关于某污水厂管道设计思路研究

摘要：文章结合工程实例，主要介绍了某污水处理厂污水干管建设现状，提出了存在的问题，从中针对污水厂管道设计要点进行研究，主要通过优化了管线位置，爆破顶管技术等方面来实现了污水管的创新和突破。旨在为污水管道的设计优提供参考借鉴。

关键词：遗传算法；管网优化；污水干管；爆破顶管

1项目概况

某污水处理厂，总面积32.08km2，设计规模16万m3/d，总投资约3亿元。其中近期8万m3/d厂区现已建成投产。而负责收集运输其一半污水干管尚未建设，这部分污水的天然排泄方向为某水库上游，上游附近靠近森林公园，少量污水的排入就会产生较大污染和影响。现状污水量已经较大，约4万m3/d，而且其中较大部分为工业废水。

2 现状分析

本污水干管承接的上游21km管道已经建成，下游污水厂前d1500m管道也已敷设完成，惟独樊环交口至清溪西路东新庄段未建。本工程分为A～C段和D～C段两段，A点上游21km管道和C点下游d1500管道的埋设形同虚设，大笔资金投入下去无任何效益。A～C段被搁浅的主要原因是：（1）管道沿线地形地貌复杂，地面高差起伏较大。A点地面高程24. 00m，F点35. 00m，C点17. 00m，管道埋深6～15. 5m，而此段樊洼路路面狭窄曲折，两侧建筑物密集、杂乱，路北采石坑和监狱围墙紧压红线。大开挖法无法实施。（2）B～C段位于非城市规划道路下，管道定线和征地问题很难解决。针对以上问题，笔者突破常规设计思路的约束，大胆尝试从管网优化和施工方法改进两个方面寻找对策。

3 管网优化

污水管道的优化设计包括两方面内容，一是管线布置的最优方案；二是管线布置给定下管系的优化设计。对于这两方面，国内外做了大量开拓性工作，取得了巨大成果。根据目前国内外已有的优化设计方法，本文采用遗传算法进行管网优化设计。计算步骤如下：（1）在详细搜集现状资料和地形图，深入现场踏勘的基础上，找出可供选择的平面布置方案。共有3种。方案1（原规划设计方案）：A ～F～B～C路线，A ～B段重力自流。方案2（为方案1改进方案）：A ～F～B～C路线，A点设提升泵站提升后重力自流至B点。方案3：A～E～D～C路线，A～E～D位于冲沟处地势低，D～C段为高岗。（2）根据平面位置已定情况下的遗传算法优化设计方法，以总工程费用为目标函数，通过编码、适应度函数建立、选择、交换、变异等循环操作，求出该路线方案中各设计管段的流量、管径、坡度、埋深，以及计算出总工程费用。（3）比较总工程费用，最小的布置方案作为最优方案。经计算最优为方案3，比传统方法计算出的原规划设计方案直接工程费用降低11%。计算中采用的遗传算法参数如下：种群数50，遗传代数20，交换概率0. 55，变异概率0. 1。

污水管网优化设计的目标应该是经济性、可靠性和安全性的全面优化。由于安全可靠性不易量化和污水管网拓扑结构的复杂性，本程序尚未计算分析安全性，程序计算中只包括管道和泵站工程的费用。而采用人工列表法弥补这一不足，各方案计算结果和综合比较见表1。由表可知：如方案3中D～C段能用顶管法施工，则此方案不但初期建设费用省，常年运行费用低，而且运行维护方便，安全可靠性高。因此，根据本次设计计算结果，修改了原规划，选定了方案3。

4 爆破顶管设计

随着城市建设的大规模发展和人们环保意识的增强，对市政管线施工技术的要求也不断提高。顶管施工技术1986年始于美国，北京从1953年即开始使用。因其无需隔断交通、噪音以及震动小、可以在很深的地下敷设、可以穿越障碍物、对施工周围的影响很小等优点，越来越受到城建部分的青睐。一般应用于管道埋深过深、穿越城市已建道路或铁路、房屋等障碍物。本工程D～C段污水管位于快车道下，约有500m长埋深5～13m，岩石地质，路下为水厂原水输水管、配水管、电信、电力等市政管线密集，污水管顶管方式可以概括为开放型和封闭型两种，通常应根据土质和地下水位选择顶管方式和掘进机型。本工程D～C段地下水位较低，土质坚硬，地质报告反映为该市最坚硬岩石，普通顶管法无法实施。可采用机械顶管中的“岩盘顶管机”。该机型的刀头类似于牙轮钻，可在岩石中顶进。但该机种造价很高，目前在国内还是一项空白。若不建中途提升泵站就只剩唯一选择———爆破顶管。

我国的综合控制爆破技术早在20世纪90年代已进入世界先进行列，但在城市污水管道施工中的运用尚无先例。该市虽早在上个世纪就已引进顶管技术，先后在不少城市道路排水中得以运用。但是如此大埋深长距离爆破顶管尚无先例可寻，无成功经验可以借鉴。因此本工程设计风险大，施工压力更大。

爆破顶管是人工顶管的一种特殊形式，普通人工顶管为人工掘土成孔，而爆破顶管是爆破岩石成孔。爆破顶管的关键在爆破，爆破药量应根据岩石硬度确定。D～C段地质为“中风化泥质砂岩、砂岩和砂质泥岩互层”，药量控制难度大。采取对策为：药量少、（爆破）次数勤，尽量减小超爆量，以保证施工安全和工程质量。同时采用多个工作坑同时爆破顶进的措施，以缩短工期。

工作井选用圆形，钢筋砼护壁倒挂成坑，工作井间距100m。

5 结论

本工程自投入运行以来，使用情况良好，截污效果显著，环境效益明显。沿线路面下自来水等其他市政管线、砼路面、周边建筑物无工程影响痕迹。总结设计体会有以下几点：

（1）管网优化在污水管道设计中意义重大，应该受到城建部门的重视，并大力推广。

（2）污水干管应该布置在地势较低处，以便于污水自流入内，既可以减小管道埋深，又可以减少中途提升泵站数量。

（3）顶管施工具有影响小、投资省、无需阻断交通、适用于不同土质等常规施工方法无法比拟的优点。为了切实做到保护环境，应加大推广顶管施工技术力度。

参考文献：

[1]李树平，刘遂庆，城市排水管道系统设计计算的进展[J]给水排水

[2]熊焰，北京市的顶管技术发展回顾与展望[J]市政技术.

[3]彭永臻，崔福义，给水排水工程计算机程序设计[J]北京：中国建筑工业出版社.