埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工中的若干问题

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。

双壁波纹管

加筋管

肋式卷绕管

直壁管

图1　硬聚氯乙烯管材型式简图

　　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，靠管土共同工作来承受荷载。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。

　静土压力分布　　　　动土压力分布

　　　　图2

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；D_L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E_d。
即

(2)

式中E_d=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，得出管顶覆土荷载与管子变形的关系曲线，直接确定管子的使用条件甚为简便。特别是对异形管材尤为简便。

三、管道施工
　　1.管道基础
　　 为保证管底与基础紧密接触并控制管道的轴线高程、坡度，PVC-U管道仍应做垫层基础。对一般土质通常只做一层0.1m厚的砂垫层即可。对软土地基，且当槽底处在地下水位以下时，宜铺一层砂砾或碎石，厚度不小于0.15m，碎石粒径5～40mm，上面再铺一层厚度不小于0.05m的砂垫层，以利基础的稳定。基础在承插口连接部位应予先留出凹槽便于安放承口，安装后随即用砂回填。管底与基础相接的腋角(图4，2α范围)，必须用粗砂或中砂填实(图4)，紧紧包住管底的2α角部位，形成有效的支承。

图3

图4

　　2.管道安装
　　 管道安装一般均采用人工安装，槽深大于3m或管径大于DN400mm的管材可用非金属绳索向槽内吊送管材。承插口管安装时应将插口顺水流方向，承口逆水流方向由下游向上游依次安装。管材的长短可用手锯切割，但应保持断面垂直平整不得损坏。小口径管的安装可用人力，在管端设木挡板用撬棍使被安装的管子对准轴线插入承口。直径大于DN400mm的管子可使手搬葫芦等工具，但不得用施工机械强行推顶管子就位。管道接口以橡胶圈接口居多，施工操作简便，但应注意橡胶圈的断面型式和密封效果。圆型胶圈的密封效果欠佳，而变形阻力小又能防止滚动的异形橡胶圈的密封效果则比较好。普通的粘接接口仅适用DN110mm以下的管材。肋式卷绕管必须使用生产厂特制的管接头和粘接剂以确保接口质量。
　　 管道与检查井的连接宜采用柔性接口，可采用承插管件连接。亦可采用预制混凝土套环连接，将混凝土套环砌在检查井井壁内，套环内壁与管材之间用橡胶圈密封，形成柔性连接。水泥砂浆与PVC-U的结合性能不好，不宜将管材或管件直接砌筑在检查井壁内。可采用中介层作法，即在PVC-U管外表面均匀的涂一层塑料粘合剂，紧接着在上面撒一层干燥的粗砂，固化20min后即形成表面粗糙的中介层，砌入检查井内可保证与水泥砂浆的良好结合，防止渗漏(图5)。对在坑塘和软土地带，为减少管道与检查井的不均匀沉降，一种有效的办法是先用一根不大于2m的短管与检查井连接，下面再与整根长的管子连接，使检查井与管道的沉降差形成平缓过渡。

图5

　　3.沟槽回填
　　 柔性管是按管土共同工作来承受荷载，沟槽回填材料和回填的密实程度对管道的变形和承载能力有很大影响。回填土的变形模量越大，压实程度越高，则管道的变形越小，承载能力越大，设计施工应根据具体条件慎重考虑。沟槽回填除应遵照管道工程的一般规定外，还必须根据PVC-U管的特点采取相应的必要的措施，管道安装完毕应立即回填，不宜久停再回填。从管底到管顶以上0.4m范围内的回填材料必须严格控制。可采用碎石屑、砂砾、中砂粗砂或开挖出的良质土。管道位于车行道下，且铺设后即修筑路面时，应考虑沟槽回填沉降对路面结构的影响，管底至管顶0.4m范围内须用中、粗砂或石屑分层回填夯实。为保证管道安全，对管顶以上0.4m范围内不得用夯实机具夯实。回填的压实系数从管底到管顶范围应大于或等于95%；对管顶以上0.4m范围内应大于80%；其他部位应大于等于90%。雨季施工还应注意防止沟槽积水，管道漂浮。
　　 4.管道的严密性检验
　　 管道安装后的严密性检验可采用闭水试验或闭气试验。闭气试验简便迅速，最能适合PVC-U管道施工速度快的特点，但目前尚无检验标准和专用的检验设备，待进一步研究。PVC-U管道的严密性优于混凝土管道，良好的橡胶圈接口可以做到完全不漏水。因之对PVC-U管道闭水试验的允许漏水量要严于混凝土管道，我国尚无具体规定，美国规定以每mm管径计算每km管道长24h的渗漏量应不超过4.6升，可借鉴使用。

四、PVC-U排水管道的应用发展前景
　　国内外的应用实践表明PVC-U排水管道有许多突出的优点，特别是重量轻、强度高、耐腐蚀、施工安装简便快捷，因之近10多年来发展迅速。一些发达国家在DN500mm以下的排水管道中已成为主流，而DN500mm以下的管道均占管网总长的70%以上，应用的覆盖面很广。目前国内适合于排水管道使用的各种异形管的生产厂已有10多家，管材生产具备了一定的规模。许多地区试点应用都取得了良好的效果，针对PVC-U管的应用技术已进行了大量的室内外试验研究，中国工程建设标准化协会标准“室外埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工及验收规程”也正在编制中。尽管有的管材价格还偏高，但其综合造价已接近混凝土管道。随着管材生产的发展和对PVC-U管的扩大推广应用，工程造价将会逐步降低而更加显示其良好的技术经济效益。PVC-U排水管道发展的条件已具备，应予积极推广。

作者单位：高复栋　(天津市市政工程研究院　300074)

参考文献
〔1〕 聚氯乙烯塑料管应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)加筋管工程应用研究报告，上海市政工程研究院，1997年9月
〔3〕 下水道用硬质盐化ビニル管の道路下埋设に 门　关す事研究报告书，国土开发技术研究センタ
〔4〕 PVC塑料管设计施工手册，Uni-Bell PVC管道协会编，建设部信息所译，1994年8月