埋地硬聚氯乙烯排水管道設(shè)計(jì)施工中的若干問題

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概述
　　硬聚氯乙烯(PVC-U)管具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、管壁光滑水力阻力系數(shù)小、施工安裝方便及水密性能好等特點(diǎn)。用于埋地排水管道不僅施工速度快、周期短，還能更好地適應(yīng)管道的不均勻沉降，使用壽命可達(dá)50年以上。國(guó)外在排水管道中早已廣泛使用。我國(guó)由于適合埋地排水管道特點(diǎn)的，以承受外壓荷載為主的PVC-U管材開發(fā)較晚，因此其在排水工程中的應(yīng)用滯后于建筑排水和城鎮(zhèn)給水工程中的應(yīng)用。90年代初期，國(guó)內(nèi)相繼生產(chǎn)出PVC-U雙壁波紋管、加筋管和肋式卷繞管等特殊型式的異形管材，管材價(jià)格較普通直壁管大幅下降，使PVC-U管在排水工程中的推廣應(yīng)用成為可能?；谏鲜銮闆r，天津市政工程研究院、上海市政工程研究院，自1992年起先后對(duì)PVC-U管用于埋地排水管道工程涉及的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地試驗(yàn)研究。對(duì)各種管材的性能，埋地工作的特性，管道的設(shè)計(jì)施工和工程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究探索，為PVC-U管在排水工程中的應(yīng)用提供了科學(xué)的依據(jù)，并編制了相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)供遵循和參照。近幾年P(guān)VC-U管已在天津、上海、江蘇、浙江和西北地區(qū)的多項(xiàng)排水工程中應(yīng)用，取得了良好效果。本文僅就PVC-U管用于排水管道時(shí)設(shè)計(jì)、施工中的主要問題，結(jié)合近些年的試驗(yàn)研究，工作實(shí)踐和“硬聚氯乙烯排水管道設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收規(guī)程”的編制情況做一概述，供參考討論。

一、管材
　　城鎮(zhèn)埋地排水管道多為重力流，主要是承受外壓荷載。國(guó)內(nèi)目前可用于排水管道的PVC-U管有4種可供選擇(圖1)：
　　 1.雙壁波紋管：管壁截面為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁的表面光滑、外壁為等距排列的空芯封閉環(huán)肋結(jié)構(gòu)。由于管壁截面中間是空芯的，在相同的承載能力下可以比普通的直壁管節(jié)省50%以上的材料，因之價(jià)格較低。管材的公稱直徑以管材外徑表示，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品最大直徑DN500mm，環(huán)剛度多為8kN/m²，管長(zhǎng)6m。承插式接口，橡膠圈密封，國(guó)內(nèi)已有十余家生產(chǎn)廠生產(chǎn)。這種管材的價(jià)格低廉，施工安裝非常方便。

雙壁波紋管

加筋管

肋式卷繞管

直壁管

圖1　硬聚氯乙烯管材型式簡(jiǎn)圖

　　2.加筋管：是一種管壁光滑、外壁帶有等距排列的環(huán)肋的管材。這種管材既減薄了管壁厚度又增大了管材的剛度，提高了管材承受外荷載的能力，可比普通直壁管節(jié)約30%以上的材料。管材的公稱直徑以管內(nèi)徑表示，產(chǎn)品最大直徑DN400mm，管材長(zhǎng)度6m，承插式接口，橡膠圈密封，環(huán)剛度8kN/m²。
　　 3.肋式卷繞管(亦稱螺旋管)：該產(chǎn)品是新一代塑料管材，制管分2階段進(jìn)行。第1階段先將原材料制成帶有等距排列的T型肋的帶材，第2階段再將帶材通過螺旋卷管機(jī)卷成不同直徑的管材。管材的公稱直徑以管內(nèi)徑表示。這種管材的特點(diǎn)是可以把帶材運(yùn)到管道施工現(xiàn)場(chǎng)。就地卷成所需直徑的管材，大大簡(jiǎn)化了管材的運(yùn)輸、管材長(zhǎng)度可以任意調(diào)整。帶材的規(guī)格有4種，適用于不同直徑不同要求的管材。管材重量?jī)H為直壁管重量的35～50%，管材接口用特制的管接頭粘接。用高密度聚乙烯(HDPE)制成的140GB型帶材可用特殊構(gòu)造的鋼帶加強(qiáng)，最大管徑達(dá)DN2400mm，管頂覆土可達(dá)10m。這種管材由蘭州晟泰塑料制管公司生產(chǎn)，已在西北地區(qū)使用。
　　 4.直壁管：管壁截面是實(shí)心的，管壁截面相等的管材，公稱直徑以管外徑表示。管材接口有軟接接口和橡膠圈接口。橡膠圈接口的嚴(yán)密性較好。這種管材承受內(nèi)壓外壓的性能都很好，多用于建筑給排水和城鎮(zhèn)給水管道，用于排水管道與異形管相比價(jià)格相對(duì)較高。
　　 由上述可見，在排水管道工程中選用的管材，以異形管較為經(jīng)濟(jì)，具體選型尚應(yīng)根據(jù)具體的條件綜合比較確定。

二、管道設(shè)計(jì)
　　1.水力計(jì)算
　　 PVC-U排水管道的流速、流量通常按下式計(jì)算：

式中：V為流速(m/s)；n為管壁粗糙系數(shù)；R為水力半徑(m)；I為水力坡降；Q為流量(m³/s)；A為水流有效斷面面積(m²)。
　　 管壁粗糙系數(shù)n與管道的水力條件及管子表面的光滑程度及管接頭的間隙、數(shù)量等諸多因素有關(guān)。美國(guó)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)PVC-U管的n值為0.007～0.011，Uni-Bell PVC管協(xié)會(huì)推薦采用0.009，日本下水道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)則采用0.01。天津市政工程研究院用DN200mm雙壁波紋管在底坡1～6‰，流速0.5～1.5m/s清水條件下試驗(yàn)的n值為0.00789～0.00891，考慮污水環(huán)境惡劣及管接頭影響留有余地正在編制的規(guī)程中擬采用0.01。PVC-U排水管的最低流速不宜低于0.6m/s。管子埋入地下橢圓變形對(duì)流量的影響可忽略不計(jì)，按管道允許直徑變形率5%計(jì)算，對(duì)流量的減少僅0.6%，影響甚微。
　　 2.管道強(qiáng)度計(jì)算
　　 PVC-U管系按柔性管的理論，靠管土共同工作來承受荷載。管周兩側(cè)的土體承受了大部分荷載，柔性管僅承受一小部分。對(duì)重力流管道，管子的安全使用狀態(tài)實(shí)際上是以變形控制，歐美等國(guó)對(duì)重力流管通常只計(jì)算管子的變形。日本下水道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JSWAS K-1依圖2假定的荷載圖形按下式計(jì)算管子的環(huán)向應(yīng)力：

σ=M/W=(r²/W)(K₁P₁+K₂P₂)

式中：σ為管壁的環(huán)向彎曲應(yīng)力；M為管壁上的彎矩；r為管子的平均半徑；W為管壁的截面模量；K₁為管道豎向靜土壓力作用的彎矩系數(shù)；K₂為管道在地面活荷載作用下的彎矩系數(shù)；P₁為作用在管頂?shù)撵o土壓力；P₂為作用在管頂?shù)幕詈奢d。
　　 經(jīng)對(duì)不同管徑管材的砂箱試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，管壁應(yīng)力與按上述公式計(jì)算的結(jié)果甚為接近，計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，因之上式可以采用。

　靜土壓力分布　　　　動(dòng)土壓力分布

　　　　圖2

3.管道的變形計(jì)算
　　 埋地柔性管的變形計(jì)算國(guó)內(nèi)外多采用Spangler推導(dǎo)的依何華公式，該公式的推導(dǎo)假定管道受垂直荷載作用產(chǎn)生橢圓變形，使土體產(chǎn)生抗力，抗力大小與管子在土中的變形成正比，呈拋物線分布(圖3)。經(jīng)推導(dǎo)形成修正的依何華公式

(1)

式中：ΔD為管道在組合荷載作用下的直徑變形量；D_L為變形滯后系數(shù)，取1.2～1.5；K為基礎(chǔ)墊層系數(shù)，與基礎(chǔ)支承角有關(guān)，一般取0.1；W₀為管頂單位長(zhǎng)度上的荷載；r為管壁中心半徑；E為管材的彈性模量；I為管壁截面單位長(zhǎng)的慣性矩；E＇為管兩側(cè)回填土的變形模量。
　　 上述公式已廣為使用，近些年又參照ATV的方法在計(jì)算中考慮了回填土變形模量與溝槽壁原狀土變形模量的影響因素，將(1)式中的E＇改為E_d。
即

(2)

式中E_d=ξE＇，ξ為管兩側(cè)回填土變形模量與溝槽壁原狀土變形模量比值及管徑與開槽寬度比值有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)溝槽壁原狀土的變形模量與回填土的變形模量相同時(shí)ξ=1，即為(1)式。(2)考慮的因素較全面，計(jì)算上是合理的。但一般使用的PVC-U排水管道的直徑較小，埋深不大，而管道線路又很長(zhǎng)，管道沿線除特殊地段外通常都不做地質(zhì)鉆探，難以確切掌握溝槽原狀土的變形模量。用假定的土質(zhì)資料計(jì)算也難符合實(shí)驗(yàn)，因之仍可考慮簡(jiǎn)便的計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)剛度8kN/m²的管材按管道的直徑變形率ε(ε=ΔD/2r×100%)不超過5%控制，在一般的土質(zhì)條件下管頂覆土達(dá)5m以上，有足夠的安全?；虬醋畈焕臈l件考慮，用(2)式精確的計(jì)算與用(1)式按一般土質(zhì)條件的計(jì)算，管子直徑變形率的差別亦只在0.5%以內(nèi)。因之在無地質(zhì)資料情況下用(2)式計(jì)算管子的變形可取ξ=1。管子的直徑變形率通常規(guī)定不大于5%。
　　 日本下水道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JSWAS K-1對(duì)管道的變形計(jì)算采用下述公式：

式中：K₃、K₄分別為管道在靜土壓力，地面活載作用下的變形計(jì)算系數(shù)，其他符號(hào)同前節(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式中的符號(hào)。
　　 該計(jì)算公式未考慮溝槽土壤及溝槽回填土類別性質(zhì)的影響，不盡合理。但從砂箱試驗(yàn)對(duì)比，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較接近，用于中等壓實(shí)度一般土質(zhì)是可以的。對(duì)較低剛度的管材埋入軟土地帶可能會(huì)有較大誤差。
　　 考慮我國(guó)對(duì)柔性管的變形計(jì)算都采用Spangler的計(jì)算公式，在編制中的“硬聚氯乙烯排水管道設(shè)計(jì)及施工驗(yàn)收規(guī)程”中也采用了Spangler的公式。
　　 除上述理論分析外，利用試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定荷載與管道變形的關(guān)系也是一種實(shí)用的方法。即利用砂箱試驗(yàn)或原型試驗(yàn)得出管道功能與填土高度的關(guān)系曲線來確定管子的使用狀態(tài)。美國(guó)PVC塑料管設(shè)計(jì)施工手冊(cè)中也指出這是一種可靠和值得推薦的方法。國(guó)內(nèi)已有多種管材做了砂箱試驗(yàn)，得出管頂覆土荷載與管子變形的關(guān)系曲線，直接確定管子的使用條件甚為簡(jiǎn)便。特別是對(duì)異形管材尤為簡(jiǎn)便。

三、管道施工
　　1.管道基礎(chǔ)
　　 為保證管底與基礎(chǔ)緊密接觸并控制管道的軸線高程、坡度，PVC-U管道仍應(yīng)做墊層基礎(chǔ)。對(duì)一般土質(zhì)通常只做一層0.1m厚的砂墊層即可。對(duì)軟土地基，且當(dāng)槽底處在地下水位以下時(shí)，宜鋪一層砂礫或碎石，厚度不小于0.15m，碎石粒徑5～40mm，上面再鋪一層厚度不小于0.05m的砂墊層，以利基礎(chǔ)的穩(wěn)定?；A(chǔ)在承插口連接部位應(yīng)予先留出凹槽便于安放承口，安裝后隨即用砂回填。管底與基礎(chǔ)相接的腋角(圖4，2α范圍)，必須用粗砂或中砂填實(shí)(圖4)，緊緊包住管底的2α角部位，形成有效的支承。

圖3

圖4

　　2.管道安裝
　　 管道安裝一般均采用人工安裝，槽深大于3m或管徑大于DN400mm的管材可用非金屬繩索向槽內(nèi)吊送管材。承插口管安裝時(shí)應(yīng)將插口順?biāo)鞣较颍锌谀嫠鞣较蛴上掠蜗蛏嫌我来伟惭b。管材的長(zhǎng)短可用手鋸切割，但應(yīng)保持?jǐn)嗝娲怪逼秸坏脫p壞。小口徑管的安裝可用人力，在管端設(shè)木擋板用撬棍使被安裝的管子對(duì)準(zhǔn)軸線插入承口。直徑大于DN400mm的管子可使手搬葫蘆等工具，但不得用施工機(jī)械強(qiáng)行推頂管子就位。管道接口以橡膠圈接口居多，施工操作簡(jiǎn)便，但應(yīng)注意橡膠圈的斷面型式和密封效果。圓型膠圈的密封效果欠佳，而變形阻力小又能防止?jié)L動(dòng)的異形橡膠圈的密封效果則比較好。普通的粘接接口僅適用DN110mm以下的管材。肋式卷繞管必須使用生產(chǎn)廠特制的管接頭和粘接劑以確保接口質(zhì)量。
　　 管道與檢查井的連接宜采用柔性接口，可采用承插管件連接。亦可采用預(yù)制混凝土套環(huán)連接，將混凝土套環(huán)砌在檢查井井壁內(nèi)，套環(huán)內(nèi)壁與管材之間用橡膠圈密封，形成柔性連接。水泥砂漿與PVC-U的結(jié)合性能不好，不宜將管材或管件直接砌筑在檢查井壁內(nèi)。可采用中介層作法，即在PVC-U管外表面均勻的涂一層塑料粘合劑，緊接著在上面撒一層干燥的粗砂，固化20min后即形成表面粗糙的中介層，砌入檢查井內(nèi)可保證與水泥砂漿的良好結(jié)合，防止?jié)B漏(圖5)。對(duì)在坑塘和軟土地帶，為減少管道與檢查井的不均勻沉降，一種有效的辦法是先用一根不大于2m的短管與檢查井連接，下面再與整根長(zhǎng)的管子連接，使檢查井與管道的沉降差形成平緩過渡。

圖5

　　3.溝槽回填
　　 柔性管是按管土共同工作來承受荷載，溝槽回填材料和回填的密實(shí)程度對(duì)管道的變形和承載能力有很大影響?；靥钔恋淖冃文Ａ吭酱?，壓實(shí)程度越高，則管道的變形越小，承載能力越大，設(shè)計(jì)施工應(yīng)根據(jù)具體條件慎重考慮。溝槽回填除應(yīng)遵照管道工程的一般規(guī)定外，還必須根據(jù)PVC-U管的特點(diǎn)采取相應(yīng)的必要的措施，管道安裝完畢應(yīng)立即回填，不宜久停再回填。從管底到管頂以上0.4m范圍內(nèi)的回填材料必須嚴(yán)格控制?？刹捎盟槭?、砂礫、中砂粗砂或開挖出的良質(zhì)土。管道位于車行道下，且鋪設(shè)后即修筑路面時(shí)，應(yīng)考慮溝槽回填沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，管底至管頂0.4m范圍內(nèi)須用中、粗砂或石屑分層回填夯實(shí)。為保證管道安全，對(duì)管頂以上0.4m范圍內(nèi)不得用夯實(shí)機(jī)具夯實(shí)?；靥畹膲簩?shí)系數(shù)從管底到管頂范圍應(yīng)大于或等于95%；對(duì)管頂以上0.4m范圍內(nèi)應(yīng)大于80%；其他部位應(yīng)大于等于90%。雨季施工還應(yīng)注意防止溝槽積水，管道漂浮。
　　 4.管道的嚴(yán)密性檢驗(yàn)
　　 管道安裝后的嚴(yán)密性檢驗(yàn)可采用閉水試驗(yàn)或閉氣試驗(yàn)。閉氣試驗(yàn)簡(jiǎn)便迅速，最能適合PVC-U管道施工速度快的特點(diǎn)，但目前尚無檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和專用的檢驗(yàn)設(shè)備，待進(jìn)一步研究。PVC-U管道的嚴(yán)密性優(yōu)于混凝土管道，良好的橡膠圈接口可以做到完全不漏水。因之對(duì)PVC-U管道閉水試驗(yàn)的允許漏水量要嚴(yán)于混凝土管道，我國(guó)尚無具體規(guī)定，美國(guó)規(guī)定以每mm管徑計(jì)算每km管道長(zhǎng)24h的滲漏量應(yīng)不超過4.6升，可借鑒使用。

四、PVC-U排水管道的應(yīng)用發(fā)展前景
　　國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐表明PVC-U排水管道有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、施工安裝簡(jiǎn)便快捷，因之近10多年來發(fā)展迅速。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在DN500mm以下的排水管道中已成為主流，而DN500mm以下的管道均占管網(wǎng)總長(zhǎng)的70%以上，應(yīng)用的覆蓋面很廣。目前國(guó)內(nèi)適合于排水管道使用的各種異形管的生產(chǎn)廠已有10多家，管材生產(chǎn)具備了一定的規(guī)模。許多地區(qū)試點(diǎn)應(yīng)用都取得了良好的效果，針對(duì)PVC-U管的應(yīng)用技術(shù)已進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗(yàn)研究，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)“室外埋地硬聚氯乙烯排水管道設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收規(guī)程”也正在編制中。盡管有的管材價(jià)格還偏高，但其綜合造價(jià)已接近混凝土管道。隨著管材生產(chǎn)的發(fā)展和對(duì)PVC-U管的擴(kuò)大推廣應(yīng)用，工程造價(jià)將會(huì)逐步降低而更加顯示其良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。PVC-U排水管道發(fā)展的條件已具備，應(yīng)予積極推廣。

作者單位：高復(fù)棟　(天津市市政工程研究院　300074)

參考文獻(xiàn)
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