浅谈沿海地区排水管道设计

2011-09-06郭克芬

黑龙江交通科技 2011年6期

关键词：沿海地区

郭克芬

(唐山市交通勘察设计院有限公司)

浅谈沿海地区排水管道设计

郭克芬

(唐山市交通勘察设计院有限公司)

摘要:以唐山曹妃甸工业区A3路排水管道设计施工为例，根据现场勘查结果，对排水管道管材的选用及沟槽开挖、回填处理进行分析，提出沿海地区管道基础处理方案及新型排水管材的应用。

关键词:塑料排水管道;沿海地区;环钢度

基于城市建设条件，在地质条件较好的地区，排水管道采用普通管材和通用的基础处理措施就可以，但是在沿海地区，大部分场地为滩涂或吹填造地区域，地质条件较差，排水管道采用常规做法不可取，尤其是一般的钢筋混凝土管不能达到设计年限要求。例如:在早期的京唐港道路配套排水管道建设中使用的传统Ⅱ级钢筋混凝土管，在运行五年后，经实地调查，管壁已经出现蜂窝状，因此沿海排水管道选材应选择防腐、耐盐碱的管材。

目前市场上常用新型的排水管材有硬聚氯乙烯(PVCU)排水管材和高密度聚乙烯(PE)排水管材。

硬聚氯乙烯管材低温抗冲击性能较差，使其在北方寒冷季节的施工受到一定限制。每个工程都有其建设进度安排，不可能因为气温低而停止施工，因此该管材在唐山曹妃甸的建设中的使用有较大局限。而高密度聚乙烯(PE)管材内壁光滑、强度高、重量轻、耐腐蚀、寿命长，使用寿命高达50年以上，由于其重量轻的优点，在大口径的排水管道中是很好的替代产品且施工管理方便，降低了施工费用。PE管材有一定的抗弯、抗压、耐冲击能力，对于软土地基及不均匀沉降的地段更适宜用，在这方面，优势明显高于钢筋混凝土管道，在具体的工程施工中已经充分证明了这一点。

1 塑料排水管道的特点

塑料排水管刚柔兼备，环刚度和柔韧性能优良，良好的环刚度可保证管道敷设路面的重载通行安全，不会因管道破裂导致路面塌陷。其柔韧性可克服地震、地面不均匀沉降造成的破坏力，提高了设施的可靠性，因此适合各种条件下使用，优良的抗腐蚀性使管材适合于大多数化工废水和其他污水、雨水的收集。

使用中不需要混凝土基础，可以边开挖、边下管、边回填，极大的缩短了工期，减少了施工费用。管沟开槽宽度较其他管材可减少20%，减少大量施工土方量，节省劳动力，降低了施工难度和劳动强度。管道埋设在地下，由于管土共同作用，可提高管材的抗变形能力，因此管道回填应严格按施工要求进行。

2 塑料管道设计的关键——环刚度选择

环刚度是塑料埋地排水管(新型管材均可认为是塑料排水管)抗外压负载能力的综合参数，为了保证塑料埋地排水管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。

外压负载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静负载，以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂，因为塑料管属于柔性管，在外压负载下管材和周围的土壤(回填材料)产生管土共同作用。换句话说，是管材和周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的三个重要参数为负载、管材和土壤(回填)，而且三者之间相互影响。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤(回填材料)的情况。根据世界各国的经验，塑料埋地排水管在外压负载下是否能够安全使用的因素中，铺设情况是最主要的。如果铺设情况比较好，环刚度较低的管材也不会有很大变形;反之，如果铺设情况不好，即使用环刚度比较高的管材也可能变形过大和出现压屈失稳。但是，要保证铺设情况良好就要有较好的地质条件及回填材料，这在沿海地区很难达到，过度的重视地基条件的处理会造成建设成本的过多增长。

结合唐山曹妃甸工业区设计及施工经验，建议在设计塑料埋地排水管时，考虑在项目建设成本增加不大的情况下，尽量选择较高的环刚度。一般选用情况如下。

直径在600 mm以下塑料埋地排水管:一般要选择环刚度在8～10 kN/m2的，只有在地质条件好又没有运输车辆负载的采用环刚度4～8 kN/m2的。

直径在600～1 200 mm的塑料埋地排水管:尽量选择环刚度10～12.5 kN/m2的，如果选择环刚度10 kN/m2以下的要经过结构设计计算(变形验算，压屈失稳计算)并严格控制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等)。

直径800 mm以上的塑料埋地排水管:重要工程推荐使用环刚度较高(环刚度12.5 kN/m2以上的)的金属增强复合缠绕管。如果使用环刚度较低(环刚度8 kN/m2以下)的热塑性塑料管，务必要经过结构设计计算(变形验算，压屈失稳计算)并严格控制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等)。塑料管道施工必须确保回填质量，回填土密实应符合下列规定:主管区的回填土密实度不应小于95%(按轻型击实标准，下同);管道宽度以外次管区的回填土密实不应小于90%。

下面就唐山曹妃甸工业区A3路工程为例，介绍一下排水管道设计要点。

3 塑料管道应用实例

唐山曹妃甸工业区现状场地为吹填砂造地形成的，道路路基施工设计一般换填高度为地面以下3.5 m，但排水管道尤其是污水管道，深处可达6～7 m深，因此管道基础也要换填处理，以达到足够的地基承载力要求，防止道路不均匀沉降及跑管情况。

下面以在唐山曹妃甸工业区A3路工程中的污水管道设计为实例，进行排水管线的综合设计分析。

3.1 地层组成

该场地位于曹妃甸沈阳东道附近，地势较为平坦，为海相沉积平原地貌。地层以填筑土、吹填砂、淤泥质亚粘土和亚粘土为主。地表为吹填土，地表高程4.0～4.5 m。

3.2 不良地质现象

拟建道路路基地表为松散状态的填筑土或吹填砂，土质不均匀，物理力学性质不稳定，受外力作用变形较大。场区内第①层吹填砂为可液化土层，液化等级为中等—严重。第②层淤泥质亚粘土为软土层，该层土具有含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、易蠕变、触变、较低承载力等特点，该层物理力学性质较差，在地震力的作用下可能发生震陷不利因素。

地勘资料表明，拟建道路场地土不能作为天然路基土使用，鉴于该吹填砂段软弱土层的厚度较大的实际情况，本段道路路基采用挖、挤、清相结合的方法清除路基范围内吹填砂，分层回填山皮石或粗砾石方法进行路基处理，填筑路基和挤清淤泥同步进行。

3.3 设计排水管道所用材料

根据本项目区的地质特点及管道埋深，污水管选用PE塑钢缠绕排水管，具体环刚度的选择如下:管径＜600 mm，环刚度≥8 kN/m2，管径≥600 mm，环刚度≥12.5 kN/m2。

3.4 与普通混凝土管道的区别

(1)沟槽开挖差异

A3路上设计塑料排水管道沟槽开挖方式。

由于塑料排水管道的重量较轻，为了更好的在沿海等地下水位高的地区有效防止地基不均匀沉降对管道的破坏，设计中在管道底部及两侧需敷设土工布以防止管道漂浮，同时，在沟槽底部采用粗砾石对现状吹填砂地基进行换填。

虽然塑料管道开挖断面较普通材料断面大，但由于其质量轻。施工难度小，施工人员安全有保障。

而在唐山市区，由于地质条件好，沟槽开挖及回填方式如下。

从沟槽开挖及回填断面来看，曹妃甸工业区内道路管线基坑的开挖断面、开挖坡度及管底换填深度均较市区内大得多，目的就是确保基坑边坡的稳定要求，及提高基底的地基承载力，尤其个别地段还需要先期进行地基换填处理，再反开挖进行管线施工，施工难度更大，重型施工机械不宜进入，因此，较轻的塑料管道施工比钢筋混凝土管道在组装方面就显得较为容易。

图1 开挖及回填方式

(2)管道耐腐性及施工差异

结合沿海地区的施工特点，PE塑钢缠绕排水管就是混凝土排水管道很好的替代产品。且由于曹妃甸地区多为吹填砂造地区域，地形平坦，塑料排水管道内壁光滑，粗糙系数低(仅为0.009～0.01)，与混凝土管相比，根据曼宁公式，在相同条件下(管径、坡度、充满度等相同)，相同管径时污水输送能力比钢筋混凝土管增大40%，换言之，在相同流量、坡度下，敷设的管道管径可以降低或者降低管道坡度及埋深，施工降水的难度大大降低。