埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工中的若干难题

2019-10-22 09:14 来源：钢铁世界网作者：dengys

概述硬聚氯乙烯(PVC-U)管具有重量轻、强度高、耐腐蚀、管壁光滑水力阻力系数小、施工安装方便及水密性能好等特点。用于埋地排水管道不仅施工速度快、周期短，还能更好地适应管道的不均匀沉降，使用寿命可达50年以上。国外在排水管道中早已广泛使用。我国由于适合埋地排水管道特点的，以承受外压荷载为主的PVC-U管材开发较晚，因此其在排水工程中的应用滞后于建筑排水和城镇给水工程中的应用。90年代初期，国内相继生产出PVC-U双壁波纹管、加筋管和肋式卷绕管等特殊型式的异形管材，管材价格较普通直壁管大幅下降，使PVC-U管在排水工程中的推广应用成为可能。基于上述情况，天津市政工程研究院、上海市政工程研究院，自1992年起先后对PVC-U管用于埋地排水管道工程涉及的应用技术进行了系统地试验研究。对各种管材的性能，埋地工作的特性，管道的设计施工和工程实验进行了系统的研究探索，为PVC-U管在排水工程中的应用提供了科学的依据，并编制了相应的地方标准供遵循和参照。近几年PVC-U管已在天津、上海、江苏、浙江和西北地区的多项排水工程中应用，取得了良好效果。本文仅就PVC-U管用于排水管道时设计、施工中的主要问题，结合近些年的试验研究，工作实践和“硬聚氯乙烯排水管道设计施工及验收规程”的编制情况做一概述，供参考讨论。一、管材城镇埋地排水管道多为重力流，主要是承受外压荷载。国内目前可用于排水管道的PVC-U管有4种可供选择(图1)： 1.双壁波纹管：管壁截面为双层结构，内壁的表面光滑、外壁为等距排列的空芯封闭环肋结构。由于管壁截面中间是空芯的，在相同的承载能力下可以比普通的直壁管节省50%以上的材料，因之价格较低。管材的公称直径以管材外径表示，国内产品最大直径DN500mm，环刚度多为8kN/m2，管长6m。承插式接口，橡胶圈密封，国内已有十余家生产厂生产。这种管材的价格低廉，施工安装非常方便。
2.加筋管：是一种管壁光滑、外壁带有等距排列的环肋的管材。这种管材既减薄了管壁厚度又增大了管材的刚度，提高了管材承受外荷载的能力，可比普通直壁管节约30%以上的材料。管材的公称直径以管内径表示，产品最大直径DN400mm，管材长度6m，承插式接口，橡胶圈密封，环刚度8kN/m2。 3.肋式卷绕管(亦称螺旋钢管)：该产品是新一代塑料管材，制管分2阶段进行。第1阶段先将原材料制成带有等距排列的T型肋的带材，第2阶段再将带材通过螺旋卷管机卷成不同直径的管材。管材的公称直径以管内径表示。这种管材的特点是可以把带材运到管道施工现场。就地卷成所需直径的管材，大大简化了管材的运输、管材长度可以任意调整。带材的规格有4种，适用于不同直径不同要求的管材。管材重量仅为直壁管重量的35～50%，管材接口用特制的管接头粘接。用高密度聚乙烯(HDPE)制成的140GB型带材可用特殊构造的钢带加强，最大管径达DN2400mm，管顶覆土可达10m。这种管材由兰州晟泰塑料制管公司生产，已在西北地区使用。 4.直壁管：管壁截面是实心的，管壁截面相等的管材，公称直径以管外径表示。管材接口有软接接口和橡胶圈接口。橡胶圈接口的严密性较好。这种管材承受内压外压的性能都很好，多用于建筑给排水和城镇给水管道，用于排水管道与异形管相比价格相对较高。由上述可见，在排水管道工程中选用的管材，以异形管较为经济，具体选型尚应根据具体的条件综合比较确定。
二、管道设计 1.水力计算 PVC-U排水管道的流速、流量通常按下式计算：
式中：V为流速(m/s)；n为管壁粗糙系数；R为水力半径(m)；I为水力坡降；Q为流量(m3/s)；A为水流有效断面面积(m2)。管壁粗糙系数n与管道的水力条件及管子表面的光滑程度及管接头的间隙、数量等诸多因素有关。美国在实验室试验和实际应用中发现PVC-U管的n值为0.007～0.011，Uni-Bell PVC管协会推荐采用0.009，日本下水道协会标准则采用0.01。天津市政工程研究院用DN200mm双壁波纹管在底坡1～6‰，流速0.5～1.5m/s清水条件下试验的n值为0.00789～0.00891，考虑污水环境恶劣及管接头影响留有余地正在编制的规程中拟采用0.01。PVC-U排水管的最低流速不宜低于0.6m/s。管子埋入地下椭圆变形对流量的影响可忽略不计，按管道允许直径变形率5%计算，对流量的减少仅0.6%，影响甚微。 2.管道强度计算 PVC-U管系按柔性管的理论，靠管同工作来承受荷载。管周两侧的土体承受了大部分荷载，柔性管仅承受一小部分。对重力流管道，管子的安全使用状态实际上是以变形控制，欧美等国对重力流管通常只计算管子的变形。日本下水道协会标准JSWAS K-1依图2假定的荷载图形按下式计算管子的环向应力：
σ=M/W=(r2/W)(K1P1+K2P2)
式中：σ为管壁的环向弯曲应力；M为管壁上的弯矩；r为管子的平均半径；W为管壁的截面模量；K1为管道竖向静土压力作用的弯矩系数；K2为管道在地面活荷载作用下的弯矩系数；P1为作用在管顶的静土压力；P2为作用在管顶的活荷载。经对不同管径管材的砂箱试验实测结果，管壁应力与按上述公式计算的结果甚为接近，计算值略大于实测值，因之上式可以采用。
3.管道的变形计算埋地柔性管的变形计算国内外多采用Spangler推导的依何华公式，该公式的推导假定管道受垂直荷载作用产生椭圆变形，使土体产生抗力，抗力大小与管子在土中的变形成正比，呈抛物线分布(图3)。经推导形成修正的依何华公式
(1)
式中：ΔD为管道在组合荷载作用下的直径变形量；DL为变形滞后系数，取1.2～1.5；K为基础垫层系数，与基础支承角有关，一般取0.1；W0为管顶单位长度上的荷载；r为管壁中心半径；E为管材的弹性模量；I为管壁截面单位长的惯性矩；E′为管两侧回填土的变形模量。上述公式已广为使用，近些年又参照ATV的方法在计算中考虑了回填土变形模量与沟槽壁原状土变形模量的影响因素，将(1)式中的E′改为Ed。即
(2)
式中Ed=ξE′，ξ为管两侧回填土变形模量与沟槽壁原状土变形模量比值及管径与开槽宽度比值有关的系数。当沟槽壁原状土的变形模量与回填土的变形模量相同时ξ=1，即为(1)式。(2)考虑的因素较全面，计算上是合理的。但一般使用的PVC-U排水管道的直径较小，埋深不大，而管道线路又很长，管道沿线除特殊地段外通常都不做地质钻探，难以确切掌握沟槽原状土的变形模量。用假定的土质资料计算也难符合实验，因之仍可考虑简便的计算。在实际应用中，环刚度8kN/m2的管材按管道的直径变形率ε(ε=ΔD/2r×100%)不超过5%控制，在一般的土质条件下管顶覆土达5m以上，有足够的安全。或按最不利的条件考虑，用(2)式精确的计算与用(1)式按一般土质条件的计算，管子直径变形率的差别亦只在0.5%以内。因之在无地质资料情况下用(2)式计算管子的变形可取ξ=1。管子的直径变形率通常规定不大于5%。日本下水道协会标准JSWAS K-1对管道的变形计算采用下述公式：
式中：K3、K4分别为管道在静土压力，地面活载作用下的变形计算系数，其他符号同前节强度计算公式中的符号。该计算公式未考虑沟槽土壤及沟槽回填土类别性质的影响，不尽合理。但从砂箱试验对比，计算值与实测值较接近，用于中等压实度一般土质是可以的。对较低刚度的管材埋入软土地带可能会有较大误差。考虑我国对柔性管的变形计算都采用Spangler的计算公式，在编制中的“硬聚氯乙烯排水管道设计及施工验收规程”中也采用了Spangler的公式。除上述理论分析外，利用试验和经验数据来确定荷载与管道变形的关系也是一种实用的方法。即利用砂箱试验或原型试验得出管道功能与填土高度的关系曲线来确定管子的使用状态。美国PVC塑料管设计施工手册中也指出这是一种可靠和值得推荐的方法。国内已有多种管材做了砂箱试验

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