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                  機械制螺旋纏繞內襯法大口徑排水分析

                  時間:2022-11-07   訪問量:1228

                  摘要:我國給排水管道系統存量巨大,有大量的改造、修繕需求,研究并應用非開挖修復技術,具有重要的工程意義。文章結合某大口徑中水管道修復實例,介紹機械制螺旋纏繞內襯法的工藝原理及特點;針對結構性修復的需求,對管道結構受力機理進行分析,提出設計計算思路,對結構荷載、型材要求、水力計算等均給出定量數值,并以此為依據,選擇型材,制定施工工藝;在討論工程驗收標準時,對結構性修復的安全性檢驗給出定量判斷標準。

                  關鍵詞:非開挖修復;大口徑排水管;機械制螺旋纏繞

                  改革開放以來,我國社會經濟獲得了長足的發展,給排水系統建設也取得了非凡的成就,城市供水普及率和排水普及率均超過95%。毫無疑問,中長期內我國的城鎮化率還有不小的上升空間,給排水系統每年新建項目的規模仍有保障,但改革開放后40多年的快速建設,也使得我國具備了相當規模的管道存量。城市建成區內的眾多給排水管道,隨著服務年限的增長,將不可避免地帶來大量的改造、更換、修繕需求,參照德國水協DWA的調查數據,排水管道系統中,相比管材更新,管道修理更為常見,且非開挖修復的比例逐年增加[1]。管道非開挖修復技術的發展,對我國存量巨大的管道系統,具有重要的工程意義。

                  1工程概況


                  華東某市重力流中水管線,材質為HDPE鋼帶纏繞增強雙壁波紋管,環剛度12.5kN/m2,公稱直徑DN1800,埋深6~8m,管線上方為濕地公園,沿河岸鋪設,全長近4.9km。除輸送中水外,該管線兼具排空公園河道存水及汛期排洪功能。2020年對原管道進行維護時,發現該管道有多處滲漏點、滲漏縫,滲漏處管道纏繞的鋼帶被銹蝕,整體環剛度永久性下降,導致管道變形嚴重(部分管段內徑僅1710mm,嚴重變形處內徑僅1650~1700mm),同時地下水從滲漏處進入管道空腔(地下水位為地面下2.7m),管周覆土隨地下水被一同帶入,出現覆土空腔、地面沉陷現象,造成安全隱患,當地采用玻璃鋼管內襯(內徑1500mm)等措施對部分管段進行了加固修復,但未解決根本問題。為全面解決問題,需要采取有效的修復方案,對原管道進行防滲處理及結構性增強,同時保障正常的過水能力。摘要:我國給排水管道系統存量巨大,有大量的改造、修繕需求,研究并應用非開挖修復技術,具有重要的工程意義。


                  2方案選擇


                  管道敷設地濕地公園內游客較多,是當地大型慶典、活動的舉行地之一,有一定的社會敏感性;管道滲漏點多且無序,多處變形嚴重,原管道纏繞鋼帶的銹蝕情況難以全面評估;原管道管徑大,管線長,多處檢查井間距超100m;此外,該項目還有施工時期需保證原中水輸送正常進行的要求。機械制螺旋纏繞內襯技術具有可帶水施工、單管段施工距離長、施工時對檢查井口徑要求低、施工組織靈活(可臨時中斷,適應新冠肺炎疫情期間特殊需求)、技術成熟、造價適中等優點,政府有關主管部門、業內專家、設計單位等最終選用該技術,對原管道進行非開挖結構性整體增強修復。


                  3工程設計


                  3.1工藝原理及特點


                  機械制螺旋纏繞內襯技術是在原有管道內,通過專用機械將帶狀型材(一般為PVC-U或PE材質)螺旋推進,輔以公母鎖扣及密封圈、熱熔膠,將帶狀型材纏繞為一條連續無縫的新管(如工程需要,可在螺旋推進過程中,在帶狀型材上附加不銹鋼帶進行增強)。新管成形后,在新管與舊管間注入漿液,凝固后形成“外部舊管-中間層-內部新管”構造的復合管,該復合管應實現設計目的,滿足項目需求。復合管中間層對不同項目所起到的功能不同,對于非結構性修復,中間層主要起固定作用,對于結構性修復,中間層除固定內外管外,還需要在原有外管喪失承壓能力后起到取代作用。這種工藝使得機械制螺旋纏繞內襯技術相對其他非開挖修復技術,具有自身鮮明的特點。(1)機械制螺旋纏繞內襯修復管段是連續的,中間無接頭,避免了傳統管材接口處的內水泄漏或外水滲入危險,防滲性能優越。(2)由于施工機械易于拆卸組裝,一般可利用原檢查井,施工地理環境適應性好。(3)施工安靜、噪音小,內襯管推進成型過程中,正常情況下工人無需進入管道,安全系數高。(4)可帶水施工,節省臨時排水措施費用。(5)停工、復工相對靈活。(6)工藝既可用于非結構性修復,也可用于結構性修復。


                  3.2結構性修復管道受力機理分析


                  原管道內部的修復補強并沒有改變原管道與周圍土體的外部關系,所以在修復補強前后,原管道外部土壓力、水壓力、地面可變作用荷載可視為沒有變化。原管道材質為HDPE,屬于柔性管,埋置方式為溝埋式。原管道所承受的土壓力,來自于溝槽填土,溝槽外的原土,工程分析時認為已經相對穩定,而溝槽內的回填土,在自身重力作用下將產生沉降變形,即回填土相對溝槽外的原土有向下的變形,因而,槽外土會對槽內填土給予向上的摩阻力,該摩阻力將抵消部分填土自重,使得溝槽內的管道頂部所受的豎直土壓力小于上部回填土的自重,即σz<γH。此外,根據管土共同作用理論,埋入土中的柔性管道,受到外部壓力會有一定變形,其外壓負載由回填土和管道共同承擔,這意味著管道單獨承擔的壓力比總的外壓要更小。以上分析可見,原管道實際承擔的壓力,顯然低于理論計算出的全部外壓。以本項目為例,原管道為HDPE鋼帶增強波紋管,環剛度為SN12.5,其正常狀態下變形率不應超過3%,按照上述受力分析,如設管道頂部總的外部壓力為F,管道實際單獨承擔的壓力為F1,則有F>F1。原管道運行過程中,由于纏繞的鋼帶產生銹蝕,造成自身的環剛度下降,即其抵抗外壓負載的能力下降,原管道的變形率將因此而增大,使得外部壓力在土體與管道間重新分配,此時管道實際單獨承擔的壓力為F2,對比F2、F1大小,有F2<F1。這是因為,若有F2>F1,原管道在自身環剛度下降時,變形率增大,卻要單獨承擔更大的外壓,這會使得變形率進一步增大,于是外壓更大,形成正反饋,這樣原管道在短時間內就會失穩破壞,這顯然是與現實不符的。隨著原管道纏繞鋼帶銹蝕的不斷加劇,達到某一個臨界點,原管道抵抗外界荷載的能力下降程度比其單獨承擔的壓力下降程度更大,原管道將失穩破壞。實際上,在徹底失穩之前,管道變形從彈性區進入塑性區,正常使用狀態原管道變形率大于3%,或者正常使用極限狀態時原管道變形率大于5%,就已經違反國家有關規范了,這正是本項目中原管道需要補強修復的原因。


                  3.3管道結構設計計算


                  修復前、后,管頂的總荷載不變。管頂總荷載分土壓力(含水壓力)和可變荷載,其中單位面積上管頂豎向土壓力標準值qsv,k(kN/m2)按下式計算[2]:,,(1)()()svksswwwq=rH-.H+r+r.H式中,rs-回填土的重力密度,取18kN/m3;Hw-管頂以上地下水的深度(m),取8-2.7-1.8=3.5m;HS-管頂覆土厚度(m),取8-1.8=6.2m;r'-地下水范圍內的覆土重力密度,取10kN/m3;rw-地下水的重力密度,取10kN/m3。帶入數值計算,可得qsv,k=118.6kN/m2??勺兒奢d取地面車輛荷載與堆積荷載較大者,由于管道敷設在公園,車輛正常不進入,取堆積荷載標準為qvk=10kN/m2,準永久值系數取Ψq=0.5。原管道結構性修復增強后,雖然其外部所受荷載未變,但新的“外部舊管-中間層-內部新管”的復合結構管可保守認為是剛性管,不能再按照柔性管的特性進行設計,修復后管頂的荷載計算如下[3]:正常使用極限狀態時,荷載按準永久組合計算為qsv,k+Ψq·qvk=118.6+0.5×10=123.6kN/m2。承載能力極限狀態時,荷載按基本組合計算為γG·qsv,k+γQ·qv,k=1.27×118.6+1.4×10=164.6kN/m2。


                  3.4型材選擇


                  采用機械制螺旋纏繞內襯法進行結構性修復時,內襯管最小剛度系數必須滿足國家有關規范要求[4]:式中,EL-內襯管的長期彈性模量(MPa);I-內襯管單位長度管壁慣性矩(mm4/mm);P-內襯管管頂地下水壓力(MPa),本項目取管頂以上的地下水位高度為8-2.7-1.8=3.5m,則P=0.00981×3.5=0.0343MPa;μ-泊松比,取0.38;K-圓周支持率,取值宜為7.0;D-內襯管平均直徑(mm);D0-內襯管的外徑(mm),取1550mm;h-帶狀型材高度,取25mm;y-帶狀型材內表面至帶狀型材中性軸的距離(mm),本項目取8.8mm;N-安全系數,取2.0;C-橢圓度折減系數;q-原有管道的橢圓度(%),因本項目螺旋內襯為不貼合縮徑方式,實際上不受原管道橢圓度影響,但參考標準,保守取值2%。帶入數據計算,可得C=0.8358,D=1517.6mm,ELI=1.46×106MPa·mm3。選用內襯管的剛度系數,必須大于該計算值。


                  3.5抗浮、抗滑等分析


                  原管道在鋼帶銹蝕前滿足抗浮穩定性,對原管道進行內襯修復增強后,內襯管及注漿重量顯然大于原管道纏繞鋼帶的銹蝕損失量,即修復增強后的管道自重比原管道大,在其他因素一致的情況下,其抗浮穩定性比原管道更好,顯然滿足要求。同理,新管道抗滑也滿足要求。


                  3.6水力計算


                  各管段的過流能力按滿流狀態考慮,其比值:式中,Q1,Q2-流量(m3/s);D1,D2-管徑(mm);n1,n2-粗糙系數。整個工程管段,原設計管道為DN1800HDPE鋼帶纏繞增強管,后部分管段用玻璃鋼內襯(內徑取1500mm,粗造系數取0.010)等措施進行了修復,本次增強修復主要采用了DN1550機械制螺旋纏繞內襯技術(內徑取1500mm,粗造系數取0.010),由于內襯管相對原管道有一定程度縮徑的緣故,過流能力相對有所下降,但相對于之前玻璃鋼內襯修復的管段,本次修復后其過流能力與其是一致的,即在重力流形態下,本次修復增強段的過水能力相對已修復管段并未降低,滿足工程需要。3.7施工工藝設計機械制螺旋纏繞內襯技術結構性修復的施工工藝主要為以下幾點。(1)對原管道進行預處理,包括管道清淤(沉積物、垃圾、其他障礙物的去除),堵漏(漏水點止水或隔水)和鼓包處理(去除尖銳毛刺、突起、附著物等),如原管道破壞嚴重或接頭錯位嚴重,需另行專門處理。(2)考慮到原管道的變形程度,內襯管不貼合原管道,取內襯管外徑為1550mm,內徑為1500mm。(3)管徑1500mm的內襯管,其自身環剛度難以抵抗外部荷載,要進行結構性注漿予以增強,而為了維持注漿時的變形要求,內襯管自身也需纏繞鋼帶增強。在內襯管與原管道之間的環狀間隙間,應按要求灌注水泥漿,以固定內襯管,并在水泥漿凝固后形成復合結構新管,該新管的承載能力應滿足設計要求,有效抵抗外壓。注漿前,需對新管兩端的間隙進行封堵,在管道下游設置灌注口,在管道上游的上端設置排氣口;大口徑管段的注漿應分批次進行,一般可分為2次或3次,如管段注漿3次,則可先灌注下部1/3,再灌注中部1/3,最后灌注上部1/3。每批次灌注后,待漿料自然流平后,再進行下一批次灌注,排氣口漿料溢出,可認為注漿完成。管道環狀間隙注漿時,內襯管內部應同步進行注水,以平衡內外壓力,否則灌注的水泥漿會造成內襯管上浮。(4)灌漿結束后,應處理好管道與檢查井的接口,做好防滲、防腐。


                  4驗收


                  4.1功能性驗收


                  首先,按照《給水排水管道工程施工及驗收規范》要求[5],排水管道應進行嚴密性試驗:本項目位于地下水位之下,選擇進行閉水試驗;修復管徑大于700mm,可按管道井段數量抽樣選取1/3進行試驗;修復后的復合管為不開槽施工且中間層為灌注水泥漿,可參照使用內滲法進行測試。其次,按照《城鎮排水管道非開挖修復更新工程技術規程》要求[4]:應分別對機械制螺旋纏繞法不同生產批次的帶狀型材應分別進行抽樣檢測;機械螺旋內襯管接縫應嵌合嚴密、連接牢固,管內無明顯突起、凹陷、錯臺等現象,無縱向隆起、環向扁平、接縫脫離等現象。最后,還應按行業標準《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》的有關規定對修復更新管道進行檢測??紤]到該中水管道兼具汛期排洪功能,完工后的管道應能承受完整的汛期沖擊,故宜在汛期后進行檢測。


                  4.2安全性驗收


                  結構性修復后,新的復合結構管應能承受作用在管道上的總荷載,對于排水管,主要指外部荷載。由于外層的原管道纏繞加強的鋼帶有所銹蝕,保守考慮,外鋼帶完全失效后的復合結構管應滿足要求。復合結構管的主要強度、剛度取決于中間水泥注漿層,其相關參數可以參照混凝土管的檢驗方法取得,對本項目來說,復合結構管的裂縫荷載及破壞荷載數值具有重要意義:在正常使用極限狀態時,設計荷載如低于裂縫荷載,注漿體產生的裂縫小于0.2mm,中間層處于正常使用狀態,此時內襯管道變形率顯然小于5%,管道的狀態穩定,能夠長期正常使用,滿足規范要求;管道處于承載能力極限狀態時,設計荷載如低于破壞荷載,管道裂縫雖有增多增大,但管道整體仍具備承載能力,不會突然失穩垮塌。測試裂縫荷載及破壞荷載時,制作與現場規格一致的原管道(去除其纏繞鋼帶,即認為鋼帶銹蝕嚴重,徹底失去作用)、注漿體、內襯管所形成的復合結構實驗樣品,在水泥注漿后養護28d后送檢,按照GB/T16752—2017《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法》有關規定,測出受檢品的裂縫荷載及破壞荷載數值,對比相關設計荷載,即可得出設計及施工方案是否滿足要求的結論。數值對比時,應統一單位,將實驗獲得的數值(kN/m)結合支撐梁與試驗樣品接觸面尺寸,換算為常用的荷載表現形式(kN/m2)。


                  5結論


                  工程實踐證明,機械制螺旋纏繞內襯法用于該中水管道的非開挖修復,其安全性及功能性均符合要求。非開挖修復技術中的機械制螺旋纏繞內襯法,具有耐腐蝕、壽命長、抗滲漏、內壁光滑、施工靈活和整體性好等諸多優點,且同時適用于結構性修復或非結構性修復,該技術設計標準完善,施工質量可控,驗收依據可靠,技術上具有較高的可行性,尤其對大口徑長管段的管道內襯修復,該技術的優勢相對更為明顯。


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