李 敏

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210096）

0 引言

排水管渠遇到河流、山澗、洼地或地下構(gòu)筑物等障礙物時(shí)，不能按原有的坡度埋設(shè)，而是按下凹的折線方式從障礙物下通過(guò)，這種管道成為倒虹管[1]。倒虹管由進(jìn)水井、下行管、平行管、上行管和出水井等組成，如圖1所示。

圖1 倒虹管

1 污水倒虹管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

要做好污水倒虹管的設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程，主要要求線位合理、排水順暢、維修方便、經(jīng)濟(jì)安全。要達(dá)到以上目的，首先要做好倒虹管的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 線位選擇

確定倒虹管穿越障礙物的大致位置，選定的穿越位置必須對(duì)整個(gè)管網(wǎng)是可行的、有利的。判定是否可行、有利的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩點(diǎn)：一是選擇此位置不會(huì)引起排水管網(wǎng)的過(guò)大迂回；二是過(guò)障礙物后排水管道能按原有管道的埋深坡度繼續(xù)敷設(shè)前行，并能順利到達(dá)目的地。確定倒虹管的路線時(shí)，應(yīng)盡可能與障礙物正交通過(guò)，以縮短倒虹管的長(zhǎng)度，減少工程的施工量。過(guò)河倒虹管道應(yīng)盡量選擇在水流穩(wěn)定、不易被水沖刷、河岸土質(zhì)穩(wěn)固段，以策安全。測(cè)量的目的是要選擇倒虹管的穿越線，使其距離近，有較好的施工工作面，從而減少倒虹管的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和降低施工難度。

另外，對(duì)選擇好的穿越線地下的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘探。一是看穿越線下是否有不利頂管施工的地質(zhì)，如穿越位置處是否有巖石等堅(jiān)硬物；二看是否對(duì)障礙物會(huì)造成不利影響，如河道的河床位置等，然后對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性分析后確定倒虹管的穿管深度。

1.2 倒虹管設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

（1）設(shè)計(jì)倒虹管的條數(shù)

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006）（2014年版），通過(guò)河道的倒虹管不宜少于兩條，通過(guò)谷地、旱溝或小河的倒虹管可采用一條。倒虹管設(shè)置兩條以上，是以便一條發(fā)生故障時(shí)，另一條可繼續(xù)使用，平時(shí)也能逐條清通。當(dāng)近期流量不夠，達(dá)不到設(shè)計(jì)流速的時(shí)候，可使用其中一條，暫時(shí)關(guān)閉另一條。

（2）確定倒虹管的流速

因倒虹管的清通比一般管道困難得多，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量完善，并采取各種措施來(lái)防止倒虹管內(nèi)污水的淤積。在設(shè)計(jì)流速時(shí)最好采用1.2～1.5 m/s，在條件困難時(shí)可適當(dāng)降低，但不宜小于0.9 m/s，且不得小于上游進(jìn)水管道內(nèi)的流速。當(dāng)流速達(dá)不到0.9 m/s時(shí)，應(yīng)采用定期沖洗措施，沖洗流速不得小于1.2 m/s。

1.3 倒虹管設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）設(shè)計(jì)倒虹管管徑

倒虹管的管徑應(yīng)通過(guò)流量、流速計(jì)算確定，設(shè)計(jì)污水為合流管道時(shí)，設(shè)計(jì)倒虹管應(yīng)按旱流污水量校核流速。但最小設(shè)計(jì)管徑不應(yīng)小于200 mm。

當(dāng)缺乏基礎(chǔ)的污水量資料時(shí)，可按照上游管道管徑、坡度，按最大充滿度計(jì)算得的流量確定。

（2）設(shè)計(jì)倒虹管各項(xiàng)標(biāo)高

污水在倒虹管內(nèi)的流動(dòng)是依靠上、下游管道中的水位差（進(jìn)、出水井的水面高差）進(jìn)行。該高差用以克服污水流經(jīng)倒虹管的全部阻力損失。計(jì)算時(shí)，要求進(jìn)水井和出水井間水位高差稍大于全部阻力損失值，其差值（安全水頭）一般取0.05～0.10m。

倒虹管的水平管段的管頂距規(guī)劃的河底一般不宜小于1.0 m，通過(guò)航運(yùn)河道時(shí)，其位置和管頂距規(guī)劃河道河底距離應(yīng)與當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)管理部門協(xié)商確定，并設(shè)有標(biāo)志，遇到?jīng)_刷河床應(yīng)考慮防沖措施。

1.4 附屬構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

（1）倒虹管進(jìn)、出水井的設(shè)計(jì)

倒虹管進(jìn)、出水井應(yīng)設(shè)在不被洪水淹沒(méi)的地方。進(jìn)出水井內(nèi)應(yīng)設(shè)閘槽或閘門。倒虹管進(jìn)、出水井應(yīng)設(shè)置檢修室，檢修室凈高宜為2 m。當(dāng)進(jìn)出水井較深時(shí)，井內(nèi)應(yīng)設(shè)檢修臺(tái)，其寬度應(yīng)滿足檢修要求。當(dāng)?shù)购绻艿脑O(shè)計(jì)流速達(dá)不到0.9 m/s時(shí)，還應(yīng)在進(jìn)水井內(nèi)設(shè)置定期沖洗裝置，并且在每個(gè)檢修室頂部都應(yīng)設(shè)人孔，地面檢修孔應(yīng)設(shè)井口和井蓋。倒虹管進(jìn)水井和進(jìn)水井的前一檢查井內(nèi)，均應(yīng)設(shè)置沉泥槽，沉泥槽的設(shè)置深度一般為0.5 m。

（2）事故排出口

倒虹管宜設(shè)置事故排出口。當(dāng)需要檢修倒虹管時(shí)，使上游廢水通過(guò)事故排出口直接排入水體。如因衛(wèi)生要求不能設(shè)置時(shí)，應(yīng)設(shè)置備用管線。

2 倒虹管水力計(jì)算

2.1 管徑計(jì)算

式中：D為倒虹管管徑，m；Q為倒虹管內(nèi)流量，m3/s；υ 為倒虹管內(nèi)流速，m/s，一般取 1.2～1.5 m/s,但不宜小于0.9 m/s。

2.2 標(biāo)高計(jì)算

式中：H為進(jìn)出水井的水面差，m；h1為倒虹管沿程水頭損失，m；h2為倒虹管局部水頭損失，m，初步估算時(shí)，一般可以按照沿程水頭損失值的5%～10%考慮，當(dāng)?shù)购绻荛L(zhǎng)度大于60 m時(shí)，采用5%，等于或小于60 m時(shí)，采用10%；h3為安全水頭，一般取0.05～0.10 m；i為倒虹管每米長(zhǎng)度的水頭損失；L為倒虹管總長(zhǎng)度，m；ζ為局部阻力系數(shù)；υ為倒虹管內(nèi)流速，m/s。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某工程一條污水主干管需要穿越一條大型河道，水面寬度120 m。河道北側(cè)有一30 m寬云臺(tái)山河路，距離北河岸邊40 m左右；河道南側(cè)距離河岸邊30 m、60 m處分別有一根川氣東送管道和一根西氣東輸管道。具體平面位置見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)計(jì)實(shí)例倒虹管過(guò)河道平面布置圖

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例管徑計(jì)算

該工程上游兩根DN600管道匯入該倒虹管，設(shè)計(jì)坡度1‰，設(shè)計(jì)充滿度0.75，則流量為Q=2×150 L/s=300 L/s。

鑒于該河道水面寬度較寬，且近期污水流量較小，為保證倒虹管正常運(yùn)行，該工程設(shè)計(jì)設(shè)置2根倒虹管，近期使用一根，一用一備，且定期輪換使用，以保證倒虹管內(nèi)有較好的水力條件。

由于上下游設(shè)計(jì)標(biāo)高已經(jīng)設(shè)定，兩者相差甚小，無(wú)調(diào)整余地，故該處倒虹管設(shè)計(jì)水頭損失不宜過(guò)大。查設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]，選擇倒虹管管徑D=600 mm，坡度 i=2.4‰，流速 υ=1.064 m/s，Q=300.84 L/s。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例標(biāo)高計(jì)算

沿程水頭損失：iL=0.002 4×210=0.504（m）

局部水頭損失：按照沿程水頭損失的5%計(jì)算0.05×0.504=0.025 2（m）

倒虹管全部水頭損失：h=0.504+0.025 2=0.529（m）

安全水頭：由于該倒虹管長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，故取大值0.1 m。

上下游水面差：H=0.529+0.1=0.63（m）

已知上游管內(nèi)底標(biāo)高4.83 m，故下游管內(nèi)底標(biāo)高設(shè)計(jì)為4.83-0.63=4.20（m）

圖3為設(shè)計(jì)實(shí)例倒虹管過(guò)河道橫剖面圖。

圖3 設(shè)計(jì)實(shí)例倒虹管過(guò)河道橫剖面圖

該處河道規(guī)劃河底標(biāo)高為4.0 m，設(shè)計(jì)倒虹管管頂覆土至少保證1.0 m，則水平管段管底標(biāo)高最高為2.4 m。

3.3 管材及施工方法選擇

該工程河面寬度寬，水平管埋設(shè)深度深，大開(kāi)挖施工難度大，故該工程設(shè)計(jì)采用導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)敷設(shè)該倒虹管，一次性穿過(guò)河道北側(cè)道路、河道以及兩根輸氣管道。導(dǎo)向鉆進(jìn)敷管法[3]是非開(kāi)挖敷設(shè)地下管線技術(shù)中的一種。它具有非開(kāi)挖施工的共同優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)須斷航等。此外，其鉆孔軌跡是一條平滑的曲線，避免了傳統(tǒng)倒虹管施工中折管所帶來(lái)的弊端，楔形導(dǎo)向鉆頭在鉆進(jìn)中可根據(jù)需要形成直線段和造斜段。倒虹管的管材可選用耐腐蝕的塑料管。該工程選用HDPE管材，熱熔連接。

拖拉管最小覆土厚度的選擇很重要，過(guò)深將導(dǎo)致倒虹井埋深過(guò)大，施工困難，過(guò)淺將導(dǎo)致拖拉管冒漿甚至管道在河水浮力作用下施工失敗。該工程現(xiàn)狀河底標(biāo)高為5.0 m，規(guī)劃河底標(biāo)高4.0 m，按照倒虹管水平段距離規(guī)劃河底至少1 m考慮，水平管段管內(nèi)底標(biāo)高為2.4 m，既保證了與規(guī)劃河底標(biāo)高的安全距離，又滿足現(xiàn)狀條件下?tīng)恳苁┕さ囊蟆?/p>

3.4 倒虹井的設(shè)計(jì)

該工程兩座倒虹井設(shè)置在河道兩側(cè)的空地上，均采用3 m×3 m方形鋼筋混凝土檢查井。由于兩座檢查井較深，井內(nèi)設(shè)置檢修臺(tái)，并在倒虹井中設(shè)置流槽、閘門。

由于該倒虹管段長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，且近期流量尚未達(dá)到設(shè)計(jì)充滿度的標(biāo)準(zhǔn)，流速尚未能達(dá)到設(shè)計(jì)流速要求，故在該倒虹管上設(shè)計(jì)沖洗裝置。由于該倒虹管處河道最低水位高出上游管管頂2 m，所以為了節(jié)約沖洗用水量，采用了引入河道水對(duì)倒虹管進(jìn)行沖洗。具體設(shè)計(jì)為在倒虹管頂部設(shè)計(jì)引入管分別與兩根倒虹管連接，在兩根連接管上分別裝設(shè)閥門，在引入管上裝設(shè)閘門對(duì)沖洗水進(jìn)行控制。

4 結(jié)語(yǔ)

倒虹管在城市化進(jìn)程中起著舉足輕重的作用，它是連通城市地下管線的橋梁。由于倒虹管埋設(shè)較深，大都在河道或建（構(gòu)）筑物底下，與一般的管道相比體現(xiàn)出了兩大難點(diǎn)：一是施工難，二是清通難。所以在設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)管理倒虹管的時(shí)候應(yīng)特別注意，在發(fā)揮倒虹管穿越障礙物作用的同時(shí)，也要充分考慮走線合理、排水順暢、維修方便、經(jīng)濟(jì)安全等諸多因素。

另外，倒虹管的清通管理比一般管道困難多，因此，必須采取各種措施來(lái)防止倒虹管內(nèi)污泥的淤積，更要加強(qiáng)工程竣工后的管理維護(hù)力度，以保證倒虹管的暢通[4]。

[1]孫慧修.排水工程（上冊(cè)）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[2]給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1冊(cè)）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[3]韓世平.應(yīng)用導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)敷設(shè)污水倒虹管探討[J].給水排水,2006(3)：89-92.

[4]韓治國(guó).綜述倒虹管的養(yǎng)護(hù)修理技術(shù) [J].黑龍江水利科技，2012（3）：392-394.