污水倒虹吸设计分析

蔡桂荣

（东莞市交通规划勘察设计院有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

近年来，随着我国经济建设高速发展带动下，城市道路路网也在不断完善过程中，市政道路配套污水管网也相应同步建设。往往在污水管道建设过程中需要在穿越障碍物或渠道等情况，污水不能按照原有的坡度和高程实施时，需要采用合理方式进行跨越，生活中常见的是采用倒虹的方式进行处理。倒虹管段是污水管网系统的重要组成部分，其设计的好坏将直接影响污水管网系统的安全运行。若排水不畅，产生淤堵，势必会影响居民生活质量。

1 倒虹吸原理及方式

（1）倒虹吸原理：利用水体水位液面高程的作用现象，进水端高于出水端，由进水端先下降至倒虹管段后上升至出水端的过程，液面高差需要克服过程中产生水头损失（包括倒虹管段水头损失、进口局部水头损失、出口局部水头损失等）。

（2）市政污水倒虹吸方式：倒虹吸设计一般主要分为两种方式。

倒虹设计型式主要有凹字型（图1）和多折型（图2）。凹字型倒虹方式适用于穿越短距离障碍物或渠道、深度较小的情况；多折型方式适用于穿越长距离障碍物或河道、深度较大的情况[1]。

图1 凹字型倒虹

图2 多折型倒虹

2 设计要点分析及对策

2.1 确保采用倒虹吸设计的可行性

对策措施：通过水力计算和实例进行验算分析，情况如下：

（1）基本资料

根据《云霄县滨北路道路工程》项目设计实例进行分析，本项目设计污水管道与2孔5.0 m×4.0 m箱涵高程冲突。根据跨越渠道较窄的情况进行分析，选用施工简单且便于清除泥沙的凹字型倒虹管。倒虹吸进水井拟采用直井式，倒虹管身长度L=20 m，倒虹管上游管道流量：i=0.001，n=0.01，DN=600 mm。查水力计算表当h/d=0.7时,v=1.0 m/s，q=0.21 m3/s。

（2）确定倒虹管管径D、流速V及坡度I，管中流速v≥0.9 m/s，查水力计算表得：DN=500 mm,Q=0.22 m3/s，I=0.02，满流时：V=1.12 m/s＞0.9 m/s,并且，V=1.12 m/s＞1.0 m/s（上游流速）,符合倒虹吸设计要求。因此倒虹管取DN=500 mm，V=1.12 m/s，I=0.002。

（3）水头损失计算

倒虹管段水头损失：H0=I×L=0.02×20=0.04 m。

进口局部水头损失：（ζ=0.5）：H1=ξ×ν2/2 g=0.5×1.12×1.12/2/9.8=0.032 m。

出口局部水头损失：（ζ=1.0）：H2=ξ×v2/2 g=1.0×1.12×1.12/2/9.8=0.064 m。

倒虹管总水头损失：H=H0+H1+H2=0.04+0.032+0.064=0.136 m。

（4）设计水位差:3.646-3.405=0.241 m＞0.149 m（总水头损失），富余高程为安全水头0.092 m，故满足要求。

2.2 解决倒虹吸存在易堵塞现象

对策措施：当倒虹吸管过水的污水中含砂量高或杂质较多情况下，就容易产生淤积，需要有以下几种处理措施。

（1）倒虹井进水井的前一检查井，设置沉泥井（沉泥深度为0.6 m），定期检查及清理沉泥井内杂物。

（2）倒虹井进水井内设置竖井沉泥槽（沉泥深度为0.5 m），定期检查及清理沉泥井内杂物。

（3）增大倒虹井管段过水流速，根据流量与流速计算公式（Q=A×V）分析，当流量一定时，若要提高流速，选择小管径来增大流速，通常设计在1.1～1.5 m/s为宜。

（4）加大倒虹管道设计坡度。

（5）选用粗糙系数较小的管材。

（6）倒虹管线位尽可能与河道中线垂直，以缩短倒虹管距离。

2.3 解决倒虹吸堵塞后处理

对策措施：①倒虹管设置两条管道，采用一备一用，并在倒虹井进出水井内设有闸阀。确保一条管道堵塞情况下，启用备用污水管道，不影响污水正常排放。为防止长期使用单根管道，建议定期更换使用两条管道，互为备用。②在倒虹井进水井设置事故排出口，事故发生时启用。③倒虹管上设置冲洗设施，避免后期淤积时疏通困难。

2.4 倒虹井及倒虹吸管段在特殊地质情况下管道基础处理方式分析

对策措施：存在特殊地质的情况地基承载力不能满足要求时，应当处理提高地基承载力达到设计要求方可实施[2]。施工中经常会遇到淤泥、淤泥质土、软粘土等软土，根据出现这些情况一般常用的处理方法主要有：

（1）换填法。这种是常用的方法，适用于处理深度3 m以内的软土。采用人工或机械挖除全部软土。换填强度较高的粘性土或砂砾、卵石或片石等渗水性材料，换填深度要求根据承载力要求确定，这种方法施工方便，工期短，造价较低，因此较为普遍应用。

（2）水泥搅拌桩法。利用水泥作为固化剂与土反应，从而使软土硬结后，提高了基础的强度，适用于处理深度大于5～20 m的软土，水泥搅拌桩又分为干法加固和湿法加固。干法加固深度控制在15 m以内。湿法加固深度控制在20 m以内。

2.5 倒虹井结构及倒虹管段保护措施分析

对策措施：鉴于倒虹井结构及倒虹管段使用的重要性，对其性能及要求高于常规管段，建议加强保护处理。

（1）倒虹井结构保护对策措施：污水中物质容易腐蚀倒虹井，进而降低倒虹井的使用寿命，一般污水检查井需要要求具有良好的耐腐蚀性能。耐腐蚀方式一般为两种，①物理隔离方法，在倒虹井外表面设置耐腐蚀层隔绝与污水直接接触达到防腐效果，比如采用厚度大于3 mm的纤维增强塑料或环氧沥青等涂刷；②提高倒虹井自身结构防腐性能方法，比如在拌合混凝土是添加硅粉、高减水率的减水剂等外加剂，从而尽可能减少混凝土的蜂窝气状。

（2）倒虹吸管段保护对策措施：①选用环刚度较大、耐腐蚀性较强等性能较好的管材。②对管段外壁进行结构性加固，如采用钢筋混凝土包封或套管等方式。

2.6 倒虹井及倒虹吸管段的基坑（槽）开挖及支护

倒虹井及倒虹吸管段一般深度较深，根据《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》（住房城乡建设部令第37号）和《住房城乡建设部办公厅关于实施《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》有关问题的通知》（建办质[2018]31号）。

涉及危险性较大的分部分项工程的重点部位和环节：基坑开挖深度超过3 m（含3 m）的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程；涉及超过一定规模的危险性较大的分部分项工程的重点部位和环节：基坑开挖深度超过5 m（含5 m）的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程。

根据本项目危大工程和超过一定规模的危大工程的范围，保障工程周边环境安全和工程施工安全。对基坑（槽）工程设计及施工要求：①开挖方式应从水文、地质、开挖方式及施工的环境条件等方面因素充分考虑，对于基坑、管槽的开挖选择是否采取支护方式措施进行分析论证；②基坑顶的四周应禁止堆载并在施工范围内做好安全防护措施，基坑的顶面四周需要设置截水沟，防止地面雨季水或其他水源流入基坑的设施内；③在枯水或少雨季节为挖基施工时间最佳时间；④基坑顶面若有动荷载，其边缘与动荷载之间应有不小于1 m宽的护道，若动荷载较大，应适当加宽护道，必要时应采取加固措施；⑤建议开挖深度大于3 m段落采用钢板桩等防护型式进行支护；⑥施工单位应根据上述文件的规定，确定本项目危大工程和超过一定规模的危大工程的范围，编制相应的专项施工方案。超过一定规模的危大工程专项施工方案必须召开专家论证会，经专家论证通过后方可实施。危大工程和超过一定规模的危大工程完工后应组织相关人员进行验收；⑦其他未尽事宜应严格按照现行的相关规范和技术文件等执行。

2.7 其他方面注意事项

（1）倒虹吸设计较为复杂，需要做好设计前期工作，如障碍物准确位置、选择穿越位置的地形环境、穿越位置的地质情况应有详细勘探。

（2）倒虹管的管顶距规划河底距离按大于1.0 m设计。若航运河道时，气位置和距离应上报当地航运管理部门确定。 倒虹管走向及位置需做好标志，如遇到冲刷河床敷设倒虹管，应考虑防冲刷措施。

（3）根据GB 50289—2016《城市工程管线综合规划规范[3]》规定了排水管线与其他建（构）筑物的最小净距为2.5 m，建议污水管线在过河时与涵洞、桥梁基础等建（构）筑物的最小净距控制在3 m以上。

（4）污水管道回填土前应采用闭水法进行严密性试验，试验管段应按井距分隔，带井试验。

（5）倒虹管道选用的最小管径宜为200 mm。

（6）当倒虹管管内流速不能大于进水管流速或倒虹管管内流速小于0.9 m/s的情况，应增加定期冲洗措施设计，冲洗时速要求不得小于1.2 m/s。

（7）倒虹井进出水井高程应高于洪水位，必要时考虑排气措施。

（8）当倒虹管为两根时，井盖的中心位置宜设在各自管道的中心线位置上。

（9）倒虹井需按要求安装安全网。

（10）井盖选用需要满足要求，如位于机动车道下不低于D400级，位于人行道或绿化带下不低于D250级。

3 结论

（1）倒虹管设计应通过水力验算作为满足设计条件为前提。

（2）尽量增加优化设计处理措施达到减少易堵塞现象的效果。

（3）倒虹井及倒虹吸管段在特殊地质情况选用合理处理方式。

（4）建议对倒虹井结构及倒虹吸管道采取保护措施设计。

（5）做好倒虹井及倒虹吸管段的基坑（槽）开挖过程安全保护措施。