裴 濤，韓 靜，趙超仁

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063200；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 100007）

0 引 言

市政給排水工程質(zhì)量的好壞直接影響到整個(gè)城市的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)城市運(yùn)作、道路建設(shè)、交通安全等多個(gè)方面都有著顯著的影響。市政道路給排水工程作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)保證城市的基礎(chǔ)發(fā)展有著重要意義，人們對(duì)城市市政道路給排水工程有著更高的要求。目前多地區(qū)出現(xiàn)管道爆管現(xiàn)象，造成居民大面積停水、城市道路涌水及封路，嚴(yán)重影響居民的生活和出行。管道安全問(wèn)題越來(lái)越被更多人重視。對(duì)于管道而言，除了要選擇滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品外，最主要的是規(guī)范施工和設(shè)計(jì)。作為一名合格的設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該從技術(shù)根本上正確指導(dǎo)施工。

市政給排水管道由于材質(zhì)、管道規(guī)模、管道埋深、所處地質(zhì)層以及受到外部荷載（土體荷載、車(chē)輛荷載等）的不同而產(chǎn)生不同的極限承載力和彎曲變形。管道結(jié)構(gòu)安全性高，可使管道的承載安全系數(shù)更高，管道的使用年限較長(zhǎng)，可減少管道的破壞、維修及后續(xù)費(fèi)用，從而達(dá)到節(jié)能、高效、安全的效果。

如何從設(shè)計(jì)角度在滿(mǎn)足規(guī)劃規(guī)范的條件下，使管道的承載力和變形達(dá)到規(guī)定要求的范圍，加強(qiáng)市政給排水工程技術(shù)研究，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)市政給排水管道各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)市政給排水工程社會(huì)效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化，是當(dāng)前研究的重要課題。

1 市政給排水管道設(shè)計(jì)任務(wù)

市政給排水管道的設(shè)計(jì)是整個(gè)城市全面實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要組成部分。在進(jìn)行城市市政給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有全面實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)部給排水系統(tǒng)的范圍劃分、全面對(duì)整個(gè)給排水量的推測(cè)、科學(xué)合理地確定出整個(gè)城市的排水體制、根據(jù)城市實(shí)際人口等因素進(jìn)行城市內(nèi)部給排水系統(tǒng)布局，實(shí)現(xiàn)向各種不同類(lèi)別的用戶(hù)供應(yīng)滿(mǎn)足不同需求的水量和水質(zhì)，同時(shí)承擔(dān)用戶(hù)排出廢水的收集、輸送和處理，達(dá)到消除廢水中污染物質(zhì)對(duì)人體健康的危害和保護(hù)環(huán)境的目的。

給水管道系統(tǒng)承擔(dān)供水的輸送、分配、壓力調(diào)節(jié)和水量調(diào)節(jié)任務(wù)，起到保障用戶(hù)用水的作用；排水管道系統(tǒng)承擔(dān)污（廢）水收集、輸送、高程或壓力調(diào)節(jié)和水量調(diào)節(jié)任務(wù)，起到防止環(huán)境污染和防治洪澇災(zāi)害的作用。城市市政給排水管道設(shè)計(jì)關(guān)系到人們的生活質(zhì)量和城市發(fā)展。

2 管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，根據(jù)前期規(guī)劃和相關(guān)規(guī)范資料，確定給水管道、中水管道的管材和管徑規(guī)模，必要時(shí)可進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算校對(duì)。根據(jù)國(guó)家法律法規(guī)行業(yè)條文和相關(guān)綜合規(guī)范資料，對(duì)管道線(xiàn)位進(jìn)行確定，并做好管道的平面布置工作。管道布置時(shí)，結(jié)合工程管道起終點(diǎn)及主干管和預(yù)留支管線(xiàn)位置，需要對(duì)后續(xù)工作的便利性進(jìn)行充分考慮，同時(shí)還要做好給中水管道節(jié)點(diǎn)和附屬構(gòu)筑物（管道平面和豎向彎頭、預(yù)留直線(xiàn)管處設(shè)置管道三通及管道盲板）的布置工作，確定管道的接口和基礎(chǔ)形式。結(jié)合管道的結(jié)構(gòu)安全性和防凍要求，同時(shí)還要考慮與其他相交市政管道交叉相撞及工程造價(jià)的難題，繪制管道縱斷面圖，結(jié)合管道管徑、管道材質(zhì)、管道埋設(shè)深度和管道所處工程地質(zhì)層，使管道的結(jié)構(gòu)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)管道結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)管道溝槽回填斷面形式，確保設(shè)計(jì)成果能夠指導(dǎo)施工順利進(jìn)行。

3 管道設(shè)計(jì)難點(diǎn)

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，在市政給中水管道工程中，球墨鑄鐵管被廣泛應(yīng)用，球墨鑄鐵管作為主要的市政給中水管道管材，其綜合性能良好。作用在管道結(jié)構(gòu)上的影響力除了管道本身的重量、側(cè)向和豎向回填土的土壓力、地基的不均勻沉降等永久性作用外，還承受管道內(nèi)的內(nèi)水壓力、地面堆積荷載、地面車(chē)輛荷載和地下水浮力等可變作用力。這些作用力會(huì)超出管道的極限承載力范圍，會(huì)引起管道的豎向變形和抗彎變形，管道強(qiáng)度對(duì)管道安全作用不可低估。簡(jiǎn)而言之，管道的管徑大小、埋設(shè)深度及管道的回填敷設(shè)基礎(chǔ)斷面不同，管道上的作用效應(yīng)和材料性能也不同。但在實(shí)際工程中，由于局限性，設(shè)計(jì)圖紙中缺少關(guān)于球墨鑄鐵管管道的強(qiáng)度驗(yàn)算，給后期施工帶來(lái)一定的困難，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。

4 市政道路給中水管道設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目道路全長(zhǎng)約9.3 km，配套進(jìn)行給水、中水、雨水和污水管道設(shè)計(jì)，市政給排水管道總長(zhǎng)度約35 km（見(jiàn)圖1）。其中，給水管道管徑為DN150～DN300，中水管道管徑為DN150～DN 300，給中水管道管材選用球墨鑄鐵管（K9級(jí)）,管道接口采用滑入式T形接口，橡膠圈壓縮率為34%～40%，管道平均埋深為1.06～5 m。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，按地層巖性和過(guò)程特性劃分，管道埋深分布在人工堆積層和新進(jìn)沉積層，管道基礎(chǔ)采用100～150 mm中粗砂墊層，管道回填及夯實(shí)（壓實(shí)度）要求參照《北京市給水排水管道工程施工技術(shù)規(guī)程》（DBJ 01-47—2000）的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

圖1 某項(xiàng)目中水管網(wǎng)規(guī)劃平面圖

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的給中水管道管徑不等，管道埋設(shè)深度豎向幅度相差較大，不同道路樁號(hào)段的球墨鑄鐵管管道位于不同的地質(zhì)層，管道回填土的壓實(shí)度不同，土的類(lèi)別不同，地勘報(bào)告提供的原狀土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不同，管道的強(qiáng)度不同。根據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 142—2002），不同情況的管道強(qiáng)度、管道承載能力極限狀態(tài)不同。

4.2 設(shè)計(jì)球墨鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）根據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 142—2002），對(duì)項(xiàng)目中的給中水球墨鑄鐵管管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。首先假設(shè)管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，以管道內(nèi)徑DN150×6 mm、極限最深埋深5.5 m為例，按素土平基計(jì)算（土弧中心角20°），對(duì)管道極限承載力和變形進(jìn)行驗(yàn)算。已知參數(shù)條件如下：

設(shè)計(jì)管道內(nèi)徑D=150 mm；

設(shè)計(jì)管道壁厚t=6 mm；

管外壁直徑D1=0.162 m；

管道計(jì)算直徑D0=0.156 m；

管道計(jì)算半徑r0=0.078 m；

管壁計(jì)算厚度t0=0.975t-1.5=4.35（mm）；

地面堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)值qik=10 kN/mm2；

回填土的重度γrs=18 kN/m3；

回填土變形模量Ee=5 MPa；

管內(nèi)水的重度γw=10 kN/m3；

球墨鑄鐵管重度γi=70.5 kN/m3；

球墨鑄鐵管彈性模量Ep=160 000 N/mm2；

球墨鑄鐵管抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=230 MPa；

變形滯后效應(yīng)系數(shù)DL=1.5；

管道結(jié)構(gòu)自重作用下鑄鐵管管壁截面的最大彎矩系數(shù)Kgm=0.202；

豎向土壓力作用下鑄鐵管管壁截面的最大彎矩系數(shù)Kvm=0.255；

管內(nèi)水重作用下鑄鐵管管壁截面的最大彎矩系數(shù)Kwm=0.202；

豎向土壓力作用下柔性管的豎向變形系數(shù)Kb=0.109；

管道結(jié)構(gòu)自重的分項(xiàng)系數(shù)rG1=1.2；

豎向土壓力的分項(xiàng)系數(shù)rG,sv=1.27；

管內(nèi)水重的分項(xiàng)系數(shù)rGw=1.2；

管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力Fwd，k=1.0 MPa；

設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、地面車(chē)輛荷載的分項(xiàng)系數(shù)rQ=1.4；

可變作用準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψc=0.9；

管壁單位長(zhǎng)度橫截面的慣性矩IP=6.859 m3。

計(jì)算如下：

管頂豎向土壓力Fsv，k=15.6 kN/m；

管道內(nèi)水重標(biāo)準(zhǔn)值Gwk=0.177 kN/m；

管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力Fwd，k=1.0 MPa；

管道結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值G1k=0.207 kN/m；

設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下管壁截面上的拉力設(shè)計(jì)值N=ΨcrQFwd，kr0b0=98.28 kN；

管中心槽寬Br=0.825 m，Br/D1=5.09，Ee/En=1.67，根據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 142—2002）附錄 C 得系數(shù) ζ=0.98；

綜合變形模量Ed=0.98×5=4.9（MPa）；

在荷載組合作用下管壁截面上的最大彎矩值M=441.93 N·m；

因162.72 MPa＜230 MPa，故該條件下的管道強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

得出結(jié)果：管徑DN150 mm的管道，埋設(shè)深度小于5.5 m時(shí)，管道敷設(shè)基礎(chǔ)均可選用素土平基實(shí)施（土弧中心角20°），施工時(shí)可忽略中心角，管道結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）按照同樣的計(jì)算方法，計(jì)算管道內(nèi)徑DN300×7.2 mm，極限最大埋深3.3 m時(shí)，強(qiáng)度值為

因227.33 MPa＜230 MPa，該假設(shè)值貼近極限要求值，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

當(dāng)埋深大于3.3 m時(shí)，因強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求故將管道基礎(chǔ)選擇120°土弧基礎(chǔ)。該次設(shè)計(jì)DN300×7.2 mm管道最大埋深為5.0m，經(jīng)計(jì)算得強(qiáng)度值為

因199.38 MPa＜230 MPa，故采用120°土弧基礎(chǔ)管道強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

得出結(jié)果：管徑DN300的球墨鑄鐵管，埋設(shè)深度小于3.3 m的管段可選用素土平基實(shí)施就可滿(mǎn)足管道強(qiáng)度；當(dāng)埋深大于3.3 m的管段必須選用120°或150°土弧基礎(chǔ)實(shí)施時(shí)，管道結(jié)構(gòu)方能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。參考如圖2所示。

圖2《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 142—2002）中的附錄C

圓形柔性管道在各種荷載作用下，管截面上的最大彎矩系數(shù)和豎向變形系數(shù)可按表1確定。

表1 圓形柔性管道的最大彎矩系數(shù)和豎向變形系數(shù)

圖3 管道基礎(chǔ)斷面圖

同一個(gè)項(xiàng)目，不同管段的管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也不相同，須根據(jù)計(jì)算，針對(duì)管道的驗(yàn)算結(jié)果，設(shè)計(jì)相應(yīng)的管道基礎(chǔ)斷面形式，以滿(mǎn)足管道強(qiáng)度安全性要求。同樣，若管道管材選用鋼管以及排水管道時(shí)，也應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求進(jìn)行上述計(jì)算。對(duì)于不同項(xiàng)目，需要在最基本的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以提高設(shè)計(jì)水平，滿(mǎn)足施工需求，對(duì)管道的安全也有一定的基礎(chǔ)保證（見(jiàn)圖3）。

5 結(jié) 語(yǔ)

在市政給排水的設(shè)計(jì)工作中，依然存在諸多問(wèn)題，影響到市政設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)對(duì)城市建設(shè)發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生不良影響。所以市政給排水設(shè)計(jì)是城市建設(shè)發(fā)展中一項(xiàng)較為重要的工作，如果設(shè)計(jì)不合格就會(huì)造成其他相關(guān)的一系列不良影響，嚴(yán)重的還會(huì)威脅到人們的財(cái)產(chǎn)和人身安全。因此市政道路給排水設(shè)計(jì)相關(guān)部門(mén)應(yīng)高度重視，結(jié)合實(shí)際不合理的問(wèn)題采取合理科學(xué)的措施進(jìn)行解決，不斷提高市政給排水設(shè)計(jì)工作質(zhì)量，確保市政給排水工程順利高效的實(shí)施，使各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，為我國(guó)城市建設(shè)健康發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。