新型承插式雨污水管柔性接口防渗漏技术研究

陈 超

(中电建路桥集团有限公司西部公司，四川 成都 610095)

0 引言

承插式接口已经大范围的应用在城市给排水管道接口对接中，对于焊接或平口、企口缝接口而言，承插式接口施工更为便捷、可操作性更强。我国的水泥管给排水管道发展从20世纪60年代就已经开始针对应力管和预应力管的承插式接口进行研究，其中的“63”型接口由中国建材研究院原管道室研制成功[1],工程应用非常广泛，但随着时代发展，目前的常规承插式接口已经不能满足大流量、大口径及复杂地质环境和堆载要求下的城镇给排水管道的设计与施工要求。而在雨污水管道中，其水流介质还含有大量硫、磷等易腐蚀类有害化学物质，对水泥管壁和接口处的影响很大，传统现有的承插接口亟需找到一种新的材料及施工方法，以改善和提高管道接口的工程质量与使用安全。

1 工程概况

青白江公路及市政项目凤凰新城北片区、凤凰新城东片区街巷建设项目，道路左侧布置雨污水管，距道路中心线3.5 m雨水分二段接入，南段接入下游已建段凤祥大道雨水管道，北段接入凤凰大道雨水干管，雨水管径DN300，DN600。雨、污水管，雨水口采用球墨铸铁篦圈、篦子，接口采用氯丁橡胶圈(O型)密封。由于雨污水管道内需要大量走水排水，水头的存在对管道接口处的影响较为显著。

2 新型承插式柔性接口分析

2.1 接口形式

对于雨污水管道的接口形式来说，常见的有平口、企口连接以及承插式连接。在接口处的工程质量是管道施工最关键的工艺，决定工程竣工投产后是否存在返修等质量问题。从工艺角度看，影响接口质量的主要因素[2]有：管道接口处橡胶圈的质量、管道地基沟槽承载力、接口处的润滑剂、管道合龙时的拉力以及管道土方回填的影响等。

通常情况下，雨污水管道的沟槽开挖后，埋管过程及稳管措施对管道接口的影响较大。图1为常见雨污水管道管口截面与槽底位置关系示意图。可以发现，当槽底基础垫层平整、稳定时，整个雨污水管道方可准确无误的完成铺设和对接。接口对接会由于基础垫层的标高存在相对的偏差而无法精确把握对接质量，引起渗漏。

因此选用刚性材料的管材如水泥管作为管道进行对接，就极易发生接口处渗漏。因为随着使用时间的增加，管道内的水流介质可能随时变化，此时长时间的作用下，地基基础会发生沉降，接口处两侧的管口就容易发生错台现象；而由于材料的刚性特征，整个径向无法自由伸缩变形，极易在对接口连接部位发生撕裂破坏或者剪切破坏。因此，采用柔性承插式接头的管材将更为实用。柔性雨污水管道接口可从工程力学原理上防止接口发生破坏，因其具备足够的自由伸缩能力，在管道内介质呈现不同容积堆积时能够自适应其负载变化，进行相应的变位。

2.2 柔性接口的技术特点

本文所述的新型承插排水管是塑料排水管的管道。由于需要大量走水，管道内壁的摩擦和挤压作用使得水流产生水击现象。类似压力管道的水锤现象，这种现象会导致刚性类接口处发生破坏，必须有相应控制措施应对水击现象，方可尽可能的对管道使用进行安全防护，不致发生渗漏。柔性接口其承插式施工工艺采用离心工艺生产制造，并用“O”型密封的柔性接口管材。它具有传统设计施工采用的混凝土管道的密实性、抗渗性好的优点，同时又具备柔性连接效果，即可产生变位以及能够根据管道中介质的重量变化而自由伸缩的特点，整体性能强于刚性管材。柔性管材接口可应用于城镇排水、排污、引水、灌溉等重力流管道工程。其接头处允许有一定转角和轴向的位移。

2.3 新型承插式对接技术

承插式排水管是一种高密度、无侧限、高结晶体的线性聚合物。这种材料分为等规PP(聚丙烯)和无规PP(聚丙烯)，两种材料都有较广泛使用。承插式的优势较传统对接技术有很大提升，主要体现在：管道间对接不再是强行对接，而是基于管道接口处有承口和插口的槽位，能够方便管道相互嵌挤摩擦，从而确保了管道间的充分连接和足够的咬合力，不会因为后期运营和回填土压造成偏心变形；其次新型承插式接口考虑了管道内介质的最大过流能力，在此流量下的柔性接口可以顺利过流而不破不裂，对于对接钢筋混凝土管有较大优势。由于其柔性特性，可以反复拉拔变形，具有一定的拉伸和收缩性能，这是传统的金属接口或纯橡胶套管所不具备的材料属性。

3 雨污水管道接口防渗漏技术

3.1 管道防渗漏分析

雨水管道的设计按照重力流方式进行，由于对管道的防渗漏分析必须要根据过流能力来计算管道可承受的最大流量和在此情况下的承载能力大小。然后基于这个先决条件，再进行防渗的讨论，尤其是管道接口处的防渗漏研究。

依据本工程的管道截面口径，分析计算该截面下的管道过流力。定义管道内径为D，管道内介质(雨水、污水等水流介质)在管内的最高液面为h，管道重力方向的中轴线与液面和管壁的交汇处的夹角为θ，管道半径为I，则以本项目使用的DN300雨污水管道接口为例，得出几何示意图(见图2)。

在管道直径已确定的情况下，可以确定出管道的最大过流能力，以及在此过流能力之下的管道内水力半径的设计值。通过计算统计拟合出过流能力曲线，得到结果如图3所示。

图3所示的介质充满程度用介质在管道中的高度h与管道内径D的乘积表示，流量以扩大的单位每天1万t的介质表示。由图3可以看出，DN300柔性管材与DN600混凝土管的过流能力整体趋势虽然大体一致，但细致分析可以发现：采用柔性管材及其接口连接的管道其过流能力整体高于直径更大的混凝土管道。

这是由于当管道内水面逐渐上升，与周围管壁接触面积呈现愈大的趋势，此时水流的冲刷力与管壁之间产生的摩擦力会有较大的影响，迟滞在相同时间段内能够流过的水流量，在相同流量下，柔性管道的充满程度更少，说明在同样的负载下，柔性接口能减少同界面的水击效果，使得管道更为安全可靠。

同时通过研究最大过流能力分析柔性管道接口防渗漏，应将雨污水管道的设计流量严格控制在管道内2/3h处。因为此时为最佳的过流能力，能够使管道达到最大使用工况，从而产生最大经济效益。

3.2 接口防渗漏力学分析

柔性接头管道在正常工作时，会受到管道内流动介质的冲击产生拉拔效应，使得管道在接口处出现受力最为薄弱环节。在长期的拉拔力作用下，接口容易反复张拉被撕裂，从而造成管道渗漏水。因此，关键在于做好对接口处的受力分析和避免过大拉拔力作用。

经过大量实证分析结果表明，承插式雨水管道的受力过程大致经历5个阶段。首先是承管与插管在柔性接口处对接的装配阶段：在该阶段由于施工操作精度控制的不足，会使管道对接产生先天性歪斜，从而起初产生拉力Ft；而后在正式工作中，形成线弹性变形阶段，该阶段产生初始拉力Ft作用下的30%位移量0.3S0；随着介质继续周而复始的流动，接口受力从线弹性阶段进入到弹塑性阶段，承受60%的初始位移量；再往后还会经历摩擦塑性阶段和卸载破坏阶段[4-5]，两个阶段大概承受1.2倍和1.5倍的初始位移量S0，因此，接口容易发生断裂。

由图4可以看出，在基于单位时间的不同流量的水流介质冲刷作用下，水击拉拔力呈现出先快后慢的趋势。在变形量2 mm范围内，迅速从0 kN增大到10 kN左右；而后开始接入一个相对较为缓慢的变化过程中，基本没有明显的力值变化，并且在持续的水击作用下，还经历了一段较缓的下行趋势，然后再次抬升，最后经历卸载阶段时，拉拔力持续降低，而对应的变形量达到16 mm左右，如图4所示，认为此时接口处发生了失效断裂[6]，表现为管道接口处出现渗漏点或肉眼可见的裂缝和不可恢复的形变。

对比0.02 mm/s,0.1 mm/s以及0.5 mm/s工况之下，拉拔力与变形量之间的关系为同一趋势。这说明，接口的力学特征在水击作用下是同样的物理性质，其表征为同种材料的变化属性，而并非考虑结构的效应。基于这个认识，对于柔性接口而言，可以很好的满足水击拉拔力带来的位移量变化问题。整体可以自由伸缩，在拉拔力不再增长的条件下，仍能够产生较大的变形量。同时再次证明，本文所提供的新型柔性接口材料可以广泛的使用在城镇排水管道中。因其材料特性鲜明，有着超强收缩的特点，可以为市政雨污水管网的设计施工提供重要的建材资料。

4 结语

本文结合青白江雨污水管道工程，着重分析了一种新型承插式雨污水管道接口，通过过流能力与水管内介质充满程度的分析、水击拉拔力的测算分析给出了柔性接口的使用优势。可在城镇雨污水管道施工敷设中大量采用，效果显著。

主要得出如下结论：1)柔性接口相比传统的混凝土雨污水管道接口有相对较大优势，可以大量使用于城市市政排水管网的设计与施工中。2)通过基于介质过流能力的分析原理，对管道过流能力按最大流量进行设计的管道最为经济合理；同时最大过流能力工况下，并非是雨污水管道内腔体充满介质的状态，而是大约为管道截面充满介质2/3高度时达到最佳。3)承插式管道在介质流通过程中受到的水击力的受力过程大致经历了5个阶段，根据受力阶段可知，管道的使用必须保持在摩擦塑性阶段为宜，此时的管道工程达到最佳使用寿命状态，通过的流量既不保守又不过量，不会产生开裂和渗漏现象；同时，柔性接口作为管道间的连接装置可大量在此受力状态下使用。