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室外球墨铸铁管管道工程设计分析
 室外给排水管道工程设计在各地都是必不可少的。从大范围来讲,室外给排水管道工程设计首先要依据室外给排水设计规范、小区给排水规范、施工规范、消防规范、给水排水设计手册等相关规范和手册;然后要结合地区地理、气候特点及各地水司的运行规程等实际情况,从技术可行性、经济合理性出发综合考虑、设计。这里结合本人几年工作实践谈谈室外给排水管道工程设计中需要着重考虑的几点问题。
  一、给水管道工程设计
  1、管径确定
  管径确定时应考虑远近期结合,同时照顾经济性和可靠性。管径确定涉及设计供水量及经济流速的确定。
  设计供水量根据下列各种用水确定:
  (1) 综合生活用水:包括居民生活用水和公共建筑用水。根据居民生活用水定额或综合生活用水定额及最高日时变化系数综合分析确定。
  (2) 工业企业生产用水和工作人员生活用水:生产用水量根据生产工艺要求确定;工作人员生活用水量(含淋浴用水量)根据车间性质确定。
  (3) 消防用水:消防用水量、水压及延续时间等根据现行有关规定确定。
  (4)浇洒道路和绿地用水:根据路面、绿化、气候和土壤等条件确定。
  (5)未预见水量及管网漏失水量:按最高日用水量的百分比计。
  管段的直径按下式计算:
  式中 D——管段直径(m)
  q——管段流量(m3/s)
  v——流速(m/s)
  应综合考虑管网造价与经营费用,确定经济流速,从而确定经济管径,使管网造价与经营费用之和为最小。设计时常采用平均经济流速来确定管径,当D=100~400mm时,平均经济流速取0.6~0.9m/s; 当D≥400mm时,平均经济流速取0.9~1.4m/s,大管取大值,小管取小值。
  2、管材选用
  设计时应结合各种管材的特性做到管材选用经济、合理。埋地管道长年累月承受输送液体内压、泥土及地面荷载的外压、高温变化引起的拉伸应力以及地基的不均匀沉降等产生的综合应力,还要承受水锤冲击力,因此管材首先应有足够强度。同时结合建设要求做到经济合理。
  室外给水管道常用管材有承插式给水铸铁管、球墨铸铁管、焊接钢管、镀锌钢管、预应力(自应力)钢筋混凝土管、玻璃钢管、塑料管、复合管等。
  (1)承插式给水铸铁管:具有较高的机械强度及承压能力,有较强的耐腐蚀性,接口方便,易于施工。其缺点在于不能承受较大的动荷载及质脆。按制造材料分为普通灰口铸铁管和球墨铸铁管,较为常用的为球墨铸铁管。
  (2)钢管:其优点是耐高压、耐震动、薄而轻及管节长而接口少;缺点是易锈蚀影响使用寿命、价格较高,故需做严格防腐绝缘处理。钢管一般用于管径要求大、受水压力高路段,及穿越铁路、河谷和地震区等管段。
  (3)预应力和自应力钢筋混凝土管:优点是抗渗性和耐久性能好,不会腐蚀及腐烂,内壁不结垢等,缺点是质地较脆易碰损、铺设时要求沟底平整,且需做管道基础及管座,常用于大型输水系统。
  (4)玻璃钢管:指玻纤维增强树脂塑料管,这种管材优点在于重量轻,抗腐蚀,安装容易,缺点是刚度小,管道基础要求较严。大口径玻璃钢管在源水引用管道上使用较多,而在供水管网中使用较少。
  (5)塑料管:其优点在于具有表面光滑、输送流体阻力小、耐腐蚀、重量轻、接口方便等,缺点在于质脆、易老化。主要有硬聚氯乙烯管(UPVC)、聚乙烯管(PE)等。
  (6)复合管:室外给排水工程中常用的有镀锌钢管衬塑复合管、孔网钢带塑料复合管。
  (a) 镀锌钢管衬塑复合管:镀锌钢管衬塑有两种方式,一种是内喷衬聚乙烯,另一种是热镀锌钢管内经特殊过盈级配合工艺,复合挤压聚乙烯、聚丙烯管,目前国内均有此两种方式的产品,前种衬涂层不易粘牢,不易衬匀,容易分层;后一种方式效果较好,而管件釆取内喷衬聚乙烯。
  管材组装也有两种方式,一种是通常壁厚的热镀锌钢管及管件,内挤压聚乙烯管或喷衬聚乙烯层后,仍套丝连接,价格较贵;另一种是薄壁热镀锌钢管及管件,内经特殊过盈级配合工艺,复合挤压聚乙烯管或喷衬聚乙烯层,管材不套丝,采用快速接头工艺,管道装拆快捷,价格低廉,综合价格类同镀锌钢管,有良好的适用前景,但管外壁及管端面的防腐问题没有根本解决。
  (b)孔网钢带塑料复合管:是以高密度聚乙烯为基体,以冲孔后的冷轧钢带焊接而成的网状钢管为增强体,经挤出成型连续复合而成,内外壁塑料通过金属骨架上的孔形成一体。它具有钢管的机械强度,又具有塑料管的耐腐蚀性,可适用于DN≤200mm 的配水管道及室内冷水主立管道上使用。此类管材安装时,切断的端面应作严格的防锈处理,但在今后管道不停水引接分支管时,孔口切面锈蚀问题就无法处理,这将是此类管材应用中的弱点。
  3、设计时需注意的问题
  1) 混凝土支墩设置:
  给水铸铁管特别是球墨铸铁管在室外给水管道工程中应用较为广泛。一般在施工较大口径的室外给水铸铁管时,多在如下位置处:如管道系统的水平弯头、三通、管道末端及返弯处需设置混凝土浇注的支墩。
  支墩的作用主要是消除由于管内水的压力或土壤条件较差,使在上述的部位产生一将管道沿其水流切线方向外推的力,而导致管道接口处松动。一般在管径大于350mm及在松软土壤敷设时考虑设置。
  2) 钢管防腐:
  在管径要求大、受水压力高路段,及穿越铁路、河谷和地震区等管段较常采用钢管敷设。钢管埋地敷设时,管材会受到土壤、地下水的浸蚀,同时还会受到地下杂散电流的影响,使金属表面产生电化学作用而损坏金属表层,故必须采取能隔绝对管道腐蚀及减少杂散电流对管道电化作用的防腐绝缘层,以延长管道使用寿命。
  埋地钢管一般采用水泥砂浆内防腐,外防腐一般采用石油沥青及环氧煤沥青,分普通级、加强级、特加强级三个等级,设计时应根据具体情况合理选择。
  二、排水管道工程设计
  1、 排水体制的选择
  排水工程设计应以批准的当地城镇(地区)总体规划和排水工程总体规划为主要依据。排水体制(分流制或合流制)的选择,应更根据城镇和工业企业规划、当地降雨情况和排放标准、原有排水设施、污水处理和利用情况、地形和水体等条件,综合考虑确定。新建地区的排水系统宜采用分流制。
  2、 排水量确定
  现就分流制体制的排水量确定进行分析。
  (1) 污水设计总流量Q(L/s)
  Q=Q1+Q2+Q3
  其中:1 Q1为居住区生活污水设计流量(L/s)。按下式计算
  Q1=n×N×Kz / (24×3600)
  n——污水定额(L/(人*d)),含居民生活污水定额和综合生活污水定额,可按当地用水定额的80%~90%采用。
  N ——设计人口数
  Kz——生活污水量总变化系数,按《室外排水设计规范》有关规定计取或按实际数据采用。
  2 Q2为工业企业内生活污水量、淋浴污水量(L/s)。应与国家现行的《室外给水设计规范》的有关规定协调。
  3 Q3为工业企业的工业废水量(L/s)。工业废水量级及其总变化系数应根据工艺特点确定,并与国家现行的工业用水量有关规定协调。
  (2) 雨水设计流量Q(L/s)
  按下式计算:
  Q=F×q×ψ
  其中:1 F为汇水面积(ha)
  其划分应结合地形坡度、汇水面积的大小及雨水管道布置等情况划定。地形较平坦时,可按就近排入附近雨水管道的原则划分汇水面积;地形坡度较大时,应按地面雨水径流的水流方向划分汇水面积。
  2ψ为径流系数。按《室外排水设计规范》有关规定计取。
  3 q为设计暴雨强度(L /(s* ha))。按下列公式计算:
  q=167A1(1+ClgP)/(t+b)n
  式中 t——降雨历时(min)。t=t1+mt2,t1为地面集水时间,一般取5~15min;m为折减系数,暗管取2,明渠取1.2;t2为管渠内雨水流行时间。
  3、管材选用
  室外无压排水管一般很少采用金属管,只有当排水管道需要承受较高压力或对渗漏要求严格的地方(如污水泵站的进水管和出水管等)才采用金属管材。较为常见的为混凝土及钢筋混凝土管,近几年,双壁波纹管、HDPE高密度缠绕管等也在室外排水工程中得到较为广泛的应用。
  4、设计时需注意的问题
  (1) 钢筋混凝土管接口选择
  用于排水的混凝土管的管口形式常用的有平口管、企口管和承插口管。管口形状不同,接口的方法也不同。管道接口一般分为柔性接口、刚性接口、半柔性接口三种。橡胶圈接口、沥青油膏、石棉沥青卷材接口等均为柔性接口,刚性接口常见的有水泥砂浆、钢丝网水泥砂浆抹带接口,而石棉水泥接口则为半柔性接口。对于接口要求强度较高、严密性闭水性较好的污水管道宜采用柔性或半柔性接口。
  (2) 管线高程控制
  管线高程控制应从多方面进行综合考虑:为保证管线所服务区域雨污水能顺畅排入,要求管线要有足够的埋深;而随着埋深增大,挖槽深度增加,施工难度也随之增大,特别是在土质较为软弱地段更为突出,这样必然提高管网造价;同时城市道路下的市政管线错综复杂,为在高程上使各管线基本相互错开,也应合理控制各管线高程,一般来说,从上至下管线顺序依次为电力管(沟)、电讯管(沟)、煤气管、给水管、热力管、雨水管、污水管。
  总的来说,室外给排水管道工程设计是一个实践经验与能动性相结合的过程。在满足规范要求的同时,要根据实际情况,因地制宜、因时制宜,尽量做到经济合理。
  参考文献
  [1]《室外给水设计规范》(GBJ13-86)
  [2]《室外排水设计规范》(GBJ14-97)
  [3]《城市排水工程规划规范》(GB50318-2000)
  [4]各种管材应用技术规程及设计施工手册
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