大口径埋地塑料排水管道工程质量控制参数分析

张 强，韩 聪，李 彤，沈 浩，刘兴坡

（1.上海市排水管理处，上海市 200001；2.上海海事大学，上海市 201306；3.上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

1 概况

城市排水管道承担着城市的防洪排涝、污染治理等重要功能，是现代城市发展不可或缺的重要基础设施，我国传统的城镇排水管网以钢筋混凝土管为主，这种管道结构强度高、造价便宜，但耐腐蚀性差、接口不均匀、粗糙系数高、施工周期长。而埋地塑料排水管具有重量轻、施工便捷快速、耐腐蚀、管道内壁光滑流阻小、接口密闭性能好等特点。建设部于2004年发布的《建设部推广应用和限制禁止使用技术》的公告中明确：在城镇市政污水、雨水管道工程中推荐使用塑料管道，而直径不大于500 m m的平口、企口混凝土排水管限制使用，使得埋地塑料排水管，在我国城镇排水工程中得到广泛应用，特别是小口径的排水管道工程中使用率逐年攀升。

近十多年来在国内相关标准、规范和图集的指导下，小口径埋地塑料排水管道的应用日益成熟，施工经验不断积累、工程实例也逐渐增多，埋地塑料排水管道在排水管网工程中已经占有相当一部分的份额比例，也逐渐得到了项目建设单位、运行管理单位、咨询设计单位、行业专家和主管部门的认可。

埋地塑料排水管道工程目前绝大多数还是以开槽埋管的方式为主，与传统的钢筋混凝土排水管相比，材料的物理力学性能相差较大，设计和施工要求也与传统混凝土排水管道大相径庭。而大口径排水管网工程（排水管道直径不小于1 200 m m）通常埋深较深，管材承受荷载大，出于管道质量安全和使用寿命的考虑，在设计条件和施工经验尚不成熟的情况下，使用较多的仍然是传统的钢筋混凝土管道。

但大口径钢筋混凝土管在实际施工中，也存在自重量大、施工周期长、安装困难、易腐蚀等许多问题，在交通繁忙、施工场地条件复杂区域很难按设计要求实施到位，会产生各种问题和后遗症，一旦发生问题，解决代价又十分高昂。根据国外实践经验，正确设计和施工的埋地塑料排水管道与传统管道相比，具有施工快、寿命长、无渗漏、无污染等特点，为此进一步深入地研究大口径埋地塑料排水管道应用的设计、施工等一系列关键技术，具有十分重要的意义[1,2]。

2 大口径埋地塑料排水管道应用面临的问题

（1）设计理论计算依据不充分。

我国现行的埋地塑料排水管道规范主要是参照上世纪90年代美国、欧盟和澳大利亚等国外的相关规范标准，适用于管道直径1 000 m m及以下的排水管道，大口径埋地塑料管道的理论计算仅是参照执行。

（2）缺乏足够的实验数据。

我国上世纪90年代，曾由相关单位开展埋地塑料排水管的管土共同作用的实验研究，模拟现场条件下不同载荷和回填方式对管道变形影响。但当时沙箱实验尺寸过小，最大只能进行直径400 m m管道，且回填材料上部加载最大载荷仅为10 t力，难以模拟大口径埋地塑料排水管工况条件下的应力应变关系。

（3）材料产品质量参差不齐。

随着埋地塑料排水管市场应用量逐年上升，有些企业为了追求利润，使用过量的回料甚至不合格原料，造成产品质量水平参差不齐。

（4）施工达不到规范要求。

对于强调管土共同作用的埋地塑料管道工程，施工方法、质量的优劣直接影响到管道的受力状态，施工回填应严格按照施工规范的相关要求执行。而实际施工过程中为了施工方便，不按规范要求施工回填，往往是造成工程质量问题的主要原因。

3 规范设计理论分析

埋地塑料排水管道工程的质量和使用寿命与管道变形率有密切相关，也是目前工程验收的一个主控指标。目前国内埋地塑料管道变形理论公式是按《埋地塑料排水管道工程技术规程》（CJJ143）的规定进行设计计算，其竖向变形量按式（1）计算：

式中：ωd,max为管道在组合作用下最大竖向变形量（m m）；Kd为管道变形系数，根据土弧基础计算中心角2α取值；DL为变形滞后效应系数，根据管道胸腔回填密实度取1.20～1.50；ψq为可变荷载准永久值系数，取 0.5；Sp为管材环刚度（kN/m2）；Ed为管侧土的综合变形模量（kN/m2）；D1为管道外径（m m）。

根据公式分析，影响管道变形率的主要有3个因素：管道荷载、管道环刚度Sp和管侧土的综合变形模量Ed。而管道荷载主要与管道覆土深度有关系，Sp属于管材的力学性能，Ed与地质条件和管道的回填情况有关。

4 试验研究分析

埋地塑料排水管道是埋置在土壤里的柔性管道，其受力情况与混凝土管道不同，是由管道结构本身环刚度与管周的土体紧密结合形成土拱共同受力，即埋地塑料排水管道与管周土壤介质构成了一个异性体的超静定结构体系，一般称为管土体系，埋地塑料排水管的结构力学计算就是建立在这个体系基础上。

（1）沙箱试验系统简介

为了尽可能真实模拟大口径埋地塑料管道的工程条件和不同受力工况，本试验系统主体结构由四立柱门式框架结构压力试验机、液压加载装置及油路、风冷却器、变形传感器、力传感器及信号处理控制系统等组成。该系统最大理论试验载荷200 t，设计连续保压时间60 d，变形测量精度0.001 m m，沙箱试验系统有效工作空间为6 m×2 m×3.4 m，沙箱试验系统现场见图1。

图1 沙箱试验系统现场照片

其中沙箱两侧设置沙袋，内填黄砂模拟沟槽两侧原状土，沙箱中部预留沟槽开挖、回填的施工空间和塑料管管道安置空间，其剖面见图2。

图2 沙箱试验系统装置剖面图

该沙箱试验系统可用于模拟研究在不同管道材料、覆土深度、管道直径、回填的工况条件下，埋地塑料排水管的受力和变形情况。

试验主要分为两种：一是符合性试验，二是回填对比试验。

（2）符合性试验

符合性试验以H DPE双壁缠绕管为试验管材，利用沙箱试验系统，在规范规定的回填条件下，模拟埋地塑料排水管道的实际受力状况，检验管道在不同埋深、不同环刚度、不同管径情况时对应的直径变形率。

a.管道的埋深与管道变形率关系

从图3可知，在同种规格、同种管材工况下，当荷载（埋深）增加时，管道竖向直径变形率随之增大以DN1200管道为例，经荷载换算后，当埋深由3.0m增至8.0m时，其变形率由0.40%增加至1.36%。

b.管道的环刚度与管道变形率关系

图3 荷载（埋深）与管道直径变形率关系图

按图4，在荷载、覆土高度和管道公称直径（DN1200）一定的情况下，管道竖向直径变形率随管道环刚度的增加而降低，选择环刚度较大的塑料排水管道，可以使管道在承受较大荷载时有较小的竖向直径变形率。

图4 环刚度与管道直径变形率关系图

c.管径与管道直径变形的关系（见图5）

图5 管径与管道直径变形率关系图

在荷载不变的情况下，通过对管道直径为DN1 200、DN1 400和DN1 600等不同管径、不同荷载下的变形率的数据分析来看，管径与管道的竖向直径变形率未出现线性规律，说明在相同的工况条件下，管道竖向直径变形率并不随管径增大而增大。

（3）回填对比试验

埋地塑料排水管道属于柔性管道，该类管道是通过与管周土体形成土拱共同受力的，为此埋地塑料排水管道工程的回填至关重要，将直接影响到管道土压的状态，对工程的质量和使用寿命影响非常大。

根据埋地塑料排水管道的施工验收规范，沟槽回填要对称回填，分层夯实，回填区域可以分成3个区域，即有效支撑角范围、管道两侧范围和管顶以上50 cm范围，见图6。

图6 沟槽回填范围示意图

以DN1200的H DPE双壁缠绕管为试验管材进行回填对比试验，对上述3个区域的不同回填密实度，进行对比试验如下。

a.有效支撑角范围回填

沟槽内其他部位密实度一致，仅改变管道有效支撑角范围层砂土的密实度，当施加相同的荷载压力时，增大管道有效支撑角范围层的回填土密实度，管道的整体竖向直径变形率明显降低，见图7。

图7 有效支撑角范围变形率对比图

b.管道两侧范围

沟槽内其他部位密实度一致，仅改变管道两侧回填砂土的密实度，当施加相同的荷载压力时，增大回填土密实度，管道的整体竖向直径变形率明显降低，见图8。

图8 管道两侧范围变形率对比图

c.管顶以上50 cm范围

保持有效支撑角范围和管道两侧回填的密实度一致，仅改变管顶以上50 cm的密实度，该区域密实度对管道直径变形的影响见图9。

图9 管顶以上50 cm范围变形率对比图

当施加相同的荷载压力时，增大管顶以上50 cm回填土密实度，管道的整体竖向直径变形率明显降低，且密实度越大，竖向直径变形率降低越为明显。

综上，通过多组试验数据分析，沟槽回填对管道变形直径变形率影响非常明显，密实度相差5%，而变形率却是成倍的变化，可见沟槽回填密实度是大口径埋地塑料排水管道施工的主要控制指标。

（4）效益分析

从图4可以看出，管材环刚度等级由8 kN/m2提高到10 kN/m2和12.5 kN/m2时，管道变形率变小的数值并不明显，但对于大口径的埋地塑料管提高一个环刚度等级，成本往往要增加10%～20%左右，且成本随着环刚度等级高还增加越多，因此单一追求环刚度，经济成本太高，且综合经济效益还不明显。

从图7～图9可以看出，当回填密实度仅仅提高5%，管道的变形率却可以大幅降低，而成本却没有太多增加。

从综合经济效益的角度，在大口径埋地塑料排水管道的工程实际应用中，不应片面追求管材的高环刚度，而应更加注重把控工程沟槽回填质量或通过其他地基处理措施提高管侧土的综合弹性模量Ed方式，可以更加有效地降低管道直径变形率，提高工程质量。

5 结论

（1）大口径埋地塑料排水管道的竖向直径变形率与管道埋深成正比关系，随着埋深及管道的荷载增加，管道竖向直径变形率会随之增大。

（2）大口径埋地塑料排水管道的竖向直径变形率与管道的环刚度成反比关系，当管道的环刚度越大，管道竖向直径变形率越小，但提高环刚度等级，管道成本增加较多，经济效益不明显。

（3）大口径埋地塑料排水管道作为柔性管道，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，管道的直径变形率的数值相差会达到1～2倍以上；在回填部位的选择上，有效支撑角范围内回填密实度对管道的竖向直径变形率影响最大。

（4）综合考虑工程的经济效益，大口径埋地塑料排水管道在工程应用中，应严格把控施工沟槽回填环节的质量，提高沟槽回填密实度指标可确保工程质量，保证管材使用安全。