污水管网连通工程过河段管道设计

曹 芳 吴明白 刘 明 用明亮

（宿迁市水务勘测设计研究有限公司 宿迁 223800）

1 工程概况

本工程将河西污水处理系统中的青年路污水提升泵站调至城南污水处理系统中，在泵站至饮马堤路现状污水管网区间增设连通管道，把青年路污水提升泵站1.5 万m3/d 的污水调入城南污水处理厂处理，其中需新建170m 过古黄河压力管道。

2 管道设计

2.1 管径设计

本次设计青年路污水提升泵站向城南污水处理厂输送污水量最小为0.5 万m3/d，最大为1.5 万m3/d。为保证过河管道污水运行安全，管径以最小流量和最大流量进行计算。

当最小流量为0.5 万m3/d，管道流速按0.7m/s 计，管道管径为324.3mm，选择管道为dn400（公称壁厚36.3mm）；按dn400 管道复核最大流量1.5 万m3/d，流速为2.0m/s，，满足规范要求。

2.2 管道水头损失计算

管道沿程水头损失按下式计算：

式中：hf—管道水头损失；

f—管材摩阻系数，取0.505；

Q—设计流量，（m3/h）；

m—流量指数，取1.75；

D—管道内径（mm）；

b—管径指数，取4.75；

L—管道长度，（m），取745。

按最大流量计算得出hf=6.31m，局部水头损失取沿程水头损失的20%计，则局部水头损失为1.26m，最大流量管道总水头损失为7.57m，同理最小流量管道总水头损失为1.13m。

2.3 管道参数计算

管道在外压力作用下，竖向直径的变形率应小于管道直径允许变形率5%。管道竖向直径变形率按下式计算：

式中：

ε—管道竖向直径变形率；

Wd，max—管道在荷载准永久组合作用下的最大竖向变形量（m）；

Fsv，k—每延米管道上管顶的竖向土压力标准值（kN/m）；

Kd—管道变形系数，取0.096；

Dl—变形滞后效应系数，取1.2；

qvk—地面车辆荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准（kN/m2），取10；

ψq—可变荷载准永久值系数，取0.5；

D1—管道直径（m），取0.4；

γs—回填土的重力密度（kN/m3），取18；

Hs—管顶至设计地面的覆土高度（m），取10.8m；

Sp—管材环刚度（kN/m2）；

Ed—管侧土的综合变形模数（kN/m2）；

Ee—管侧回填土在要求压实密度时相应的变形模量（MPa），取5；

En—沟槽两侧原状土的变形模量（MPa），取10；

ζ—综合修正系数，查表取1.52。

Ed=1.52×5=7.6 kN/m2

Fsv，k=1.2×18×10.8×0.4=93.31kN/m

Wd，max=1.2×0.096×（93.1+0.5×10×0.4）/（8×Sp+0.061×7.6×1000）

ε=Wd，max/D1×100%=10.96/（8×Sp463.6）＜0.02，则Sp＞10.55。

塑料管道环刚度按下式计算：

Sp=EpIp/（8ro3）

式中：

Sp—管材环刚度（kN/m2）, 本次设计选择管道环刚度为12.5kN/m2；

Ep—管材长期弹性模量（kN/m2），取8000；

Ip—管道纵截面每延米管壁的惯性矩（m4/m）；

ro—管道计算半径（管壁中性轴半径）（m），取0.2。

计算得出：Ip=3.14×0.44×(1-D4/0.44）/64

Sp=8000×Ip/（8×0.23）=12.5kN/m2

计算管道内径D=250.0mm，根据管道参数，本次设计过黄河牵引段管道选择dn400 国标PE100 级管道，公称压力1.6MPa，环刚度为12.5 kN/m2。

2.4 过河牵引段设计

2.4.1 管道过河设计

根据工程地质资料，工程位置处河槽表层和浅层土主要为素填土（Q4ml），杂色，松散，主要成分为粉土、粉质黏土和轻粉质砂壤土（Q4ml）。

由于新建管道工程处河道无河滩，本次仅对河槽冲刷进行分析计算，根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTJ C30-2015），非黏性土河槽冲刷计算公式如下：

经计算，现状断面情况下，河槽10年一遇工况下一般冲刷深度0.71m，冲刷线高程19.99m，50年一遇工况下一般冲刷深度0.23m，冲刷线高程20.47m，规划断面情况下排涝及行洪工况均无一般冲刷。管道穿河处冲刷计算参数见表1。

2.4.2 管道过河牵引布置设计

本次设计采用dn400PE 管牵引过古黄河，根据地形情况，管道牵引入土点在河道东岸，出土点在河道西岸。在管道牵引段古黄河规划整治河底标高为19.0m，宽度为50m，设计本次牵引管道在河底处覆土深度考虑后期施工冒浆、河道清淤等影响，河底水平段管道位于土质第3 层，水平段管底高程为12.0m，管顶距规划河底距离6.6m，见图1。

根据《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》（CECS 382-2014）要求，本次设计牵引管道曲率半径R=300×400/1000=120m，入土角α=15°，出土角β=15°，入土端高度h1=13.8m，出土端高度h2=12.4m。

a2=R×sinα=31.1m

b2=R×（1-cosα）=4.1m

b1=h1-b2=9.7m

a1=b1/tanα=36.2m

表1 管道穿河处冲刷计算参数表

c1=R×sinβ=31.1m

d2=R×（1-cosβ）=4.1m

d1=h2-d2=8.3m

c2=d1/tanβ=31.0m

L=L0+a1+a2+c1+c2= L0+129.4m

本次设计管道入土点位于青年路泵站出水井南侧，牵引管道出土点位于青年路泵站黄河对岸花园路东侧，牵引管道与黄河河道中心线垂直相交。

结合管道出入土点及实际地形情况，本次设计牵引管道水平段L0为50m，所以牵引管道平面总长L 为180m。

2.4.3 回拖力计算

（1）本次设计管道水平段位于土质3 层，土质为粉质黏土。无水平方向弯曲的钻孔，其典型轨迹由曲线段-直线段-曲线段组成（见图2），回拖力计算采用递推关系式计算。

TA=efgβfgwp（L1+L2+L3+L4）

TB=efhβ（TA+fh｜wf｜L2+wfH-fgwpL2efgβ）

TC=TB+fh｜wf｜L3-efhβ（fgwpL3efgβ）

TD=efhα[TC+fh｜wf｜L4-wfH-efhβ（fgwpL4efgβ）]

wp=（D12-D2）γp

wf=πD12γm/4-wp

计算得出：wp=（0.42-0.3272）×0.955×3.14/4=0.04kN/m

wf=3.14×0.42×12/4-0.04=1.47kN/m

TA=4.3kN

TB=54.6kN

TC=75.4kN

TD=90.0kN

所以本次管道过河牵引回拖力不小于90.0kN。

（2）管道可承受最大回拖力计算

图1 管道牵引轨迹设计示意图

图2 管道牵引轨迹简化示意图

塑料管道可承受最大回拖力按下式计算：

F=б×π（D12-D2）/（4N）

式中：F—管道能承受的最大回拖力（N）；

б—管材的屈服强度（MPa），取8.0；

D—管道内径（mm）；

N—安全系数，取2.0。

计算得出：F=165.8kN

设计施工回拖力小于管道可承受回拖力，满足安全要求。

（3）管道扩孔设计

牵引管道钻孔最终扩孔直径为管道外径1.2 倍，为480mm。

（4）钻孔泥浆设计

本次设计管道所穿越地层为轻粉质砂壤土和粉质黏土，因此本次定向钻必须选择优质泥浆，用膨润土进行泥浆护壁处理，使泥浆达到一定黏度，失水量降低，同时能抑制地质土体的分化，保持孔壁稳定。泥浆性能参数应根据地质情况确定并案地质的变化进行调整。

（5）压浆加固设计

本次设计在管道回拖后采用液压注浆，水泥浆与周围松软土体混和后，可加强钻孔周围土层强度，同时对管道起到保护作用。注浆压力保持在0.4～0.8MPa之间，注浆参数选取及水泥浆各骨料用量计算：水灰比为1︰1，水泥为42.5 普通硅酸盐水泥。

（6）泥浆循环与管理

水平定向钻在施工过程中要保持稳定的泥浆循环，泥浆在专用的搅拌容器中配制，从钻孔内返出的泥浆经沉淀后净化设备处理并调整后重复利用。当钻进过程需要长时间中断时，要对孔内定时补充新泥浆并活动钻具，防止泥浆漏失及卡钻事故的发生。施工后出入土点泥浆用泥浆泵抽到泥浆罐内，及时用泥浆车排放到合理位置，将废浆清理干净，并恢复原貌。

3 结语

实施青年路泵站至饮马堤路污水管网连通工程，可将青年路污水提升泵站1.5 万 m3/d 污水调入城南处理厂，近期基本可以解决河西污水处理厂超负荷运行和城南污水处理厂运行负荷过低资源浪费问题，减少污水入河现象发生；远期可成为河西污水系统和城南污水系统之间应急连通管道，在河西污水处理厂遭遇突发应急事件时，可以利用连通管道减少污染事件影响■