敖良根，黃煒曦

山地城市污水干管過河方式研究

敖良根1，黃煒曦2

（1重慶市市政設計研究院，重慶400020；2重慶金泰國有資產(chǎn)經(jīng)營有限公司，重慶401121）

山地城市污水干管在跨越河流時，合理選擇過河方式是山地城市污水排水系統(tǒng)定線布局研究的重點。該文介紹了山地城市污水干管幾種過河方式：管橋方式、倒虹吸方式、泵站提升方式和利用河道地形過河方式，并結(jié)合理論及案例進行了分析，為山地城市排水系統(tǒng)設計研究提供參考。

山地城市；污水干管；過河方式；管橋；倒虹吸；泵站提升

引言

山地城市地形復雜，山勢起伏，水系交錯，其污水干管沿地勢較低的濱河道路或河道兩岸敷設，在河道水系匯合區(qū)域不可避免將橫跨河溝。由于山地城市河流縱坡大，兩岸谷坡陡峻，污水干管過河方式與平原地區(qū)有很大區(qū)別。山地城市污水干管如何結(jié)合自身特點，在考慮技術(shù)、經(jīng)濟、安全、美觀、實用等因素的條件下合理選擇過河方式，是山地城市污水排水系統(tǒng)定線布局研究的重點。

1 山地城市污水干管布置特點

污水管道定線應盡可能地在管線較短和埋深較小的情況下，讓最大區(qū)域的污水能自流排出。污水干管定線主要原則：（1）便于接入原則：便于支管重力流接入。（2）經(jīng)濟性原則：考慮污水干管線路短，埋深小，利于降低造價。（3）重力輸水原則：干管盡量重力流敷設，減少壓力流提升泵站的設置。（4）可實施性原則：污水干管可在道路下或沿自然地形敷設，具備可實施性。（5）實用性原則：考慮構(gòu)筑物簡單，實用，便于檢修。（6）與其他設施協(xié)調(diào)原則：結(jié)合景觀因素條件下，污水干管各構(gòu)筑物、管線與其他基礎設施統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、美觀。

根據(jù)以上原則，污水干管一般依據(jù)地形布置在流域地勢較低位置，盡可能重力流收集整個流域污水，所以，污水干管一般沿河道兩側(cè)布置或沿濱河道路敷設。而濱河道路顧名思義一般沿河流兩岸選線，所以，研究山地城市河流的形態(tài)特性，是污水干管選線的重要條件。

山地城市河流為流經(jīng)地勢高峻、地形復雜的山地的河流，山地城市河流在縱向特性為河道多落差、河槽比降大；河流斷面特性為兩岸谷坡陡峻，河谷斷面形態(tài)往往發(fā)育為"V”字形或不完整的“U”字形，坡面呈直線形或曲線形非規(guī)則斷面[1]。

圖1 山地城市河流典型橫斷面形態(tài)

山地城市濱河道路沿河道兩岸定線，一般結(jié)合自然地形調(diào)整高程，為減少土石方開挖，節(jié)約造價，濱河道路高程上起伏較大。山地城市污水干管沿河道兩岸布置，優(yōu)先考慮設置于濱河道路下，管道施工時可利用道路路基作為管線基礎。但由于濱河道路在高程上起伏，污水干管在濱河道路上埋深將會出現(xiàn)較大埋深高差。為避免管線大埋深帶來的高造價及后期維護檢修困難，污水干管可結(jié)合自然地形敷設于濱河道路路基范圍外，以及河流濱水綠化區(qū)域。故污水干管在濱河道路跨越河道支流或主流位置經(jīng)常出現(xiàn)污水干管比路面低5～10m的情況，污水干管定線時就需要選用合理的方式跨越兩岸谷坡陡峻的山地河流。

2 污水干管過河方式研究

污水干管沿濱河道路或河道岸邊敷設時，與其他河流交叉或需要橫跨河流繼續(xù)往下游敷設時，污水管線過河方式主要有以下幾種：管橋方式、倒虹吸方式、泵站提升方式以及結(jié)合河道地形過河。

2.1 管橋方式

污水干管需要跨過河流時一般考慮利用現(xiàn)狀橋梁管廊或設置管橋過河。

利用現(xiàn)狀橋梁管廊過河方式簡單、造價省，不影響河道景觀。但現(xiàn)狀橋梁一般考慮在人行道板下預留管線走廊，管廊底標高與車行道標高基本一致，一般壓力管線（給水）或非重力流管線（電力、通信等）能從管廊通過，而重力流管線由于在道路下敷設，具備一定覆土埋深，無直接利用管廊過橋條件，而且現(xiàn)行橋梁規(guī)范明確指出不允許重力流污水管線利用橋梁管廊過河。

設置管橋過河方式在污水干管過河案例中非常普遍，應用非常廣泛。但對于山地城市河流而言，一般污水干管特別是污水主干管過河位置，河道一般兩岸陡峭，河道深度20～30m，有的甚至達到上百米。對于這種河道，設置管橋造價高，而且需考慮與周邊景觀的協(xié)調(diào)性。所以，對于跨越山地城市河流污水干管而言，設置管橋過河并不是首選方案。

2.2 倒虹吸方式

當渠道與道路或河溝高程接近，處于平面交叉時，需要修一構(gòu)筑物，使水從路面或河溝下穿過，此構(gòu)筑物通常叫做倒虹吸[2]。污水干管與河流交叉需跨越河流時是否采用倒虹吸結(jié)構(gòu)方式，主要應考慮兩方面因素。

2.2.1 進出水井高差因素

倒虹吸管是利用上下游管道的高差來克服污水在倒虹吸管道及進出水井的阻力損失[3]。倒虹吸管設置首先應考慮污水干管在河道兩側(cè)須有高差，倒虹吸管阻力損失計算公式[4]：

△h-倒虹吸管阻力損失，m；

i-倒虹吸管每米長度阻力損失，即水力坡度；

L-倒虹吸管總長度，m；

ξ-局部阻力系數(shù)；

v-倒虹吸管流速，m/s；

g-重力加速度，m/s2；

h1-進出水井水頭安全系數(shù)，一般取0.05～0.1m。

一般倒虹吸管阻力損失中沿程損失占總阻力損失的90%，所以，合理選用管道斷面，減少倒虹吸管水力坡度是減少沿程損失關(guān)鍵，但必須考慮管道流速滿足最小流速條件。在進行污水管線定線方案設計時，可按局部損失約占沿程損失值的5%～10%考慮。

從以上分析可以看出，河道兩側(cè)污水干管水位高差為倒虹吸管能否設置的關(guān)鍵因素。

圖2 倒虹吸管示意圖

2.2.2 河流橫斷面形態(tài)因素

河流橫斷面形態(tài)因素主要考慮三個方面：河流寬度、河流岸坡高度及坡度、河流水深。河流橫斷面形態(tài)主要決定倒虹吸管道設施條件。

（1）河流寬度影響分析

河流越寬，倒虹吸管道越長，河道兩側(cè)污水干管需要水位高差越大，并且管道水下施工部分增長，相應施工難度增大。所以，倒虹吸應選在河流寬度較窄位置，盡量正交通過。

（2）河流岸坡影響分析

河流岸坡應有利于倒虹吸管道及進出水井豎井實施。山地城市河流在與主流河道匯合位置，岸坡一般為陡峭巖坡且高差大。由于倒虹吸上下行管與水平線夾角應不大于30°，如加大倒虹吸豎井深，不利于豎井實施及后期維護。所以，倒虹吸管可考慮設置在河流岸坡較緩位置，便于倒虹吸管上行管與下行管實施安裝。

（3）河流水深影響分析

河流水深主要對倒虹吸管道水下施工產(chǎn)生影響。倒虹吸管道一般設置于河底，管道水下施工工藝主要有：圍堰施工、沉管施工工藝、暗挖施工工藝等。

① 圍堰施工工藝：主要用于河流水深較淺，允許斷流或分段圍堰施工河段。一般土袋圍堰施工適用于水深小于3m，水流速度小于1.5m/s河段；對于水深超過3m河段，則需要根據(jù)河床基礎條件設置鋼板樁圍堰或雙壁鋼圍堰[5]，成本顯然會增加。

② 沉管施工工藝：適用于水深較深，河道不允許斷流河段，國內(nèi)沉管施工工藝已有水深10m以上沉管成功施工案例。沉管施工工藝主要包括鋼管或PE制作、基槽開挖、吊管下水、橫管及沉管、拋石回填等五個主要工序。管道制作、焊接可在岸邊操作或采用浮船施工，基槽開挖可利用挖泥船進行水下開挖，下管前注意先鋪砂石作為墊層，沉管時考慮兩岸固定管位坐標。

③ 暗挖施工工藝：主要用于河床基礎較好水深較深河段。目前國內(nèi)一般頂管法施工適用管徑900～4000mm；對于150～900mm管徑范圍管段，可采用微型隧道法施工工藝[6]。

2.2.3 運行維護因素

由于污水管道內(nèi)沉積物及懸浮物較多，在倒虹吸管容易沉積堵塞管道。所以，在進水井應考慮設置沉泥井，同時考慮在進水井前設置格柵攔截懸浮物。倒虹吸管道應控制設計流速大于0.9m/s，設計時可考慮設置兩根管道，按近期流量時交替運行其中一條管道，流量逐步增加后考慮兩條管道同時運行。在進出水位置考慮設置高壓水沖洗口，沖洗水可利用河水或自來水進行沖洗。

2.3 泵站提升方式

當河流兩岸污水干管無水位高差時，污水干管需設置泵站提升，泵站提升方案重點考慮泵站壓力管線過河方式。泵站壓力管線過河方式主要有三種：①利用道路橋梁管廊過河；②單設管橋過河；③河底敷設（頂管工藝，沉管工藝等）。

2.3.1 利用道路橋梁管廊過河方式分析

對主干路、次干路、支路的橋梁，橋面為混合車道時，人行道或檢修道路緣石宜高出車行道路面0.25～0.4m[7]。所以，道路橋梁管廊一般可布設管道斷面約DN150～DN300，若超過DN300，則需加高人行道或檢修道路緣石高度。從荷載平衡考慮，污水壓力管線可雙側(cè)對稱布置。污水壓力管線利用道路橋梁管廊過河方式簡單，實用，造價低，屬于較為常用過河方式。

根據(jù) 《城市橋梁設計規(guī)范》（CJJ11-2011）第3.0.19條，“不得在橋上敷設污水管、壓力大于0.4MPa燃氣管和其他可燃、有毒或腐蝕性的液、氣體管線”。筆者認為此條主要針對于在橋梁上敷設重力流污水管線，重力流污水管線存在泄露及沼氣外溢問題，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。而污水壓力管線泄露的可能性小，在做好事故應對措施的基礎上，可將污水壓力管線設置于橋梁管廊，主要措施有：①考慮在管廊內(nèi)預留污水壓力管事故溢出地漏，防止污水浸泡橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件；②在橋梁管廊內(nèi)每隔一定距離增設自來水沖洗龍頭，發(fā)生事故時及時沖洗。在設計階段可對其進行專項論證，征求橋梁主管部門及環(huán)保部門意見。

2.3.2 單設管橋過河方式分析：

污水泵站壓力管線單設管橋過河方式考慮因素主要有：①河流洪水位影響；②河流景觀影響；③經(jīng)濟性因素。

（1）河流洪水位影響因素

山地城市河流由于縱坡大，水流急，洪水位一般較低，管橋基本不受洪水位影響。但在支流與主流交叉位置，由于受主流河道洪水倒灌頂托影響，支流洪水位與主流河道洪水一致，則管橋設置時應按主流河道洪水位進行考慮。

（2）河流景觀影響因素

管橋修建時應考慮管橋?qū)恿骶坝^的影響。管橋修建將影響河道景觀通透性，盡量避免污水干管位于橋梁與河道底部標高的中間位置，既影響美觀，又影響河道行洪。

（3）經(jīng)濟性因素

相對于其他幾種管線過河方式，管橋的造價最高。由于管橋?qū)儆谑姓O施附屬構(gòu)筑物，以簡單、經(jīng)濟、實用為主，在河流較寬河段，如果橋梁跨度較大，則造價將大幅度增加，而采用小跨徑橋梁將形成較多的橋墩，影響河道整體景觀。

2.4 利用河道地形過河

由于山地城市河流縱坡大，縱向上多跌水段。所以，利用河道縱坡高差，可在上游河道適當位置過河，可減少污水干管與河道底標高高差。利用山地城市河道縱坡大特點，在上游過河需考慮三方面因素：

（1）河道兩岸用地因素：河道兩岸用地需為綠化保護用地或允許設置污水干管用地。

（2）岸坡地形因素：岸坡地形相對較緩，有設置污水干管條件。

（3）河道縱坡因素：河道縱坡大，在短距離內(nèi)有跌水等高落差，有條件在短距離內(nèi)減少污水干管底標高與河底標高差。

3 工程案例分析

項目位于重慶市北部新區(qū)，為污水干管工程設計。污水干管斷面：d600～d1000，i=0.0012，污水干管結(jié)合路基挖填及自然地形，考慮采用道路左側(cè)人行道下敷設與臨江側(cè)綠化用地內(nèi)布置相結(jié)合的平面布置形式，其中大部分管道結(jié)合自然地形可布置于臨江側(cè)綠化用地內(nèi)。污水干管跨越河道位置斷面為d800；井底標高：195.40，井面標高：197.90，河底標高172.55，河道河口洪水位20年一遇約192.70m；50年一遇約196.00m，屬于嘉陵江頂托影響水位。河道在濱江路范圍深大約25m，污水干管基本沿濱江路路基敷設，污水干管在河道過橋位置標高不受河流自身洪水沖擊影響。

（1）管橋方式過河思路

在河流河口位置，設置管橋，管橋長度約135m，管橋距河底高度約25m，管橋造價約85萬。管橋需結(jié)合道路橋梁設置，由于管道埋深約2.4m，管橋?qū)I江路景觀影響大，且管道底標高位于洪水位下，管橋標高直接受主流河道洪水位影響。

由于支流洪水位為主流河道頂托洪水位，往河流上游方向設置管橋，管橋受支流自身洪水位影響小。往河流上游約300m位置，河流底標高約181.50m，污水管道底標高約195.05m，河流兩側(cè)為綠化用地。方案考慮污水干管沿河道東側(cè)綠化用地內(nèi)敷設，距濱江路300m位置過河，可考慮結(jié)合綠地步道系統(tǒng)設置管橋，管橋長度約125m，管橋距河底高度約9.5m，管橋造價約75萬，管橋可結(jié)合人行景觀橋功能。

（2）倒虹吸方式過河思路

如果在濱江路位置設置倒虹吸管，則25m深河道顯然不利于倒虹吸管上下行管道敷設?？紤]到河流縱坡大，往上游約400m位置河底標高約185.50m，水面寬度約8m。方案考慮污水干管通過上游支路道路（規(guī)劃標高200.05m）處過河，由于河道深度約為14.5m，可考慮在上游支路設置倒虹吸管，虹吸管管長約55m，進出水井深約6m，倒虹吸設施造價約58萬。相對于在濱江路位置（河流河口位置）設置倒虹吸管的上下行管道短，實施條件更為有利。

（3）泵站提升方式過河思路（圖3）

Study on River Crossing Mode of Sewerage Pipe in Mountainous City

A reasonable river-crossing mode of sewerage pipe is a crucial part of sewerage layout in the mountainous city.Several river-crossing modes of sewerage pipe are introduced:bridge pipeline,inverted siphon,pump station lifting and riverway-based mode.And these ways are analyzed through the combination of theories and cases.It can offer some references for sewerage design and study in the mountainous city.

mountainous city;sewerage pipe;river crossing mode;bridge pipeline;inverted siphon;pump station lifting

TU992

A

1671-9107（2013）03-0040-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.040

2013-01-94

敖良根(1977-)，男，江西南昌人，研究生，高級工程師，主要從事水污染控制、城市次級河流保護和市政管網(wǎng)系統(tǒng)方面設計和研究。