市政给排水管道的结构设计研究

吴至帆

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司（200092）

0 前言

在市政给排水工程项目建设过程中，管道的结构设计是重要内容之一，与给排水作用的发挥密切相关。 所以，应当在保证给排水管道结构设计合理性的基础上，提高管道结构的整体设计质量，从而使其作用能够得以最大限度地发挥。为实现这一目标，应当了解并掌握给排水管道结构设计要点。

1 市政给排水系统概况

1.1 给水系统

市政给水系统由以下几个部分组成: 水源、取水与净水构筑物、输配水管道、加压装置、水池等。给水管道的布置情况如下。

1.1.1 配水管网

配水管网由两种形式，一种是枝状，另一种是环状。 前者的供水安全性相对较差，管网中的水质容易发生变化，投资相对较少，适用于小城镇。后者的供水安全性和造价都比较高， 适用于大中型城市。

1.1.2 输水管网

当输水管网的水源低于给水区时，需要以泵站进行加压；水源高于给水区时，可通过重力的方式进行输水[1]。

1.2 排水系统

市政排水系统的主要作用是对污废水、雨水进行排除与处理，避免水体污染。 污水排水系统主要由建筑内部的排水设备、室外污水管道、泵站、排水口等几个部分组成。 在对排水管道进行布置时，要尽可能使路线达到最短，减少转弯，管道与道路交叉时要与路中心线相垂直。

2 市政给排水管道结构设计要点

2.1 设计方法

在市政给排水管道设计过程中，为确保设计出来的管道结构合理，应当对相关的设计要点加以了解和掌握。

2.1.1 极限状态计算

市政给排水管道结构设计中，需要对以下两种极限状态进行计算，一种是承载能力，另一种是正常使用。

1）与管道的承载能力极限状态相对应的内容包括:所选管道结构达到最大承载能力时，因超出管材本身的强度而损坏；管道结构发生变形，从而导致管道的稳定性丧失，无法继续承载；管道结构出现横向滑移或是上浮的情况，丧失平衡性[2]。

2）与管道正常使用极限状态相对应的内容包括:管道结构耐久性能的限值，对管道正常使用具有直接影响的变形量限值，管道结构上的局部裂缝宽度限值等。

2.1.2 抗浮设计

市政给排水管网的规模较大，遍布城市的各个地段，其中不乏冲沟、河岸等。 当管道埋设在上述地段时，不可避免地会受到水流的冲刷。 鉴于此，要确保管道顶部的覆土层厚度在100 cm 以上，并根据相关规范标准的规定要求，以分层的方式进行压实。同时，可按照地形地貌对管道的中心线位置进行调整，当平面位置受到条件限制时， 可用混凝土包裹管道的方法进行处理。 在常规的地段上， 若是管道顶部覆盖土层的厚度不足70 cm， 则应当使用混凝土对管道进行包裹，确保管道能够达到抗浮设计要求。

2.1.3 抗震设计

市政给排水管道埋于地下，当发生地震时，在地震荷载的作用下，管道结构可能会发生变形，甚至损坏。为最大限度降低地震对给排水管道的影响，应当采取合理的抗震设计。 在对给排水管道的走向进行确定时，应当避开软弱地基。当管道必须从不利于抗震的地段上经过时，应结合实际，采取有效的抗震措施。如可通过设置钢套筒的方法，对给排水管道进行保护， 减轻地震对管道的直接作用。 与刚性连接相比，柔性连接的抗震能力更强，所以可将柔性连接作为管道的首选连接方式，以此来增强管道的抗变形能力[3]。当管道从活动断层穿越时，应当在满足设计要求的情况下进行浅埋，这样不但有助于减轻地震作用力对管道结构的破坏，而且还便于地震发生后对管道进行快速维修。

2.2 构造措施

在市政给排水管道结构设计中采取如下构造措施:给排水管道的承插管可以采用柔性连接，无压管道在满足抗震要求的前提下可适当增强刚度，从而使管道本身具备更强的抗震能力，降低地震作用下产生变形的可能性。 当给排水管道的形状为圆形时，应当设置管道基础，材质可选用钢筋混凝土。 管道的接口位置处应当采用钢丝网水泥带，当管道需要在液化的地段上布设时，应当以钢混管道、柔性接口作为首选。

2.2.1 地基处理

在对市政给排水管道的地基基础进行处理的过程中，应当将与地基有关的图纸全部纳入到设计图当中。 以矢量化的方式，对处理地基的纵断面进行扫描，从中选取出适宜的参考点位，确定放置管道的基底轮廓线。 在此基础上，对地质单元进行划分，并注明基底高程，结合实际的地质状况，选取适宜的方法对地基进行处理。 为减弱地基土体本身的湿陷性，可在管道的基底增设一个垫层，材质以灰土为主，厚度控制在 50～100 cm 即可[4]。

2.2.2 设置支墩

带有承插接口的压力管道在结构设计时应设置支墩。 在对水平及垂直支墩进行设计的过程中，应当依据如下条件计算出支墩的尺寸： 管道的转角、试验压力、土体的基本参数等。 若是给排水管道采用的是钢管，则无需设置支墩。

2.3 相关设计

在市政给排水系统设计中，有一些与管道结构设计有关的内容，具体包括管道出口格栅、井底沉淀池以及井内闸槽等。

2.3.1 管道出口格栅

市政排水管道中常常会出现各种漂浮物，从而给管道的疏通工作增添了一定的难度。 大部分漂浮物会被提升泵站的格栅间拦截下来，其中会有一少部分通过格栅进入到泵房当中，这样一来会造成水泵堵塞。 为避免此类问题的发生，在对格栅进行设计时，可缩小栅条的间距，虽然使泵房堵塞大幅度减少，但却并未完全消除，偶尔仍然会发生堵塞。 对此，在市政排水管道结构设计中，可将拦污格栅设置在管道的出口位置，并指定专人对格栅进行定期清理，从源头上杜绝漂浮物进入排水管道，避免泵站堵塞。

2.3.2 井底沉淀池

当市政给排水管道内的水体流速较为缓慢，且流量较小时，水中的沉积物便会出现沉淀现象。 当沉淀达到一定的程度时，可能导致管道堵塞，进而造成水流不畅通，影响给排水系统作用的发挥。 对于这种情况，可以在给排水管道结构设计中，将沉淀池设置在检查井的底部，并使整个井底在原本的基础上下降50 cm 左右，由此绝大多数的沉积物基本上都会沉积在井底的沉淀池内，不会继续向下游流走。 对井底沉淀池内的沉积物进行定期清理，便可避免沉积物堵塞管道的情况发生。

2.3.3 井内闸槽

在市政给排水系统的干管中，水体的流速与流量相对较大，部分检查井内的水位比较高。 在对管道进行维护前，需要先将水位降低，由此会导致管道维护工作量增大。 为解决这一问题，可在干管的检查井内设置闸槽，按照干管的长度合理确定闸槽的数量和间距。 当需要对某段干管进行维护时，只要将该段干管的闸槽关闭，便可截断水流[5]。

2.4 设计质量控制

市政给排水管道结构设计中，为确保设计出来的管道质量达到规范要求，应当采取有效的措施对设计质量进行控制。

2.4.1 收集相关资料

为给市政给排水管道结构设计提供详实可靠的依据，从而保证设计质量达到规范要求。 应当在设计工作正式开始前，对相关的资料进行全面收集和整理。 当资料全部收集好之后，设计人员应当到工程现场进行实地勘查，了解并掌握给排水管道敷设环境的基本特征，对设计进行逐步优化，确保管道结构、布设方式、构造措施的合理性。

2.4.2 质控要点

在对给排水管道的位置进行设计时，应当以区域道路规划作为主要依据，可将排水管道设置在人行道或是慢车道。 在设计过程中，对管道的坡度及埋深进行严格控制，为管道质量提供保障。 在排水区域内，应当明确管道结构的质控要点，保证控制点标高的合理性，从而使污水可以较快的速度流至管道内。

3 结语

市政给排水管道结构设计是一项较为复杂且系统的工作，涵盖的内容相对较多，一旦某个环节出现问题，可能会对设计质量造成影响。 为此，应了解并掌握给排水管道结构设计要点，以此来确保给排水管道工程能够按质、按量、按时完成。