南阳膨胀土地区给排水管道设计探讨

黄 静，师文龙，巩师俞，龚智雄

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100034）

1 引言

膨胀土是一种同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土，其黏粒成分主要由亲水性矿物组成[1]。膨胀土的活动性很强，对环境变化的影响极为敏感，不同建筑物的规模、使用要求、场地属性、地下水位情况以及防护区内埋地给排水管道泄漏等都会影响下方的土层温湿度，造成建筑地基、地下管线总变形和差异变形，从而对建筑物地基、埋地给排水管线造成破坏，且难以修复。因此，对膨胀土的危害应遵循“预防为主，综合治理”的原则。

膨胀土成因类型、矿物组成复杂且地区差异性较大，当前，我国对膨胀土的胀缩机理的研究和认识尚处于逐步提高、统一认识的阶段[1]。在设计标准、技术规范方面，除国标GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》外，一些地方也根据当地膨胀土情况制定了相应的技术规程，如DB 45/T 396-2007《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》、DBJ 53/T-83-2017《云南省膨胀土地区建筑技术规程》等，使设计人员有据可循。但总体上，相对于技术成熟的地震区、湿陷性黄土地区来说，膨胀土地区给排水管线的设计存在技术标准、具体实施不明确等问题。

河南省南阳盆地是我国典型的膨胀土地区之一，膨胀土占南阳盆地面积的65%，广泛分布在二级阶地和丘陵漫岗[2]。本文从膨胀土对给排水管道的影响分析入手，以南阳地区为例，探讨膨胀土地区给排水管道设计的要点，以期为类似工程提供设计参考。

2 膨胀土对给排水管线的影响

2.1 埋地给排水管道的受力分析

根据膨胀土的性质和相关实验证明，当膨胀土胀起而被完全约束时，将产生最大的膨胀压力；相反，当允许膨胀土自由移动时，产生最小的膨胀压力[3]。管道在埋深一定，土质稳定的情况下，作用在管道上的压力处于平衡状态。

Pp-管道下方土体对管道产生的向上垂直力（kg）；P1-管道上方覆土重力（kg）；P2-管道含水自重。

膨胀土层中含水量的季节性变化导致管道下方土层产生膨胀-收缩-再膨胀-再收缩往复可逆变形。在土体剪切压力Pp作用下，轻者使管道产生线性位移，严重者导致管道渗漏或断裂，甚至影响周围建筑物的基础。研究发现[4]，膨胀土中的线性膨胀率较收缩率小，膨胀土失水收缩给管道带来的危害，远大于吸水膨胀的危害。卢冰等人在对南阳膨胀土地区房屋开裂的原因研究中发现[2]，1978年南阳西郊大规模房屋建筑开裂破坏的根本原因在于持续干旱，膨胀土收缩，也印证了此观点。

2.2 不同因素对膨胀土地区给排水管线的影响

（1）当地气象条件

大气影响深度是指在自然气候影响下，由降水、蒸发和温度等因素引起地基土壤所变形的有效深度[1]，无资料时，可按GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》表5.2.12选用。大气影响急剧层深度是指大气影响特别显著的深度，可按大气影响深度值乘以0.45采用。以南阳地区为例，南阳地区土的湿度系数为0.80，当地大气影响深度为3.5 m，大气影响急剧深度为1.575 m。室外埋地给排水管线宜深埋，尽量敷设在大气影响急剧深度以下。

除大气影响深度外，常年地下水位深度也是影响膨胀土地区管道敷设深度的重要指标。常年地下水位较高（一般在基础埋深标高下3 m以内）时，由于毛细作用图中水分基本是稳定的，胀缩可能性极小，可按一般天然地基进行给排水管道设计。

（2）场地土质情况

膨胀土的膨胀潜势按表1分类。

表1 膨胀土的膨胀潜势分类

不同场地的膨胀土膨胀潜势不尽相同，给排水管道系统设计采用的技术措施也不同。在进行膨胀土地区给排水管道设计时，设计人员应注重场地地勘资料，除了常规的水文地质条件、抗震设防烈度、冻土深度等外，也要关注自由膨胀度等岩土设计参数，与结构专业共同确定管道基础的处理方案。

（3）场地绿化

景观绿化不仅对人类的生存和身心健康有重要的社会效益，对膨胀土地区的建筑基础稳定和地下管线敷设也有着举足轻重的意义。研究表明[2]，树木生长期根系的吸水强度远大于土壤水分蒸发的强度，在建筑物或者埋地管线附近种植高大树木，其往往容易受到比较严重的破坏。所以，在膨胀土地区，埋地给排水管线两侧附近不可种植大树，尤其是桉树、木麻黄等速生树种，避免树木根系吸水导致土壤膨胀。

（4）结构基础形式

在膨胀土地区，建筑物基础形式的不同，对给排水管线设计也提出了不同的要求。对于采用满堂基础的建筑物，可视为完全消除膨胀性，室内部分给排水管线可不做特殊处理，室外埋地管道距离建筑物外墙基础外缘的净距不应小于3 m，管道接口部位应采取防渗漏措施，不满足距离要求范围内的给排水管线宜敷设在防渗沟内。对于采用其他基础形式的建筑物，虽然结构设计时已消减了基础下方膨胀土的胀缩性，但考虑到埋地管道的漏损，给排水管道设计时宜采用防渗管沟等防水方式，提高基础的安全稳定性。

3 膨胀土地区给排水管道设计要点

3.1 室内给排水管道设计

室内正负零以上的给排水管道宜明装，暗设管道必须设置便于检修的设施。室内给水管道应根据便于及时截断漏水管段和便于检修的原则，在干管和支管上适当增设阀门。超过30 m长的架空横干管应采用补偿装置增加管道的可挠性。管道接口应严密不漏水，并具有柔性。设计时需协同建筑、工艺等专业，将首层的用水点集中设置，尽可能的缩短埋地管线的长度，一般在地下室不宜设置卫生间。必须设置卫生间时，其粪便污水应采取隔离措施单独提升排出；其余生活、生产废水可采用排水沟收集，经集水坑内提升排出，集水坑应做好防水防腐处理，不得漏水。屋面雨水宜采用外排水，尽量明装，当采用有组织外排水时，宜选用耐用材料的管道，末端距离散水地面不应大于300 mm。

室内埋地管道宜敷设在防渗管沟内，若采用综合管沟，应考虑防止污染的措施，且应采取防止地面水及雨水流入沟内及检漏井内的措施。埋地管道穿过建筑物基础或墙时，应预留孔洞。洞与管沟或管道的上下净空不宜小于100 mm。洞边与管沟外壁应脱开，其缝隙应采用不透水的柔性材料封堵。柔性材料可采用发泡聚乙烯或聚氨酯等材料。

3.2 室外给排水管线的设计

3.2.1 管道平面位置的确定

室外埋地给排水管道应沿区内道路敷设并布置在防护范围外，宜敷设在人行道、慢车道或草地下，室外给水管道与其他管线及乔木之间的最小净距，应符合GB5 0015-2019《建筑给水排水设计标准》附录E的规定，室外排水管道不应布置在乔木下面。

对于埋地给排水管道与建筑物之间的防护距离要求，GB5 0112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》中规定，地下给排水管道距离建筑外墙基础外缘的净距不应小于3 m。DBJ 53/T-83-2017《云南省膨胀土地区建筑技术规程》与国标保持一致。DB 45/T 396-2007《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》中要求大型给排水管沟应设在场区边缘，室外排水管沟应远离建筑物（不小于6 m）。可见，在给排水管道平面布置时，应充分考虑地方规定及工程经验，合理确定防护距离，地方无相关规定时，可按国标规定执行。对于防护距离要求内的给排水管线宜敷设在防渗管沟中，防护范围外的管道，采用管道直埋的方式。

3.2.2 管道埋深的确定

膨胀土地区室外埋地给排水管道的覆土深度，应根据大气影响深度、土壤冰冻深度、车辆荷载、管道材质及管道交叉等因素确定。当膨胀土埋藏较深或地下水位较高时候，管道可浅埋；反之，管道宜埋设在大气急剧影响深度层以下。

3.3 埋地给排水管道技术措施

3.3.1 钢筋混凝土防渗管沟

对于室内埋地给排水管线、防护范围以内的室外埋地管线、高膨胀地区室内外埋地给排水管线，宜采用钢筋混凝土防渗管沟，并应设置检漏井。管沟在长度方向上每30～40 m设伸缩缝，并在管沟最低处和伸缩缝前设检漏井。检漏沟的宽度应能满足管道检修空间的要求，一般为D+600 mm（其中，D为管道外径）[3]，也可参考湿陷性黄土地区检漏沟的做法，但需要结构专业进行核算，以免过度设计造成不必要的浪费。检漏沟应做防水处理，对于直径较小的管道，当采用管沟确有困难时，可采用金属或钢筋混凝土套管。检漏管沟的沟底坡度不宜小于0.02，坡向室外检漏井，检漏沟穿出外墙的施工缝，宜设在室外检漏井处或超出基础3 m处。检漏井内设集水坑，其深度不宜小于300 mm。

3.3.2 管道沟槽换填

对于防护区范围外的埋地给排水管道，可采用沟槽换填的方法消除及减小膨胀土的胀缩变形。管道沟槽换土是指全部或者部分挖掉膨胀土，换填砂土、灰土，使基础胀缩变形得到消除和减小的一种常见的膨胀土地区管道基础的处理方法。在换土法实施过程中，需要进行必要的胀缩变形计算，以便合理确定换土厚度，保证剩余膨胀土的胀缩变形满足相关标准[5]。另外一种局部换土的方法，可在基础下方设置隔水防渗层，隔水层可采用300 mm厚的3：7灰土或者采用防水油毡等柔性防水材料，防水层宽度范围为二倍的管道直径，管道周围300～400 mm范围内回填砂等非膨胀性材料[3]。

3.4 管材的选择

在膨胀土地区，给排水管道材料应经久耐用，管道质量应高于一般地区要求，管道接口应严密不漏水，并具有柔性。

对于给水、消防等压力管道，宜选用球墨铸铁管、钢管、PE给水管、预应力钢筋混凝土管等，除钢管、PE管外，管道接口均采用承插式橡胶圈接口。对于重力流管道，宜采用机制排水铸铁管、PVC-U双壁波纹管、PE排水管、PE缠绕结构壁排水管、玻璃钢夹砂排水管等，管道接口采用承插式橡胶圈接口。

4 南阳膨胀土地区给排水管道设计实例

4.1 项目概况

某项目位于南阳，根据地勘成果及区域地质资料分析，拟建场地存在的特殊性岩土为人工填土和膨胀性土。其中，场区人工填土层普遍分布，主要为粉质黏土填土①层，层厚0.30～1.00 m。粉质黏土②层和粉质黏土③层均为膨胀土，其中粉质黏土②层自由膨胀率70%～89%，平均77%；粉质黏土③层自由膨胀率71%～90%，平均80%，具有中等膨胀潜势。本场地岩土工程勘察期间，20 m深度内未见地下水和上层滞水。

4.2 室内外给排水管道设计要点

本项目单体内正负零以上的给排水管线设置在水管井内，水管井按层设置检修门，首层给排水点位集中设置，室内埋地给排水管道、距离建筑基础外缘3 m以内的室外埋地给排水管道均设置在钢筋混凝土防渗管沟内，管沟尺寸为宽度为D+600 mm，最小宽度为1 m，深度为600 mm，给水、消防等压力管道与重力流排水管道分沟设置。局部管径小于等于75 mm的排水管道做沟困难的，采用大于管道直径两倍的C20钢筋混凝土套管包封，套管两端采用不透水的柔性材料封堵。经结构专业核算后，防渗管沟做法参考GJBT-739（04S531-2）《湿陷性黄土地区给水排水检漏管沟》。管沟内设0.02的坡度坡向室外检漏井，在检漏井前设施工缝，检漏井内设深度为300 mm的集水坑。屋面雨水采用外排水，末端距离散水200 mm。

地勘显示项目所在地冻土为0.1 m，南阳地区的大气急剧影响深度为1.575 m，给排水管线宜埋设在大气急剧影响深度以下，然而埋深加深带来造价的增加，经管线综合及结构计算后，本项目给水、消防等压力管线埋深为1.2 m，排水干管起点埋深为1.55 m，管道下方0.5 m范围内换填为非膨胀性土。管道及附属构筑物的基础，采用夯实300 mm厚土垫层，上设300 mm厚的3：7灰土隔水防渗层。室外雨水采用排水明沟，沟底坡度不小于0.005。

本项目室外给水、消防、压力废水管道采用给水球墨铸铁管，管道接口为承插式橡胶圈接口，接口处采用混凝土枕基以保障管道接口严密性。重力流排水管道，采用PE缠绕结构壁排水管，管道环刚度为SN8.0，管道接口采用承插式橡胶圈接口，采用混凝土条形基础。

室外阀门井、消火栓井、检漏井、排水检查井、隔油池、降温池、化粪池等室外给排水附属构筑物等均做防水处理，并采用钢筋混凝土材质。

5 结论

（1）在膨胀土地区，影响给排水管道设计的主要因素有当地气象条件、场地土质情况、场地绿化、建筑物基础形式等，其中大气影响深度、常年地下水位深度对于管道的埋设深度有重要影响，设计时应充分考虑。

（2）在给排水管道平面布置时，应结合地方规定及当地设计经验，合理确定防护距离，地方无相关规定时，可按国标规定执行。

（3）对于室内埋地的给排水管道、防护范围之内室外埋地给排水管道、中高膨胀地区、建筑标准高的低膨胀地区的室内外埋地管道可采用设置钢筋混凝土防渗管沟、检漏井等技术措施，通过长期定时检修和维修，保障管道安全运行。对于防护范围之外的埋地给排水管道可采用管道沟槽换填、基础下设隔水防渗层等技术消减膨胀土的胀缩性能，提高工程可靠性。

总之，我国膨胀土分布广泛，成因类型、矿物组成复杂且地区差异性较大，设计师在进行给排水管道设计应充分吸纳当地设计经验，结合场地地勘资料，合理确定给排水管道管材、敷设方式、管基处理方式等，确保工程技术可靠，经济合理。