曹晶

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司,上海200092）

1 工程概況

1.1 系統(tǒng)簡介

上海市污水治理二期工程總的服務(wù)面積為271.7 km2，總的服務(wù)人口為355.76萬人。它的工程范圍包括：浦西徐匯、盧灣的6個排水系統(tǒng)的截流設(shè)施、截流管道、黃浦江倒虹管（即龍華機場過江管）；浦東地區(qū)趙家溝以南的陸家嘴、洋涇、花木等13個地區(qū)和新區(qū)城鎮(zhèn)的污水總管、中途泵站、出口泵站及排放口等。另外，工程還接納龍華機場地區(qū)3萬m3/d的生活污水；浦西黃浦江上游吳涇、閔行等地區(qū)約70萬m3/d的污水。

黃浦江倒虹管工程是連接浦西截流系統(tǒng)和浦東污水總管的重要樞紐性工程。浦西截流收集系統(tǒng)主要是通過浦西1#和2#污水截流總管，以及浦西總線來接納盧灣、徐匯區(qū)6個合流制排水系統(tǒng)的污水及初期雨水，并與龍華機場的污水匯合后自黃浦江龍華機場處過江，通過浦東南線SA泵站的提升接入浦東南線污水總管，再沿耀華支路、濟陽路南下至外環(huán)線與南支線（即浦西吳涇、閔行等地區(qū)的污水）匯合，隨后沿外環(huán)線向南，通過建平路連通管往北進入浦東中線總管，沿中線總管向東至白龍港污水處理廠與原南干線污水合并處理后，排入長江。

1.2 工程內(nèi)容

黃浦江倒虹管工程中浦西倒虹井位于上海市燃料公司碼頭南側(cè)，浦東倒虹井位于耀華支路西側(cè)，浦東南線SA泵站內(nèi)。倒虹管位于規(guī)劃預(yù)留的規(guī)劃管廊內(nèi)。

黃浦江倒虹管工程是由浦西、浦東兩座內(nèi)凈直徑為14 m的倒虹井和其間二根直徑為2 200 mm、單根管長為610 m的黃浦江過江倒虹管組成。浦西倒虹井同浦西總線格柵井緊鄰，浦東倒虹井與SA泵站前池相連。

黃浦江倒虹管在雨天最大流量（即設(shè)計流量）時為滿管流。在設(shè)計流量Q=18.43 m3/s時的黃浦江倒虹管的水頭損失約為2.10 m。

2 工程規(guī)模

2.1 規(guī)劃年限

工程的規(guī)劃年限為2020年，并適當考慮2050年的發(fā)展狀況。

2.2 設(shè)計參數(shù)

黃浦江倒虹管主要是收集浦西的合流污水過江通過浦東南線SA泵站的提升接入浦東南線污水總管。由于浦西徐匯、盧灣二區(qū)內(nèi)的6個排水系統(tǒng)均為合流制，因此該工程采用的是截流旱季污水和初期雨水的收集方式。

（1）浦西合流制系統(tǒng)的截流倍數(shù)：對直接排入黃浦江的合流制系統(tǒng)，截流倍數(shù)采用1.5，排入其它支流的合流制系統(tǒng)，截流倍數(shù)采用3.0。

（2）最小旱流污水量：按平均旱流污水量的60%計。

（3）近期平均旱流污水量：浦西地區(qū)按規(guī)劃污水量的70%計，不考慮截流量。

2.3 計算公式

2.3.1平均旱流污水量

QADWF=(1+f)Q1＋Q2＋Q3

式中：F——三產(chǎn)污水增加系數(shù)；

Q1——生活污水量；Q2——工業(yè)廢水量；

Q3——地下水滲入量。

2.3.2設(shè)計水量

（1）合流制系統(tǒng)：

Q合＝(n+1)[(1+f)Q1＋Q2]＋Q3式中：N——截流倍數(shù)。（2）分流制系統(tǒng)：Q分＝KQADWF

式中：K——總變化系數(shù)。

（3）總管設(shè)計水量：

Q=Q合+Q分=(n+1)[(1+f)Q1+Q2]+Q3+KQADWF

2.4 設(shè)計規(guī)模

設(shè)計水量（即雨季合流污水量）：Q=18.43 m3/s平均旱流污水量（遠期）：Q=6.10 m3/s平均旱流污水量（近期）：Q=3.75 m3/s浦西截流總管的設(shè)計運行模式詳見表1所列。

表1 各運行工況表

3 工程設(shè)計

倒虹管是管道工程通過河道、谷地、旱洞或地下構(gòu)筑物等障礙物時的一種特殊的構(gòu)筑物。設(shè)計倒虹管時應(yīng)保證安全、水流暢通，防止管道堵塞[1]。

根據(jù)倒虹管與上、下游管道的高程位置可分為“上倒虹”和“下倒虹”[2]；根據(jù)倒虹管的系統(tǒng)外觀形式可分為“元寶式”和“扁擔式”；倒虹管的施工工藝有開挖、沉管、頂管、盾構(gòu)、拖拉等多種方法。

工程設(shè)計中對倒虹管的敷設(shè)位置，敷設(shè)數(shù)量，管材、管徑及敷設(shè)長度、深度、斜管角度以及倒虹管的管內(nèi)流速，進、出水井，沉泥槽，事故排出口和運行、養(yǎng)護、維修等均有較明確的規(guī)定。

上海市污水治理二期黃浦江倒虹管工程是屬于特大型的合流污水管道工程。

3.1 系統(tǒng)定位

根據(jù)規(guī)劃定位（屬城市絕對坐標系統(tǒng)），規(guī)劃管線走廊浦西端的定位坐標為：（X=-6 458.259，Y=-956.504）；浦東端的定位坐標為：（X=-6 557.800，Y=-325.500）。規(guī)劃管線走廊寬度為過江管道中心線各向兩側(cè)外延10 m?？倢挾葹?0 m。

確定和控制黃浦江倒虹管管線走廊的作用是：

（1）保證黃浦江過江倒虹管的安全施工、運行和養(yǎng)護、管理；

（2）有效控制黃浦江過江倒虹管兩端的岸線功能；

（3）避免黃浦江過江倒虹管在施工期間對管線走廊范圍以外事物的不利影響。

3.2 倒虹管型式的選擇

黃浦江倒虹管前的浦西截流總管旱季為重力流，在雨天最大流量（即設(shè)計流量）時為滿管流。倒虹管過黃浦江只能采用下倒虹型式。由于倒虹管過黃浦江須穿越沿江碼頭和駁岸，其下部樁基較深，只能采用垂直“扁擔式”的倒虹管過江方式。

3.3 倒虹管的管徑和數(shù)量

3.3.1倒虹管的管徑

設(shè)計規(guī)范對倒虹管內(nèi)自清流速（大于0.90 m/s）和沖洗流速（不小于1.20 m/s）的規(guī)定主要是防止管內(nèi)泥沙等雜質(zhì)垃圾的淤積[2]。由于浦西收集系統(tǒng)是截流原合流制排水系統(tǒng)中的旱流污水和初期雨水，因此平均旱流污水量，特別是近期旱流污水量遠小于設(shè)計水量（雨季流量），為保證黃浦江倒虹管在旱流和合流截流的情況下均能正常運行，設(shè)計中2根Ф2 700 mm的倒虹井進水管縮小至2根Ф2 200 mm的黃浦江過江倒虹管，其倒虹管有效過水斷面縮小了33.6%，在相同運行工況下，使倒虹管內(nèi)流速提高了50.6%。

3.3.2倒虹管的數(shù)量

該工程設(shè)置2根Ф2 200 mm黃浦江倒虹管有以下兩個作用：

（1）鑒于合流制截流系統(tǒng)中旱流污水量和設(shè)計合流截流污水量的數(shù)值差異較大，為保證黃浦江倒虹管在旱流和合流截流的情況下均能正常運行，設(shè)計中設(shè)置2根倒虹管，分別使用于旱流和合流截流兩種情況，以保證倒虹管內(nèi)有較好的水力狀況。當旱流時，運行其中1根倒虹管，且定期輪換使用，互為備用；當合流截流時，則2根倒虹管一起運行。

（2）保證黃浦江倒虹管的運行、管理、維修和養(yǎng)護。當1根倒虹管需要維修、清洗和養(yǎng)護時，另1根倒虹管在提高水壓線后，在對上游管道正常工作影響不大的前提下，仍能超負荷正常運行。

3.3.3倒虹管的設(shè)計運行工況

黃浦江倒虹管在不同的情況下其設(shè)計運行工況是不同的，具體詳見表2所列。

表2 黃浦江倒虹管流速計算表

3.4 倒虹管的高程設(shè)計

黃浦江倒虹管的埋設(shè)深度主要決定于以下兩個方面：

（1）倒虹管過黃浦江穿越沿江碼頭和駁岸時其下面的地下樁基深度；

（2）倒虹管過黃浦江時該斷面的現(xiàn)狀河床和規(guī)劃河床深度。

3.4.1地下樁基

龍華機場黃浦江倒虹管過江斷面兩岸分別為上海電力燃料公司碼頭和上海港船鉑修造廠浮碼頭，經(jīng)過資料收集和調(diào)查研究獲悉：電力燃料公司碼頭的板樁基礎(chǔ)深度小于-15.0m（絕對標高，屬吳淞高程）；船鉑修造廠浮碼頭為重錘式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深度較淺。

3.4.2河床斷面

經(jīng)實地測量資料獲悉，倒虹管過黃浦江時該斷面的現(xiàn)狀河床底最深深度約為-10.5 m。黃浦江下游河道為規(guī)劃疏浚河道，因此規(guī)劃河床深度要大于現(xiàn)狀河床深度。因為龍華機場黃浦江倒虹管過江處的河床位置不屬于規(guī)劃疏浚河道，且該處的河流沖刷和淤積情況一般，所以該處的規(guī)劃河床深度與現(xiàn)狀河床深度相近。

3.4.3高程計算

根據(jù)有關(guān)的水文和航道要求，以河床斷面深度作為控制因素進行設(shè)計計算：

式中：H——黃浦江倒虹管埋設(shè)深度，m；H0——實地測量的倒虹管過江斷面河床底

的最大深度，m；

H1——河床底淤泥層厚度，m，（該項設(shè)計根據(jù)實際情況選取H1=2 m）；H2——管線覆土層保護厚度，m，（根據(jù)“室外

排水設(shè)計規(guī)范”規(guī)定：倒虹管的管頂距規(guī)劃河底一般不宜小于0.5 m。上海航道局要求：一般根據(jù)黃浦江的河段水位基面、水深變化、現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃等因素，管線上覆土層厚度須保證在3 m以上，來滿足通航標準和技術(shù)要求。該項設(shè)計考慮到超重貨輪和客輪的重錨沖擊，選取H2=5 m）D1——倒虹管內(nèi)凈尺寸，m，（該項設(shè)計為D1=2.2 m）D2——倒虹管壁厚尺寸，m，（該項設(shè)計為

D2=0.22 m）。

對計算結(jié)果進行取整得：黃浦江過江倒虹管的埋設(shè)深度為絕對標高-20 m（吳淞高程）。

對計算結(jié)果進行校核，H=-20 m大于最深的樁基深度-15.0 m（即H=-17.42 m）；H=-20 m大于交通部上海海上安全監(jiān)督局規(guī)定的兩根污水管穿越黃浦江部分的管頂標高應(yīng)控制在-15.5 m（即H=-17.92 m）以下的要求。

最終確定黃浦江過江倒虹管的埋設(shè)深度為絕對標高-20 m（吳淞高程）。

3.4.4 倒虹管坡度

黃浦江倒虹管的高程設(shè)計中，浦西倒虹井處的倒虹管內(nèi)底標高為-20.0 m，浦東倒虹井處的倒虹管內(nèi)底標高為-20.4 m，過江倒虹管以0.66%的下降坡度由浦西坡向浦東。設(shè)置坡度的作用主要有：（1）便于施工排水；（2）便于養(yǎng)護清砂。

3.5 倒虹井的設(shè)計

3.5.1倒虹井的結(jié)構(gòu)設(shè)計

浦西和浦東黃浦江倒虹井均采用內(nèi)徑為Ф14.0 m的圓形鋼筋混凝土沉井，沉井內(nèi)底標高均為-21.30 m，刃腳底面標高均為-26.30 m。浦西倒虹井井頂標高為2.50 m，原地面標高為4.80 m；浦東倒虹井井頂標高為4.00 m，原地面標高為6.80 m。兩座沉井均采用水力機械下沉，水下封底，井內(nèi)豎向排管結(jié)束后，部分素土回填。

浦西和浦東黃浦江倒虹井均采用外階梯式沉井井壁，其作用在于：（1）便于在沉井施工時減小下沉的摩阻力；（2）通過節(jié)省工程量來節(jié)約工程投資。

3.5.2倒虹井中流槽和豎向管的設(shè)置

浦西和浦東黃浦江倒虹井中均設(shè)置了流槽、豎向?qū)Я鞴?，以及轉(zhuǎn)向為90°的彎頭，并且其周圍至標高為-2.49 m的中間平臺間均用素土回填。工程設(shè)計的這種考慮主要有以下優(yōu)點：（1）減小倒虹管系統(tǒng)的局部水頭損失；（2）防止倒虹井中泥砂的沉積；（3）增加井內(nèi)壓重，解決沉井的抗浮問題；（4）便于倒虹井內(nèi)中間平臺的設(shè)置。有利于養(yǎng)護和管理。

3.6 倒虹井的水力計算

3.6.1設(shè)計參數(shù)

浦西倒虹井的2根Ф2 700 mm的進水管管內(nèi)底標高為-6.44 m，2根Ф2 200 mm的出水倒虹管管內(nèi)底標高為-20.00 m；浦東倒虹管的2根Ф2 200 mm的進水倒虹管管內(nèi)底標高為-20.40 m，2根Ф2 700 mm的出水管管內(nèi)底標高為-8.54 m。倒虹井內(nèi)的導(dǎo)流管由2個轉(zhuǎn)彎半徑為3 500mm的90°彎頭和1根Ф2200mm的豎向直管組成，單根黃浦江過江倒虹管設(shè)計長度為610m。

3.6.2計算公式

倒虹管工程系統(tǒng)水頭損失H：H=H1＋H2＋H3

式中：H——倒虹管全部水頭損失，m；

H1——倒虹管沿程水頭損失，m；H2——倒虹管局部水頭損失，m；H3——倒虹管安全水頭損失，m。

3.6.3 局部水頭損失H2的組成（見表3）

表3 倒虹管局部水頭損失H2的組成表

3.6.4 倒虹管各水力運行工況（見表4）

表4 黃浦江倒虹管各水力運行工況表

3.6.5 幾點說明

水平90°轉(zhuǎn)彎和垂直90°轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù)是不同的，而且差異還相當大。例如：當轉(zhuǎn)彎半徑R與管道直徑d的比值為1.0時，垂直90°彎管局部阻力系數(shù)ξ1=0.294，而水平90°彎管局部阻力系數(shù)ξ2=0.80，ξ1/ξ2=1/2.72。

黃浦江倒虹管系統(tǒng)的水頭損失以管段的沿程水頭損失為主。

3.7 倒虹管施工工藝

該工程采用頂管施工工藝，頂管是地下管道不開槽施工方法中的一種，具有安全、可靠、規(guī)范和快捷等優(yōu)點。

3.7.1頂管間距的確定

經(jīng)過對現(xiàn)行的施工技術(shù)、施工設(shè)備、施工經(jīng)驗等多方面的調(diào)查和研究，最終確定：2根直徑為Ф2 200 mm平行的過江倒虹頂管以及倒虹井的二根進、出水管管中心線間距離為5.0 m。這些指標均明顯小于一般的頂管施工的常規(guī)參數(shù)（間距d=（2～3）D）。

減小雙頂管之間的管間距，主要有兩個優(yōu)點：

（1）大大減小頂管倒虹井的平面凈尺寸，節(jié)省工程投資；

（2）擴大雙頂管外延至管線走廊邊界的距離，減小管線走廊內(nèi)外區(qū)域間的影響和干擾。

3.7.2該工程頂管施工的特點

（1）頂管管道的內(nèi)徑尺寸為D=2 200 mm＞1 800 mm，屬于大口徑管道頂管工程；

（2）頂管管道單向一次頂進長度為L=610 m（300 m＜L＜1 000 m），屬于長距離頂管，需設(shè)置中繼環(huán)；

（3）頂管軸線在豎向有一0.66%的傾斜坡度；

（4）采用鋼筋混凝土頂管，該工程特殊的內(nèi)壓、外壓和防腐要求須采用特殊的頂管管節(jié)和管接口設(shè)計；

（5）頂管間距遠小于規(guī)范值，對頂管施工的難度要求相當高。

3.8 倒虹管節(jié)點工程

3.8.1系統(tǒng)透氣問題

特大型、大型工程必須進行系統(tǒng)透氣設(shè)計。從實際運行管理上來看，一些未考慮透氣設(shè)計的管道系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了“氣塞”、“跳井蓋”等的工程事故。

黃浦江倒虹管工程由于浦西倒虹井緊鄰浦西總線格柵井，浦東倒虹井與浦東SA泵站主泵房前池相連，格柵井和前池均是敞開面積較大的構(gòu)筑物，可以通過構(gòu)筑物進行透氣。設(shè)計自查優(yōu)化后，為更好地解決倒虹管系統(tǒng)的瞬間補氣和疏氣問題，又在浦西和浦東倒虹井井頂上加設(shè)了透氣裝置。

3.8.2閘門設(shè)置問題

倒虹管系統(tǒng)中閘門的設(shè)置主要是考慮用于運行管理中各運行工況的切換操作和倒虹管的養(yǎng)護清通。用于黃浦江倒虹管系統(tǒng)中的操作閘門主要設(shè)置于浦西總線格柵井和浦東SA泵站主泵房前池中。

3.8.3 泥砂沉積問題

由于黃浦江倒虹管系統(tǒng)中管道內(nèi)的流速一般均大于1.0 m/s，設(shè)計流量時流速達到2.43 m/s，因此泥砂沉積問題不會太嚴重。即使系統(tǒng)中有泥砂沉積，產(chǎn)生一定的淤積，一是可以通過閘門的切換操作和水力清通設(shè)施對倒虹管進行沖洗，二是系統(tǒng)在較高的自清流速下也會達到淤積和沖刷的動態(tài)平衡[4]。

3.8.4事故應(yīng)急排放問題

上海市環(huán)保和環(huán)衛(wèi)部門不允許在黃浦江龍華機場段設(shè)置事故排放口。該項工程設(shè)計中對黃浦江倒虹管事故排放問題的設(shè)計考慮主要有：

（1）由于浦西污水收集系統(tǒng)是對排水系統(tǒng)中的合流污水進行截流，因此可以通過各節(jié)點的截流井和截流泵站的運行控制對事故情況進行各節(jié)點岔道分流。

（2）設(shè)置2根Ф2 200 mm過江倒虹管進行互為備用，以應(yīng)付事故工況。

3.9 工程方案的審查

黃浦江倒虹管工程設(shè)計方案的報審主要涉及上海市規(guī)劃局、上海航道局、上海港務(wù)局和交通部上海海上安全監(jiān)督局等主管單位和部門，具體各主管職能部門的審查內(nèi)容為：

（1）上海市規(guī)劃局——控制規(guī)劃用地，確定黃浦江倒虹管及其附屬物的定線和定位；

（2）上海航道局——控制過江管高程，保證黃浦江的通航標準和技術(shù)要求；

（3）上海港務(wù)局——控制過江管岸線，確定過江管廊外緣，保證過江管運行使用的安全；

（4）交通部上海市海上安全監(jiān)督局——對黃浦江倒虹管工程的安全實施、安全運行起監(jiān)督作用。

4 運行管理

（1）正常運行分兩種情況，當流量大于設(shè)計流量的一半時（大于9.22 m3/s），浦西總線格柵井中的四臺2 000 mm×2 000 mm方閘門和浦東南線SA泵站泵房前池的二臺φ2 700圓閘門均保持開啟狀態(tài)，二根倒虹管全負荷運行；當流量小于、等于設(shè)計流量的一半時(Q≤9.22 m3/s)，一根倒虹管切換運行以保證管中流速均不低于0.9 m3/s，便于養(yǎng)護和管理，相應(yīng)的通過對相關(guān)閘門的啟閉來達到設(shè)計和運行的目的和要求。

（2）在浦西總線格柵井和浦東SA泵站前池裝有液位計，并有顯示儀表，定期觀察和監(jiān)查水位，判斷倒虹管中淤積情況，以便及時采取處理措施。根據(jù)水力計算與運行情況，編制倒虹管在各流量時兩井內(nèi)水頭損失差的關(guān)系表。當發(fā)現(xiàn)倒虹管或倒虹井內(nèi)有淤積，在采用水力沖洗仍達不到要求時，必須停水檢查，但務(wù)必注意安全。

（3）管道切忌流量猛增或突減，以免產(chǎn)生負壓、水錘等現(xiàn)象而引起損壞。

（4）倒虹管岸邊軸線兩側(cè)（Z+R）（注：Z－管道中心埋深，R－管道外半徑）范圍內(nèi)，不得進行有礙于管道安全的一切工程活動，如降水、基坑開挖、打樁等。

（5）管道在黃浦江中的位置應(yīng)予以標明，禁止一切有損管道安全的工程活動（如：開挖溝槽、打樁等）及船只拋錨。

5 結(jié)語

（1）上海市污水治理二期工程是特大型的合流污水跨區(qū)域長距離輸送外排工程，而黃浦江倒虹管工程又是其中重要的節(jié)點和樞紐工程。黃浦江倒虹管工程的實施、貫通和運行，使污水治理二期工程浦西和浦東兩大區(qū)域有機地聯(lián)系在一起，徹底解決了徐匯、盧灣兩區(qū)6個排水系統(tǒng)合流污水的外排問題，有效地改善了中心城區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量。因此，黃浦江倒虹管工程的建設(shè)是十分必要的。

（2）特大型倒虹管工程設(shè)計方案中最重要的是工程安全性的設(shè)計。工程安全性設(shè)計的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)定位、倒虹管的管徑與數(shù)量、倒虹管的埋深、系統(tǒng)水力計算、施工方案、系統(tǒng)運行、應(yīng)急預(yù)案等。該項工程設(shè)計在較好地解決了工程安全性問題的同時，還對黃浦江倒虹管的系統(tǒng)透氣、泥砂沉積、事故排放和安全節(jié)能等問題采取了相應(yīng)的技術(shù)對策和工程措施。

（3）黃浦江倒虹管工程十分重視工程的平衡設(shè)計，平衡設(shè)計主要體現(xiàn)在對工程系統(tǒng)設(shè)計和節(jié)點設(shè)計的平衡；對工程設(shè)計、工程施工和運行管理的平衡；對排水工藝和土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的平衡等諸多方面。該項工程設(shè)計不僅充分考慮了技術(shù)的可靠性，還十分重視經(jīng)濟的合理性，根據(jù)該工程既有的建設(shè)條件，因地制宜，統(tǒng)籌兼顧，突出重點，工程設(shè)計方案充分體現(xiàn)了其合理性、針對性、全面性、先進性和前瞻性。

（4）上海市污水治理二期工程黃浦江倒虹管工程建成至今，運行安全、穩(wěn)定、可靠。

[1]給水排水設(shè)計手冊.城鎮(zhèn)排水 (第2版)[M]北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]GB50014-2006,室外排水設(shè)計規(guī)范[S].

[3]孫慧修.排水工程 上冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[4]陳祖軍,韋鶴平.黃浦江大型排污倒虹管防淤的建議措施[J].中國給水排水.2001，17(01):57-60.