长距离高落差有压重力流废水管道设计

2020-09-08杨艳，樊旭

山西化工 2020年4期

关键词：排污管水阀管径

杨艳，樊旭

(山西阳煤化工工程有限公司，山西太原 030021)

1 工程概况

某化工厂的生产污水经厂内污水处理站处理后，废水水质达到地表水环境质量Ⅴ类标准。废水排放规模为360 m3/h。

出厂后的生产废水沿稷山县城，由北向南采用封闭式管道自流排入汾河，全长10.247 km，最大落差125 m。

2 工程设计

2.1 管道敷设路线

该化工厂位于稷山县西社新型煤化工循环经济工业园区内，该厂污水出口位于厂区东南侧，振西大街北侧。根据现场踏勘，本次设计的废水管敷设路线总体地形为西高东低，北高南低。污水管道先沿振西大街绿化带向东铺设0.803 m，至振西大街与兴稷大道路口处，再向南沿兴稷大道、运稷路西侧农田铺设5.367 km，然后向东穿过运稷路铺设0.28 km，再向南沿西社河西岸铺设3.399 km，穿汾河北岸大坝进入汾河滩地，再沿滩地铺设0.398 km接入汾河主河槽，规划管道全长10.247 km。管道走向图见图1。

2.2 工程总布置

污水管道沿兴稷大道和运稷线铺设，管道铺设总长10.247 km，进出口地形高差125 m，管道进口处设置进水池1座，设计容积为32 m2，出口处设置八字出口1座，在管道突起处设置进排气阀，低洼处设置泄水阀，转弯处设置镇墩，管道沿线共布置进排气阀井12座，泄水阀井8座，减压阀井2座，镇墩15个。

图1 给排水管道总平面布置图

2.3 排污管线的设计

本次设计排污管线采用明挖施工，在穿越道路及建筑物密集区采用水平定向转施工。

2.3.1 管道的水力计算

本项目废水排放规模为360 m3/h。

2.3.1.1 管径计算

管径选择直接关系到工程投资与运行管理费用，因此合理选择管径是管道系统设计的重要环节，管径计算公式如式(1)。

(1)

式中，D为管内径，mm；Q为流量，m3/h；V为流速，m/s。

根据地形高差、管道流量及管道水头损失计算综合确定管径。

2.3.1.2 管道压力计算

管道的沿程水头损失按式(2)计算。

(2)

式中，hf为沿程水头损失，m；f为沿程水头损失摩擦系数；Q为管道设计流量，m3/h；m为流量指数；d为管道内径，mm；b为管径指数；L为管道长度，m。

管道水头损失包括沿程和局部水头损失，其中沿程水头损失按式(2)计算，局部水头损失按沿程水头损失的10%计。

2.3.1.3 各段管道水力计算见表1。

表1 管道的水力计算表

经计算可知，即满足正常水量及最大水量,K0+000～K4+500段的管径为De315,K4+500～K5+800段的管径为De315，K5+800～K10+247段的管径为De355。本次直埋管道压力选用0.6MPa，定向钻管道压力选用1.0MPa。

2.3.2 管材的选择

输水管道材质的选择，应根据管径、内压、外部荷载和管道敷设地区的地形、地质等，按运行安全、耐久、减少漏损、施工和维护方便等原则，进行技术、经济、安全等综合分析确定。

由于输水管道为有压管道，考虑到本工程地形复杂、落差大，本次管材选择考虑了钢管(TPEP)、球墨铸铁管(DIP)、预应力钢筋混凝土管、给水用聚乙烯管(PE)共四种管材，其管材性能比较见表2。

表2 管材性能比较表

从材料对比表中可以看出，预应力钢筋砼管糙率大、抗腐蚀能力差、抗地基沉陷性差，使用10年后保护层易脱落、安全性低，本次不推荐使用；TPEP钢管、球墨铸铁管和PE管均能满足该工程要求，球磨铸铁管为柔性接头，抗地基沉陷性能力一般，价格较高，TPEP钢管价格适中，但是施工线路中多处需采用水平定向转施工，TPEP钢管外防腐易损坏，PE管价格最低，而且糙率小，抗地基沉陷性强，抗腐蚀性能强，接头采用热熔连接施工简单，因此结合本工程高差大、地形复杂、地基非自重湿陷性等情况，本次推荐采用PE管[1-3]。

2.3.3 管道的纵横断面设计

2.3.3.1 纵断面设计

管道纵断设计既要考虑地形条件，又要考虑管道埋置深度，允许借转角度，管件设置条件等有关因素，本次管线设计遵循以下原则[4-5]：

1) 该区最大冻土深为0.57 m，管顶应在冻土线以下，同时不影响耕作，穿耕地的管道设计管顶覆土深度不小于2.0 m，沿道路绿化带敷设时，管顶覆土不小于1.0 m。

2) 排气阀安装在管线的隆起部位，为了排除管线投产时或检修后通水时管线内的空气，平时用以排除从水中释出的气体，以免空气在管中，减小过水断面，增大水头损失。

3) 在管线的最低点须安装泄水阀，用以排除管道中的沉淀物以及检修时放空水管内的存水[6]。

4) 在管道接口、三通及10°以上的弯道上设支墩，支墩做法参考给排水标准图集10S505。

5) PE管道在穿越铁路、高速路等主要道路时应设套管，套管采用焊接钢管SY/T5037-2017。De315套管管径为DN400,De355套管管径为DN450，压力等级为PN1.0 MPa。套管两端采用防水材料封闭，防腐等级为加强级防腐。

2.3.3.2 横断面设计

该段压力管路为单管线，根据规范要求，De355管道管沟底宽1.0 m，两侧以1:0.5边坡开挖，个别段挖深大于3 m时，两侧留宽0.5 m马道，马道以上仍按1:0.5坡度开挖。桩号0+000～7+012段基础为非自重湿陷性黄土，基础采用0.3 m厚3:7灰土垫层，桩号7+012～10+247段管道基础位于地下水位以下，基础自上而下依次采用0.1 m粗砂垫层，0.2 m厚砂砾石垫层，0.3 m厚干砸片石垫层。

2.4 管道附属建筑物设计

本次设计共布置建筑物38座，其中，进水池1座，进排气阀井12座，泄水阀井8座，出水池1座，减压阀井1座，镇墩15个。建筑物位于管道桩号0+000～7+012段，由于该段地基为非自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅰ级，基础换填0.3 m厚3:7回填垫层，基础及回填土压实度不小于93%；管道桩号7+012～10+247段，由于基础位于地下水位以下，基础自上而下依次采用0.3 m厚砂砾石垫层，0.3 m厚干砸片石垫层。

2.4.1 进水池

本次设计在厂区排污口处(桩号0+000)新建进水池1座，根据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》(CECS193:2005)第5.1.6条规定，重力输水管道中间的水池，保证正常运行和流量调节时匹配上下游流量，取5 min设计流量作为水池容积，本次设计进水池容积为32 m3，池内尺寸为4 m×4 m×2.35 m(长×宽×高)。

2.4.2 进排气阀井

排污管道共设置进排气阀井12座，井身均为矩形，井内尺寸为1.2 m×1.2 m(长×宽)。

井内配有快速排气阀，型号为QKP-0.6，直径为Φ50 mm；闸阀型号为SD341X-6Q，DN=50 mm。

2.4.3 泄水阀井

排污管道在地势低洼处设置泄水阀井8座，井身均为矩形，井内尺寸为1.2 m×1.2 m(长×宽)。为便于抽排，阀井后设置湿井，井身均为矩形，井内尺寸为1.0 m×1.0 m(长×宽)。泄水阀采用D341X-6蝶阀，直径为200mm。当检修管道时打开泄水阀将水排至湿井内，在通过水泵抽排至地势低洼处。

2.4.4 出水口

由于排污管线地形高差较大，为防止水流对河道冲刷，降低流速，在管道出口与河道间采用渐变段连接，渐变段长度为1.70 m,进口管管径为De355，出口管渠宽度为690 mm。具体做法参照给排水标准图集95S517。

2.4.5 减压阀井

排污管线设计地形高差为125 m，为减小下游管道压力，在管道桩号K4+500,K5+800处设置减压阀井2座，井身均为矩形，井内尺寸为2.2 m×2.2 m(长×宽)。减压阀采用HS94X10L300调流调压阀，直径为300 mm。

阀井下游设置消力池2座，当加压阀检修或损坏时，为不影响厂区正常排水，起到临时减压的作用。同时为满足流量调节时匹配上下游流量，消力池设计容积为32 m2，池内尺寸为4 m×4 m×2.35 m(长×宽×高)。

2.4.6 镇墩

管道10°以上的弯道上设镇支墩，镇墩做法参照给排水标准图集10S505。