埋地硬聚氯乙烯排水管道設計施工中的若干問題

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

概述
　　硬聚氯乙烯(PVC-U)管具有重量輕、強度高、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。用于埋地排水管道不僅施工速度快、周期短，還能更好地適應管道的不均勻沉降，使用壽命可達50年以上。國外在排水管道中早已廣泛使用。我國由于適合埋地排水管道特點的，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用滯后于建筑排水和城鎮(zhèn)給水工程中的應用。90年代初期，國內相繼生產出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PVC-U管用于埋地排水管道工程涉及的應用技術進行了系統(tǒng)地試驗研究。對各種管材的性能，埋地工作的特性，管道的設計施工和工程實驗進行了系統(tǒng)的研究探索，為PVC-U管在排水工程中的應用提供了科學的依據(jù)，并編制了相應的地方標準供遵循和參照。近幾年PVC-U管已在天津、上海、江蘇、浙江和西北地區(qū)的多項排水工程中應用，取得了良好效果。本文僅就PVC-U管用于排水管道時設計、施工中的主要問題，結合近些年的試驗研究，工作實踐和“硬聚氯乙烯排水管道設計施工及驗收規(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。國內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：管壁截面為雙層結構，內壁的表面光滑、外壁為等距排列的空芯封閉環(huán)肋結構。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，因之價格較低。管材的公稱直徑以管材外徑表示，國內產品最大直徑DN500mm，環(huán)剛度多為8kN/m²，管長6m。承插式接口，橡膠圈密封，國內已有十余家生產廠生產。這種管材的價格低廉，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徑表示，產品最大直徑DN400mm，管材長度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)：該產品是新一代塑料管材，制管分2階段進行。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卷成不同直徑的管材。管材的公稱直徑以管內徑表示。這種管材的特點是可以把帶材運到管道施工現(xiàn)場。就地卷成所需直徑的管材，大大簡化了管材的運輸、管材長度可以任意調整。帶材的規(guī)格有4種，適用于不同直徑不同要求的管材。管材重量僅為直壁管重量的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型帶材可用特殊構造的鋼帶加強，最大管徑達DN2400mm，管頂覆土可達10m。這種管材由蘭州晟泰塑料制管公司生產，已在西北地區(qū)使用。
　　 4.直壁管：管壁截面是實心的，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。橡膠圈接口的嚴密性較好。這種管材承受內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格相對較高。
　　 由上述可見，在排水管道工程中選用的管材，以異形管較為經濟，具體選型尚應根據(jù)具體的條件綜合比較確定。

二、管道設計
　　1.水力計算
　　 PVC-U排水管道的流速、流量通常按下式計算：

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。美國在實驗室試驗和實際應用中發(fā)現(xiàn)PVC-U管的n值為0.007～0.011，Uni-Bell PVC管協(xié)會推薦采用0.009，日本下水道協(xié)會標準則采用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流量的影響可忽略不計，按管道允許直徑變形率5%計算，對流量的減少僅0.6%，影響甚微。
　　 2.管道強度計算
　　 PVC-U管系按柔性管的理論，靠管土共同工作來承受荷載。管周兩側的土體承受了大部分荷載，柔性管僅承受一小部分。對重力流管道，管子的安全使用狀態(tài)實際上是以變形控制，歐美等國對重力流管通常只計算管子的變形。日本下水道協(xié)會標準JSWAS K-1依圖2假定的荷載圖形按下式計算管子的環(huán)向應力：

σ=M/W=(r²/W)(K₁P₁+K₂P₂)

式中：σ為管壁的環(huán)向彎曲應力；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。
　　 經對不同管徑管材的砂箱試驗實測結果，管壁應力與按上述公式計算的結果甚為接近，計算值略大于實測值，因之上式可以采用。

　靜土壓力分布　　　　動土壓力分布

　　　　圖2

3.管道的變形計算
　　 埋地柔性管的變形計算國內外多采用Spangler推導的依何華公式，該公式的推導假定管道受垂直荷載作用產生橢圓變形，使土體產生抗力，抗力大小與管子在土中的變形成正比，呈拋物線分布(圖3)。經推導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為基礎墊層系數(shù)，與基礎支承角有關，一般取0.1；W₀為管頂單位長度上的荷載；r為管壁中心半徑；E為管材的彈性模量；I為管壁截面單位長的慣性矩；E＇為管兩側回填土的變形模量。
　　 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的系數(shù)。當溝槽壁原狀土的變形模量與回填土的變形模量相同時ξ=1，即為(1)式。(2)考慮的因素較全面，計算上是合理的。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，管道沿線除特殊地段外通常都不做地質鉆探，難以確切掌握溝槽原狀土的變形模量。用假定的土質資料計算也難符合實驗，因之仍可考慮簡便的計算。在實際應用中，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，在一般的土質條件下管頂覆土達5m以上，有足夠的安全。或按最不利的條件考慮，用(2)式精確的計算與用(1)式按一般土質條件的計算，管子直徑變形率的差別亦只在0.5%以內。因之在無地質資料情況下用(2)式計算管子的變形可取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)會標準JSWAS K-1對管道的變形計算采用下述公式：

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算系數(shù)，其他符號同前節(jié)強度計算公式中的符號。
　　 該計算公式未考慮溝槽土壤及溝槽回填土類別性質的影響，不盡合理。但從砂箱試驗對比，計算值與實測值較接近，用于中等壓實度一般土質是可以的。對較低剛度的管材埋入軟土地帶可能會有較大誤差。
　　 考慮我國對柔性管的變形計算都采用Spangler的計算公式，在編制中的“硬聚氯乙烯排水管道設計及施工驗收規(guī)程”中也采用了Spangler的公式。
　　 除上述理論分析外，利用試驗和經驗數(shù)據(jù)來確定荷載與管道變形的關系也是一種實用的方法。即利用砂箱試驗或原型試驗得出管道功能與填土高度的關系曲線來確定管子的使用狀態(tài)。美國PVC塑料管設計施工手冊中也指出這是一種可靠和值得推薦的方法。國內已有多種管材做了砂箱試驗，得出管頂覆土荷載與管子變形的關系曲線，直接確定管子的使用條件甚為簡便。特別是對異形管材尤為簡便。

三、管道施工
　　1.管道基礎
　　 為保證管底與基礎緊密接觸并控制管道的軸線高程、坡度，PVC-U管道仍應做墊層基礎。對一般土質通常只做一層0.1m厚的砂墊層即可。對軟土地基，且當槽底處在地下水位以下時，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，以利基礎的穩(wěn)定。基礎在承插口連接部位應予先留出凹槽便于安放承口，安裝后隨即用砂回填。管底與基礎相接的腋角(圖4，2α范圍)，必須用粗砂或中砂填實(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吊送管材。承插口管安裝時應將插口順水流方向，承口逆水流方向由下游向上游依次安裝。管材的長短可用手鋸切割，但應保持斷面垂直平整不得損壞。小口徑管的安裝可用人力，在管端設木擋板用撬棍使被安裝的管子對準軸線插入承口。直徑大于DN400mm的管子可使手搬葫蘆等工具，但不得用施工機械強行推頂管子就位。管道接口以橡膠圈接口居多，施工操作簡便，但應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廠特制的管接頭和粘接劑以確保接口質量。
　　 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。亦可采用預制混凝土套環(huán)連接，將混凝土套環(huán)砌在檢查井井壁內，套環(huán)內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的結合性能不好，不宜將管材或管件直接砌筑在檢查井壁內?？刹捎弥薪閷幼鞣?，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，砌入檢查井內可保證與水泥砂漿的良好結合，防止?jié)B漏(圖5)。對在坑塘和軟土地帶，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程度對管道的變形和承載能力有很大影響?；靥钔恋淖冃文Ａ吭酱?，壓實程度越高，則管道的變形越小，承載能力越大，設計施工應根據(jù)具體條件慎重考慮。溝槽回填除應遵照管道工程的一般規(guī)定外，還必須根據(jù)PVC-U管的特點采取相應的必要的措施，管道安裝完畢應立即回填，不宜久停再回填。從管底到管頂以上0.4m范圍內的回填材料必須嚴格控制。可采用碎石屑、砂礫、中砂粗砂或開挖出的良質土。管道位于車行道下，且鋪設后即修筑路面時，應考慮溝槽回填沉降對路面結構的影響，管底至管頂0.4m范圍內須用中、粗砂或石屑分層回填夯實。為保證管道安全，對管頂以上0.4m范圍內不得用夯實機具夯實?；靥畹膲簩嵪禂?shù)從管底到管頂范圍應大于或等于95%；對管頂以上0.4m范圍內應大于80%；其他部位應大于等于90%。雨季施工還應注意防止溝槽積水，管道漂浮。
　　 4.管道的嚴密性檢驗
　　 管道安裝后的嚴密性檢驗可采用閉水試驗或閉氣試驗。閉氣試驗簡便迅速，最能適合PVC-U管道施工速度快的特點，但目前尚無檢驗標準和專用的檢驗設備，待進一步研究。PVC-U管道的嚴密性優(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PVC-U管道閉水試驗的允許漏水量要嚴于混凝土管道，我國尚無具體規(guī)定，美國規(guī)定以每mm管徑計算每km管道長24h的滲漏量應不超過4.6升，可借鑒使用。

四、PVC-U排水管道的應用發(fā)展前景
　　國內外的應用實踐表明PVC-U排水管道有許多突出的優(yōu)點，特別是重量輕、強度高、耐腐蝕、施工安裝簡便快捷，因之近10多年來發(fā)展迅速。一些發(fā)達國家在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總長的70%以上，應用的覆蓋面很廣。目前國內適合于排水管道使用的各種異形管的生產廠已有10多家，管材生產具備了一定的規(guī)模。許多地區(qū)試點應用都取得了良好的效果，針對PVC-U管的應用技術已進行了大量的室內外試驗研究，中國工程建設標準化協(xié)會標準“室外埋地硬聚氯乙烯排水管道設計施工及驗收規(guī)程”也正在編制中。盡管有的管材價格還偏高，但其綜合造價已接近混凝土管道。隨著管材生產的發(fā)展和對PVC-U管的擴大推廣應用，工程造價將會逐步降低而更加顯示其良好的技術經濟效益。PVC-U排水管道發(fā)展的條件已具備，應予積極推廣。

作者單位：高復棟　(天津市市政工程研究院　300074)

參考文獻
〔1〕 聚氯乙烯塑料管應用于排水管道的研究，天津市政工程研究院，1994年12月
〔2〕 硬聚氯乙烯(UPVC)加筋管工程應用研究報告，上海市政工程研究院，1997年9月
〔3〕 下水道用硬質鹽化ビニル管の道路下埋設に 門　關す事研究報告書，國土開發(fā)技術研究センタ
〔4〕 PVC塑料管設計施工手冊，Uni-Bell PVC管道協(xié)會編，建設部信息所譯，1994年8月