自查优化后，为更好地解决倒虹管系统的瞬间补气和疏气问题，又在浦西和浦东倒虹井井顶上加设了透气装置。

3.8.2闸门设置问题

倒虹管系统中闸门的设置主要是考虑用于运行管理中各运行工况的切换操作和倒虹管的养护清通。用于黄浦江倒虹管系统中的操作闸门主要设置于浦西总线格栅井和浦东SA泵站主泵房前池中。

3.8.3 泥砂沉积问题

由于黄浦江倒虹管系统中管道内的流速一般均大于1.0 m/s，设计流量时流速达到2.43 m/s，因此泥砂沉积问题不会太严重。即使系统中有泥砂沉积，产生一定的淤积，一是可以通过闸门的切换操作和水力清通设施对倒虹管进行冲洗，二是系统在较高的自清流速下也会达到淤积和冲刷的动态平衡[4]。

3.8.4事故应急排放问题

上海市环保和环卫部门不允许在黄浦江龙华机场段设置事故排放口。该项工程设计中对黄浦江倒虹管事故排放问题的设计考虑主要有：

（1）由于浦西污水收集系统是对排水系统中的合流污水进行截流，因此可以通过各节点的截流井和截流泵站的运行控制对事故情况进行各节点岔道分流。

（2）设置2根Ф2 200 mm过江倒虹管进行互为备用，以应付事故工况。

3.9 工程方案的审查

黄浦江倒虹管工程设计方案的报审主要涉及上海市规划局、上海航道局、上海港务局和交通部上海海上安全监督局等主管单位和部门，具体各主管职能部门的审查内容为：

（1）上海市规划局——控制规划用地，确定黄浦江倒虹管及其附属物的定线和定位；

（2）上海航道局——控制过江管高程，保证黄浦江的通航标准和技术要求；

（3）上海港务局——控制过江管岸线，确定过江管廊外缘，保证过江管运行使用的安全；

（4）交通部上海市海上安全监督局——对黄浦江倒虹管工程的安全实施、安全运行起监督作用。

4 运行管理

（1）正常运行分两种情况，当流量大于设计流量的一半时（大于9.22 m3/s），浦西总线格栅井中的四台2 000 mm×2 000 mm方闸门和浦东南线SA泵站泵房前池的二台φ2 700圆闸门均保持开启状态，二根倒虹管全负荷运行；当流量小于、等于设计流量的一半时(Q≤9.22 m3/s)，一根倒虹管切换运行以保证管中流速均不低于0.9 m3/s，便于养护和管理，相应的通过对相关闸门的启闭来达到设计和运行的目的和要求。

（2）在浦西总线格栅井和浦东SA泵站前池装有液位计，并有显示仪表，定期观察和监查水位，判断倒虹管中淤积情况，以便及时采取处理措施。根据水力计算与运行情况，编制倒虹管在各流量时两井内水头损失差的关系表。当发现倒虹管或倒虹井内有淤积，在采用水力冲洗仍达不到要求时，必须停水检查，但务必注意安全。

（3）管道切忌流量猛增或突减，以免产生负压、水锤等现象而引起损坏。

（4）倒虹管岸边轴线两侧（Z+R）（注：Z－管道中心埋深，R－管道外半径）范围内，不得进行有碍于管道安全的一切工程活动，如降水、基坑开挖、打桩等。

（5）管道在黄浦江中的位置应予以标明，禁止一切有损管道安全的工程活动（如：开挖沟槽、打桩等）及船只抛锚。

5 结语

（1）上海市污水治理二期工程是特大型的合流污水跨区域长距离输送外排工程，而黄浦江倒虹管工程又是其中重要的节点和枢纽工程。黄浦江倒虹管工程的实施、贯通和运行，使污水治理二期工程浦西和浦东两大区域有机地联系在一起，彻底解决了徐汇、卢湾两区6个排水系统合流污水的外排问题，有效地改善了中心城区的水环境质量。因此，黄浦江倒虹管工程的建设是十分必要的。

（2）特大型倒虹管工程设计方案中最重要的是工程安全性的设计。工程安全性设计的主要内容包括系统定位、倒虹管的管径与数量、倒虹管的埋深、系统水力计算、施工方案、系统运行、应急预案等。该项工程设计在较好地解决了工程安全性问题的同时，还对黄浦江倒虹管的系统透气、泥砂沉积、事故排放和安全节能等问题采取了相应的技术对策和工程措施。

（3）黄浦江倒虹管工程十分重视工程的平衡设计，平衡设计主要体现在对工程系统设计和节点设计的平衡；对工程设计、工程施工和运行管理的平衡；对排水工艺和土建结构设计的平衡等诸多方面。该项工程设计不仅充分考虑了技术的可靠性，还十分重视经济的合理性，根据该工程既有的建设条件，因地制宜，统筹兼顾，突出重点，工程设计方案充分体现了其合理性、针对性、全面性、先进性和前瞻性。

（4）上海市污水治理二期工程黄浦江倒虹管工程建成至今，运行安全、稳定、可靠。

[1]给水排水设计手册.城镇排水 (第2版)[M]北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]GB50014-2006,室外排水设计规范[S].

[3]孙慧修.排水工程 上册（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[4]陈祖军,韦鹤平.黄浦江大型排污倒虹管防淤的建议措施[J].中国给水排水.2001，17(01):57-60.