管道修复人的圈子

引 言

排水管道在城市的防洪排涝、污水治理中扮演着重要的角色。我国传统排水管道以混凝土管道为主，主要原因在于混凝土管强度高、造价便宜。但近些年对老旧城区已建排水管线的改造中，发现混凝土管道腐蚀程度极为严重，存在着极大的安全隐患。对此，管道耐久性设计已经得到行业专家及运行管理部门的高度重视。因而，带内防腐的混凝土管道应运而生，但由于内防腐的增加，混凝土管道造价不再占有优势。因此，塑料管道以其良好的耐腐蚀性、防渗性能，在中小管径的排水管道中则应用得越来越广泛。

塑料管道在市政排水工程中，以聚乙烯管材为主。根据生产工艺分为双壁波纹管、缠绕结构壁管及钢带增强螺旋波纹管等。其中，环刚度作为塑料管道出厂的重要指标，从而引起设计人员的高度重视。但是，由于很多设计人员对塑料管道结构认知不足，又无标准图集供选用，认为环刚度越大，管道结构越安全，一味地选用大环刚度的塑料管道，造成了不必要的资金浪费。因此，合理地选用管道环刚度对结构安全及经济效益有着重要的意义。现通过大量计算对聚乙烯塑料管道在不同环刚度及管侧土的综合变形模量下适用的管道覆土范围进行整理总结，以方便设计人员进行选用。

1.计算原理

1.1 计算方法简介

塑料管道属柔性管道，其支承作用在管顶上土荷载的能力需控制管环的垂直向变位，而管环的垂直向变位取决于管环刚度和管两侧土的弹性抗力，也就是管土共同作用来支承的^[1]。埋地柔性管道的内力计算，国际上主要采用两种方法，一种为美国斯潘格勒 （M.G.Spangler） 模式 （简称斯氏模式），另一种为德国 ATV 模式（德国水处理管理协会）。两种模式的主要不同点为 ATV 模式考虑了主动土压力，而斯氏模式没有考虑；在垂直土压力计算方法上，斯氏模式按管顶部管道直径宽的土柱重量考虑，ATV 模式则又考虑土与沟槽的摩擦力^[1]。我国 GB 50332—2002 中规定埋地柔性管道在组合变形下的变形量按斯氏公式计算。

1.2 影响因素

塑料管道结构计算，主要为管道环截面强度计算、管道环截面压屈失稳计算、管道抗浮计算及管道环截面变形验算。根据设计经验及大量的计算，在相同的设计条件下，管道环截面变形达到限值时，管道环截面强度及管道环截面压屈失稳均有足够的富裕度，而管道在一定覆土下，管道抗浮并不会起控制作用。因此，管道环截面变形为主要控制指标。

管道环截面变形率公式如下：

式中：DL 为变形滞后系数，取值 1.2～1.5；Fsv，k 为竖向土压力标准值 （kN/m）；Kd 为管道变形系数；Ψq为可变荷载准永久值系数，取 0.5；Ep 为管材短期弹性模量（MPa）；Sp 为管材环刚度（kN/m²）；Ed 为管侧土的综合变形模量 （MPa）；γs 为回 填 土 重 度（kN/m³）；Hs 为管道顶覆土厚度 （m）；D1 为管道外径（m）。

由公式（1）、（2）、（3）导出式（4），如下：

由式（4）可知，在外部荷载条件相同情况下，管道环截面竖向变形率与管材环刚度、管侧土的综合变形模量及管道变形系数有关。其中：管材环刚度为管道出厂时的质量控制指标；而综合变形模量主要取决于原状土变形模量、回填土变形模量及槽宽与管道外径比值；管道变形系数取决于敷设基础中心角度。

2.塑料管适用的管顶最大覆土范围

2.1 控制指标的确定

塑料管道设计及施工中存在一些不确定因素，例如：（1）塑料管道壁厚由厂家提供数据，而设计阶段很难确定厂家，因此在计算管道外径时，均按公称直径考虑；（2）活荷载的随机性可能导致管道竖向变形量的不均匀，从而导致管道坡度发生一定量的变化；（3）施工质量可能产生的瑕疵等。由于上述不利因素的存在，管道竖向变形率按规范限值的 80%考虑，即管道竖向变形率按 4.0%控制。

2.2 计算结果统计

在管道竖向变形率 4.0%控制下，活荷载按城市 A 级及堆积荷载 10 kN/m2 取大值考虑，聚乙烯塑料管道在不同环刚度、管侧土的综合变形模量及敷设基础中心角度（2α 30°）下适用的管顶覆土最大允许范围见表 1 所列。

表 1 管顶覆土最大允许范围一览表 m

3.管侧土的综合变形模量的确定

3.1 管侧土综合变形模量的计算

管侧土的综合变形模量按下列公式计算：

式中：ξ 为综合修正系数；α1、α2 为与 Br（管中心处槽宽）和 D（1 管外径）的比值有关的计算参数见表2 所列，中间值可进行内插计算。

表 2 计算参数 α1 及 α2 一览表

3.2 常用管径管侧土的综合变形模量

为方便设计人员合理地选用聚乙烯塑料管道，现提供常用管径管侧土的综合变形模量，详见表 3 所列。选用时，管道开槽宽度应满足《北京市给水排水管道工程施工技术规范》DBJ 01- 47—2000的要求。根据现行规范提供的回填土变形模量，当敷设基础中心角 2α 30°=180°时，回填土变形模量取 Ee=7 MPa，当敷设基础中心角 90°≤2α 30°≤150°时，管侧回填材料与规范要求可能存在一定的差异，为保证结构安全，回填土变形模量取 Ee=5 MPa^[3]。

表 3 常用管径的综合变形模量 Ed 一览表

确定管侧土的综合变形模量后，即可按表 1选用管材环刚度及适用覆土范围，中间值可按内插法计算覆土范围，取 0.5 m 的倍数；当采用其它规格的聚乙烯塑料管道及开槽宽度不同时，可根据式（5）、（6）进行计算侧土的综合变形模量。

4.结 语

（1）沟槽回填的质量对管道竖向直径变形率影响很大，当回填密实度相差 5%时，管道的直径变形率数值相差会达到 1～2 倍以上^[4]。因此，在采用本文中数据时，在施工中，应严格控制施工质量，回填材料及压实度应满足施工验收规范要求。

（2）管道位于车行道下，铺设后即修筑路面，宜采用中、粗砂分层回填至管顶以上 500 mm^[4]，大部分市政排水管道均属于此种情况，在当地经济允许的情况下应尽量满足，有利于控制管道变形及路面沉降，管道最大覆土允许范围可按 180°中粗砂基础选用。

（3）根据表 1 环刚度同样会影响管道竖向变形率，但提高环刚度等级，管道成本增加较多，经济效益较差，建议根据当地情况，优先采用较大的敷设基础中心角。当工程规模较大时，建议根据设计条件分段选用环刚度；当采用大环刚度时，应与管道包封等措施进行造价比选。

（4）SN6.3 及 SN12.5 为非常规环刚度，选用时应慎重，设计前应提前与当地厂家进行沟通。

（5）由于国内生产厂家及施工企业参差不齐，设计时，应根据经验适当预留安全度。

摘自：城市道桥与防洪