城市污水管网规划

2.4　城市污水管网规划

2.4.1　污水管道布置

规划设计城市污水管道，首先要在城市总平面图上进行污水管道的平面布置(或称为污水管道的定线)，是污水管道设计的重要环节。正确合理的平面布置方能使污水管道的设计经济合理。

城市污水管道按其功能与位置关系，可分为主干管、干管、支管等。汇集住宅、工业企业排出的污水的管道称为污水支管，承接污水支管来水的称为污水干管，承接污水干管来水的称为主干管。由污水处理厂排至水体的管道称为出水管道。污水管道的平面布置，一般按先确定主干管，再定干管，最后定支管的顺序进行。在城市排水总体规划中，只决定污水主干管、干管的走向与平面位置。在详细规划中，再决定污水支管位置。

在污水管道的平面布置中，尽量用较短的管线，较小的埋深，把最大排水面积上的污水送到污水处理厂或水体。

影响污水管道平面布置的主要因素有:城市地形、水文地质条件，城市的远景规划、竖向规划和修建顺序，城市排水体制、污水处理厂、出水口的位置，排水量大的工业企业和大型公共建筑的分布情况，街道宽度及交通情况，地下管线、其他地下建筑及障碍物等。

污水管道平面布置，要充分利用有利条件，综合考虑各主要影响因素，并按下述原则进行。

(1)根据城市地形特点和污水处理厂、出水口的位置，利用有利地形，合理布置主干管和干管。城市污水主干管和干管是污水管道系统的主体，它们布置的恰当与否，将影响整个系统的合理性。污水主干管一般布置在排水区域内地势较低的地带，沿集水线或沿河岸低处敷设，以便支管、干管的污水能自流入主干管。按照城市的地形，污水管道常布置成平行式和正交式。

平行式布置的特点是污水干管与地形等高线平行，而主干管与地形等高线正交，如图2－12所示。这样，在地形坡度较大的城市布置管道时，可以减少管道的埋深，改善管道的水力条件，避免采用过多的跌水井。

正交式布置形式适用于地形比较平坦，略向一边倾斜的城市或排水区域。污水干管与地形等高线正交，而主干管布置在城市较低的一边，与地形等高线平行，如图2－13所示。

此外，污水管道的布置还有分散式、截流式、环绕式及分区式等管网布置方案，见图2－14。

(2)污水干管一般沿城市道路布置。通常设置在污水量较大、地下管线较少一侧的人行道、绿化带或慢车道下。当道路宽度大于40m时，可以考虑在道路两侧各设一条污水干管，这样，可以减少过街管道，便于施工、检修和维护管理。

图2－12　污水干管平行式布置

1—污水处理厂;2—主干管;3—干管;4—支管

图2－13　污水干管正交式布置

1—污水处理厂;2—主干管;3—干管;4—支管

(3)污水管道应尽可能避免穿越河道、铁路、地下建筑或其他障碍物，也要注意减少与其他地下管线交叉。

(4)尽可能使污水管道的坡降与地面坡度一致，以减少管道的埋深。为节省工程造价及经营管理费，要尽可能不设或少设中途泵站。

(5)管线布置应简洁，要特别注意节约大管道的长度。要避免在平坦地段布置流量小而长度大的管道。因为流量小，为保证自净流速所需要的坡度较大，而使埋深增加。

(6)污水支管布置形式主要决定于城市地形和建筑规划，一般布置成低边式、穿坊式和围坊式。

低边式污水支管布置在街坊地形较低的一边，如图2－15(a)所示。这种布置管线较短，在城市规划中采用较多。

围坊式污水支管沿街坊四周布置，如图2－15(b)所示。这种布置形式多用于地势平坦的大型街坊。

穿坊式污水支管如图2－15(c)所示。这种布置管线短、工程造价低，但管道维护管理不便，故一般较少采用。

(7)城市污水管道与其他地下管线或建筑设施之间的相互位置，应满足:①保证在敷设和检修管道时互不影响;②污水管道损坏时，不致影响附近建筑物及基础，不致污染生活饮用水;③污水管道一般与道路中心线平行敷设，并应尽量布置在慢车道下或人行道下，在城市地下管线多、地面情况复杂的区域，可以把城市污水管道和其他地下管线集中设置在隧道内。

图2－14　排水管网布置方案

1—城市边界;2—排水流域分界线;3—支管;4—干管、主干管;5—出水口;6—泵站;7—处理厂、灌溉田;8—河流

图2－15　污水支管的布置

(a)低边式;(b)围坊式;(c)穿坊式

2.4.2　污水管道水力计算

污水在管道中通常是依靠重力作用，从高处流向低处。虽然污水中常含有一定数量的有机物质和无机物质，但其中水分都在99%以上，可以假定污水的流动是遵循一般流体规律的。在污水管道设计中，可以采用水力学公式进行计算。

我国现行《室外排水设计规范》(GB50014)规定，城市污水管道按非满流设计计算。

1．设计数据

为使排水管道设计经济合理，保证排水管道正常工作，对于污水管道的设计充满度、设计流速、最小管径与最小坡度等作了规定，作为设计的控制数据。

1)设计充满度

污水管道的设计充满度是指管道排泄设计污水量时的充满度。污水管道的设计充满度应小于或等于最大设计充满度。污水管道的最大设计充满度见表2－5。

表2－5　污水管道最大设计充满度

2)设计流速

设计流速是指管渠在设计充满度情况下，排泄设计流量时的平均流速。当城市排水管渠中流速太小时，水中的固体杂质则沉积于管底，产生淤积物;当流速较大时，水流能冲走淤积物;若流速过大，则会冲刷损坏管壁。所以在设计中，必须合理确定设计流速。

最小设计流速的限值与污水中所含悬浮物的成分和粒度有关，也与管道的水力半径和管壁的粗糙系数有关。污水管道在设计充满度下最小设计流速为0.6m/s，含有金属、矿物固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大;明渠的最小设计流速为0.4m/s。工业废水采用的最小设计流速应根据试验或调查研究确定。

最大设计流速的限值与管道材料有关。通常，金属管道的最大设计流速为10m/s，非金属管道的最大设计流速为5m/s。明渠最大设计流速按表2－6选用。

表2－6　明渠最大设计流速

注:1．表中数适用于明渠水深为h=0.4～1.0m范围内。

2．如h在0.4～1.0m范围以外时，表中管道的最大流速应乘以下系数:h＜0.4m，系数0.85;h＞1.0m，系数1.25;h≥2.0m，系数1.40。

3)最小设计坡度

在污水管网设计时，通常使管道敷设坡度与设计区域的地面坡度基本一致，在地势平坦或管道走向与地面坡度相反时，尽可能减小管道敷设坡度和埋深对于降低管道造价显得尤为重要。但由该管道敷设坡度形成的流速应等于或大于最小设计流速，以防止管道内发生沉淀。因此，将相应于最小设计流速的管道坡度称为最小设计坡度。

一般地，管径200mm的最小设计坡度为0.004;管径300mm的最小设计坡度为0.003;较大管径的最小设计坡度由最小设计流速保证。

4)最小管径

为减小堵塞几率，使养护工作更方便，同时也可以降低养护费用，常规定一个允许的最小管径。在街区和厂区内最小管径为200mm，在街道下的最小管径为300mm。所以，当管道粗糙系数为n_M=0.014时，若街区和厂区内管道设计流量小于9.19L/s;街道下的管道设计流量小于14.6.L/s，即可直接采用最小管径和最小坡度。

5)污水管道埋设深度

污水管道的埋没深度是指管道的内壁底部与地面的垂直距离，简称为管道埋深，如图2－16所示。管道的顶部离开地面的垂直距离称为覆土厚度。在实际工程中，污水管道的造价由选用的管道材料、管道直径、施工现场地质条件和管道埋设深度等4个主要因素决定，合理地确定管道埋设深度可以有效地降低管道建设投资。

图2－16　管道埋设深度示意

污水管道的最小覆土厚度，一般应满足3个因素的要求:①防止管道内污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏管道;②防止地面荷载而破坏管道;③满足街区污水连接管衔接的要求。对每一个具体设计管段，从这3个不同的因素出发，可以得到3个不同的管底埋深或管顶覆土厚度值，这3个数值中的最大一个值就是这一管道的允许最小覆土厚度或最小埋设深度。

除考虑管道的最小埋深外，还应考虑最大埋深问题，污水在管道中依靠重力从高处流向低处。当管道的坡度大于地面坡度时，管道的埋深就愈来愈大，尤其在地形平坦的地区更为突出。管道的最大允许埋深应根据技术经济指标及施工方法而定，因为埋深愈大，则造价愈高，施工期也愈长。一般在干燥土壤中，最大埋深不超过7～8m;在多水、流砂石灰岩地层中，一般不超过5m。

2．管段设计流量计算

污水管道系统中各管段中的流量是不同的。从管道的上游到下游，其流量随排水面积和设计人口数的增加而增大。为简化计算工作，通常按管道系统中的流量变化情况，分段计算。

在污水管渠系统中，任意两检查井间的连续管段，若采用的设计流量不变，管道坡度也不变，则可选取相同的管径，这种可统一计算的连续管段称为设计管段。设计管段的划分应以支管接入位置和流量变化为依据。通常根据污水管道的平面布置、街区污水支管及工业企业污水管道接入位置等划分设计管段。设计管段的起迄点都在检查井的位置，但是，并不要把每两个检查井间的管段都划为设计管段。设计管段划定后，还应标定设计管段起迄点处检查井的编号，计算各设计管段的排水面积，确定管段设计流量。

设计管段的排水面积主要根据地形及管道布置形式确定。当街坊污水管道采用低边式布置时，通常假定整块街坊面积的污水都排入其低边一侧的管道内;当街坊污水管道采用围坊式布置时，常以街坊角平分线将街坊面积分成4块，每小块街坊画积的污水流入邻近的污水管道。

流入每一设计管段的污水流量包括本段流量和转输流量两部分。本段流量是从该段管道两侧街区流来的污水量。转输流量是从上游管段及旁侧支管流来的污水量。计算起始管段时其转输流量为零。对于一个设计管段而言，其转输流量是不变的。为了计算方便，通常都假定从管道两旁街区或工业企业流来的本段污水流量是集中从管道起端流入设计管段的。本段流量包括沿线流量和集中流量。住宅及中小型公共建筑的污水是沿管道陆续流入城市污水管道的，称为沿线流量。工业企业、大型公共建筑等的污水是集中流入城市污水管道的，称为集中流量。

3．污水管道水力计算的步骤

污水管道水力计算的任务是根据城市污水管道的平面布置图，划分设计管段，确定管段的设计流量，计算选定各管段采用的管径、坡度和管底高程。

(1)在水力计算简图上，如图2－19，由上游管段开始，标注各设计管段起迄点检查井的编号及管段长度。

(2)由城市污水管道布置图及城市规划图，求得各设计管段起迄点检查井处的地面高程并将其注在水力计算简图上。计算每一设计管段的地面坡度，作为确定管道坡度的参考。

(3)逐一计算各管段的设计流量。

(4)从管道系统的控制点开始，自上游向下游，逐段计算各设计管段的管径。

确定管径的方法是采用污水管道直径选用图(见附录四)，根据已知的设计流量和坡度，在图中可以确定一个点，该点所处区域即可选定一个合适的管径。然后再根据设计流量、坡度和管径，计算出管内实际的充满度和流速，进行校核。

在平坦或反坡地区，管段设计不但要考虑规范规定的最小流速、最大充满度等技术要求，同时还要认真考虑经济性问题。对于给定设计流量的某一管段而言，若选择较小的管径则本段造价较低，但需要较大的敷设坡度，因而使下游管段埋深增加，造价提高;若选择较大的管径则本段造价较高，但其敷设坡度可以降低，因而减小下游管段埋深，可以降低它们的造价。但当管径放大到一定值时管内流速将小于规范要求的最小流速，管径再加大，为满足最小流速要求必须加大水力坡度，显然已不经济。

工程统计资料表明，对污水管道的造价影响最大的埋深因素，相比之下管径增加造成的管材费用增加较小，特别是对于控制下游管段埋深的管网前端管段以及管径较小的管段，它们管径加大所增加的材料费用对总造价影响很小，而它们的坡度变化对本管段和下游管段造价的影响是显著的。因此，这类管段一般应采用表2－7所列最大管径。

表2－7　污水管道的最大管径(n_M=0.014)

续表

(5)计算设计管段的管底高程。

在城市污水管道详细规划时，不仅要确定管道的平面位置、管径等，还要考虑管道的高程布置。根据管段的设计坡度，计算管段两端的高差。管段两端的高差称为降落量，其值等于管段坡度与管段长之积。确定管网起端的标高时，应注意满足埋深的要求。同时注意各管段在检查井中的衔接方式，保证下游管道上端的管底不得高于上游管道下端的管底。

在水力计算过程中，污水管道的管径一般应沿程增大。但是，当管道穿过陡坡地段时，由于管道坡度增加很多，根据水力计算，管径可以由大变小。当管径为250～300mm时，只能减小一级;管径等于或大于300mm时，按水力计算确定，但不得超过两级。

在支管与干管的连接处，要使干管的埋深保证支管接入的要求。

当地面高程有剧烈变化或地面坡度太大时，可采用跌水井，以采用适当的管道坡度，防止因流速太大冲刷损坏管壁。通常当污水管道的跌落差大于1m时，应设跌水井;跌落差小于1m时，只把检查井中的流槽做成斜坡即可。

(6)绘制污水管道规划图。

城市污水管道系统总规划图是排水系统总体规划图的重要组成部分，应根据城市总体规划图绘制。一般只画出污水主干管和干管，它们常用单线表示。在管线上应画出设计管段起迄点检查井的位置并编号，注明管道长度、管道断面尺寸及管道坡度，如图2－17。

图2－17　某污水管道水力计算简图

城市污水管道详细规划图，除按总体规划图的要求绘制外，尚需画出支管及工业企业、大型公共建筑等集中污水量出口位置。其比例尺可与城市小区详细规划图的比例一致，一般采用1/2000～1/500。

污水管道纵剖面图，反映管道沿线高程位置，它应和管道平面布置图对应。在纵剖面图上应画出地面高程线、管道高程线(常用双线表示管顶与管底)画出设计管段起讫点处检查井及主要支管的接入位置与管径。在管道纵剖面图的下方应注明检查井的编号、管径、管段长度、管道坡度、地面高程和管底高程等，见图2－18。污水管道纵剖面图常用的比例为:横向1/1000～1/500，纵向1/100～1/50。

图2－18　某污水管道纵剖面