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机械制螺旋缠绕内衬法大口径排水分析

时间:2022-11-07   访问量:1276

摘要:我国给排水管道系统存量巨大,有大量的改造、修缮需求,研究并应用非开挖修复技术,具有重要的工程意义。文章结合某大口径中水管道修复实例,介绍机械制螺旋缠绕内衬法的工艺原理及特点;针对结构性修复的需求,对管道结构受力机理进行分析,提出设计计算思路,对结构荷载、型材要求、水力计算等均给出定量数值,并以此为依据,选择型材,制定施工工艺;在讨论工程验收标准时,对结构性修复的安全性检验给出定量判断标准。

关键词:非开挖修复;大口径排水管;机械制螺旋缠绕

改革开放以来,我国社会经济获得了长足的发展,给排水系统建设也取得了非凡的成就,城市供水普及率和排水普及率均超过95%。毫无疑问,中长期内我国的城镇化率还有不小的上升空间,给排水系统每年新建项目的规模仍有保障,但改革开放后40多年的快速建设,也使得我国具备了相当规模的管道存量。城市建成区内的众多给排水管道,随着服务年限的增长,将不可避免地带来大量的改造、更换、修缮需求,参照德国水协DWA的调查数据,排水管道系统中,相比管材更新,管道修理更为常见,且非开挖修复的比例逐年增加[1]。管道非开挖修复技术的发展,对我国存量巨大的管道系统,具有重要的工程意义。

1工程概况


华东某市重力流中水管线,材质为HDPE钢带缠绕增强双壁波纹管,环刚度12.5kN/m2,公称直径DN1800,埋深6~8m,管线上方为湿地公园,沿河岸铺设,全长近4.9km。除输送中水外,该管线兼具排空公园河道存水及汛期排洪功能。2020年对原管道进行维护时,发现该管道有多处渗漏点、渗漏缝,渗漏处管道缠绕的钢带被锈蚀,整体环刚度永久性下降,导致管道变形严重(部分管段内径仅1710mm,严重变形处内径仅1650~1700mm),同时地下水从渗漏处进入管道空腔(地下水位为地面下2.7m),管周覆土随地下水被一同带入,出现覆土空腔、地面沉陷现象,造成安全隐患,当地采用玻璃钢管内衬(内径1500mm)等措施对部分管段进行了加固修复,但未解决根本问题。为全面解决问题,需要采取有效的修复方案,对原管道进行防渗处理及结构性增强,同时保障正常的过水能力。摘要:我国给排水管道系统存量巨大,有大量的改造、修缮需求,研究并应用非开挖修复技术,具有重要的工程意义。


2方案选择


管道敷设地湿地公园内游客较多,是当地大型庆典、活动的举行地之一,有一定的社会敏感性;管道渗漏点多且无序,多处变形严重,原管道缠绕钢带的锈蚀情况难以全面评估;原管道管径大,管线长,多处检查井间距超100m;此外,该项目还有施工时期需保证原中水输送正常进行的要求。机械制螺旋缠绕内衬技术具有可带水施工、单管段施工距离长、施工时对检查井口径要求低、施工组织灵活(可临时中断,适应新冠肺炎疫情期间特殊需求)、技术成熟、造价适中等优点,政府有关主管部门、业内专家、设计单位等最终选用该技术,对原管道进行非开挖结构性整体增强修复。


3工程设计


3.1工艺原理及特点


机械制螺旋缠绕内衬技术是在原有管道内,通过专用机械将带状型材(一般为PVC-U或PE材质)螺旋推进,辅以公母锁扣及密封圈、热熔胶,将带状型材缠绕为一条连续无缝的新管(如工程需要,可在螺旋推进过程中,在带状型材上附加不锈钢带进行增强)。新管成形后,在新管与旧管间注入浆液,凝固后形成“外部旧管-中间层-内部新管”构造的复合管,该复合管应实现设计目的,满足项目需求。复合管中间层对不同项目所起到的功能不同,对于非结构性修复,中间层主要起固定作用,对于结构性修复,中间层除固定内外管外,还需要在原有外管丧失承压能力后起到取代作用。这种工艺使得机械制螺旋缠绕内衬技术相对其他非开挖修复技术,具有自身鲜明的特点。(1)机械制螺旋缠绕内衬修复管段是连续的,中间无接头,避免了传统管材接口处的内水泄漏或外水渗入危险,防渗性能优越。(2)由于施工机械易于拆卸组装,一般可利用原检查井,施工地理环境适应性好。(3)施工安静、噪音小,内衬管推进成型过程中,正常情况下工人无需进入管道,安全系数高。(4)可带水施工,节省临时排水措施费用。(5)停工、复工相对灵活。(6)工艺既可用于非结构性修复,也可用于结构性修复。


3.2结构性修复管道受力机理分析


原管道内部的修复补强并没有改变原管道与周围土体的外部关系,所以在修复补强前后,原管道外部土压力、水压力、地面可变作用荷载可视为没有变化。原管道材质为HDPE,属于柔性管,埋置方式为沟埋式。原管道所承受的土压力,来自于沟槽填土,沟槽外的原土,工程分析时认为已经相对稳定,而沟槽内的回填土,在自身重力作用下将产生沉降变形,即回填土相对沟槽外的原土有向下的变形,因而,槽外土会对槽内填土给予向上的摩阻力,该摩阻力将抵消部分填土自重,使得沟槽内的管道顶部所受的竖直土压力小于上部回填土的自重,即σz<γH。此外,根据管土共同作用理论,埋入土中的柔性管道,受到外部压力会有一定变形,其外压负载由回填土和管道共同承担,这意味着管道单独承担的压力比总的外压要更小。以上分析可见,原管道实际承担的压力,显然低于理论计算出的全部外压。以本项目为例,原管道为HDPE钢带增强波纹管,环刚度为SN12.5,其正常状态下变形率不应超过3%,按照上述受力分析,如设管道顶部总的外部压力为F,管道实际单独承担的压力为F1,则有F>F1。原管道运行过程中,由于缠绕的钢带产生锈蚀,造成自身的环刚度下降,即其抵抗外压负载的能力下降,原管道的变形率将因此而增大,使得外部压力在土体与管道间重新分配,此时管道实际单独承担的压力为F2,对比F2、F1大小,有F2<F1。这是因为,若有F2>F1,原管道在自身环刚度下降时,变形率增大,却要单独承担更大的外压,这会使得变形率进一步增大,于是外压更大,形成正反馈,这样原管道在短时间内就会失稳破坏,这显然是与现实不符的。随着原管道缠绕钢带锈蚀的不断加剧,达到某一个临界点,原管道抵抗外界荷载的能力下降程度比其单独承担的压力下降程度更大,原管道将失稳破坏。实际上,在彻底失稳之前,管道变形从弹性区进入塑性区,正常使用状态原管道变形率大于3%,或者正常使用极限状态时原管道变形率大于5%,就已经违反国家有关规范了,这正是本项目中原管道需要补强修复的原因。


3.3管道结构设计计算


修复前、后,管顶的总荷载不变。管顶总荷载分土压力(含水压力)和可变荷载,其中单位面积上管顶竖向土压力标准值qsv,k(kN/m2)按下式计算[2]:,,(1)()()svksswwwq=rH-.H+r+r.H式中,rs-回填土的重力密度,取18kN/m3;Hw-管顶以上地下水的深度(m),取8-2.7-1.8=3.5m;HS-管顶覆土厚度(m),取8-1.8=6.2m;r'-地下水范围内的覆土重力密度,取10kN/m3;rw-地下水的重力密度,取10kN/m3。带入数值计算,可得qsv,k=118.6kN/m2。可变荷载取地面车辆荷载与堆积荷载较大者,由于管道敷设在公园,车辆正常不进入,取堆积荷载标准为qvk=10kN/m2,准永久值系数取Ψq=0.5。原管道结构性修复增强后,虽然其外部所受荷载未变,但新的“外部旧管-中间层-内部新管”的复合结构管可保守认为是刚性管,不能再按照柔性管的特性进行设计,修复后管顶的荷载计算如下[3]:正常使用极限状态时,荷载按准永久组合计算为qsv,k+Ψq·qvk=118.6+0.5×10=123.6kN/m2。承载能力极限状态时,荷载按基本组合计算为γG·qsv,k+γQ·qv,k=1.27×118.6+1.4×10=164.6kN/m2。


3.4型材选择


采用机械制螺旋缠绕内衬法进行结构性修复时,内衬管最小刚度系数必须满足国家有关规范要求[4]:式中,EL-内衬管的长期弹性模量(MPa);I-内衬管单位长度管壁惯性矩(mm4/mm);P-内衬管管顶地下水压力(MPa),本项目取管顶以上的地下水位高度为8-2.7-1.8=3.5m,则P=0.00981×3.5=0.0343MPa;μ-泊松比,取0.38;K-圆周支持率,取值宜为7.0;D-内衬管平均直径(mm);D0-内衬管的外径(mm),取1550mm;h-带状型材高度,取25mm;y-带状型材内表面至带状型材中性轴的距离(mm),本项目取8.8mm;N-安全系数,取2.0;C-椭圆度折减系数;q-原有管道的椭圆度(%),因本项目螺旋内衬为不贴合缩径方式,实际上不受原管道椭圆度影响,但参考标准,保守取值2%。带入数据计算,可得C=0.8358,D=1517.6mm,ELI=1.46×106MPa·mm3。选用内衬管的刚度系数,必须大于该计算值。


3.5抗浮、抗滑等分析


原管道在钢带锈蚀前满足抗浮稳定性,对原管道进行内衬修复增强后,内衬管及注浆重量显然大于原管道缠绕钢带的锈蚀损失量,即修复增强后的管道自重比原管道大,在其他因素一致的情况下,其抗浮稳定性比原管道更好,显然满足要求。同理,新管道抗滑也满足要求。


3.6水力计算


各管段的过流能力按满流状态考虑,其比值:式中,Q1,Q2-流量(m3/s);D1,D2-管径(mm);n1,n2-粗糙系数。整个工程管段,原设计管道为DN1800HDPE钢带缠绕增强管,后部分管段用玻璃钢内衬(内径取1500mm,粗造系数取0.010)等措施进行了修复,本次增强修复主要采用了DN1550机械制螺旋缠绕内衬技术(内径取1500mm,粗造系数取0.010),由于内衬管相对原管道有一定程度缩径的缘故,过流能力相对有所下降,但相对于之前玻璃钢内衬修复的管段,本次修复后其过流能力与其是一致的,即在重力流形态下,本次修复增强段的过水能力相对已修复管段并未降低,满足工程需要。3.7施工工艺设计机械制螺旋缠绕内衬技术结构性修复的施工工艺主要为以下几点。(1)对原管道进行预处理,包括管道清淤(沉积物、垃圾、其他障碍物的去除),堵漏(漏水点止水或隔水)和鼓包处理(去除尖锐毛刺、突起、附着物等),如原管道破坏严重或接头错位严重,需另行专门处理。(2)考虑到原管道的变形程度,内衬管不贴合原管道,取内衬管外径为1550mm,内径为1500mm。(3)管径1500mm的内衬管,其自身环刚度难以抵抗外部荷载,要进行结构性注浆予以增强,而为了维持注浆时的变形要求,内衬管自身也需缠绕钢带增强。在内衬管与原管道之间的环状间隙间,应按要求灌注水泥浆,以固定内衬管,并在水泥浆凝固后形成复合结构新管,该新管的承载能力应满足设计要求,有效抵抗外压。注浆前,需对新管两端的间隙进行封堵,在管道下游设置灌注口,在管道上游的上端设置排气口;大口径管段的注浆应分批次进行,一般可分为2次或3次,如管段注浆3次,则可先灌注下部1/3,再灌注中部1/3,最后灌注上部1/3。每批次灌注后,待浆料自然流平后,再进行下一批次灌注,排气口浆料溢出,可认为注浆完成。管道环状间隙注浆时,内衬管内部应同步进行注水,以平衡内外压力,否则灌注的水泥浆会造成内衬管上浮。(4)灌浆结束后,应处理好管道与检查井的接口,做好防渗、防腐。


4验收


4.1功能性验收


首先,按照《给水排水管道工程施工及验收规范》要求[5],排水管道应进行严密性试验:本项目位于地下水位之下,选择进行闭水试验;修复管径大于700mm,可按管道井段数量抽样选取1/3进行试验;修复后的复合管为不开槽施工且中间层为灌注水泥浆,可参照使用内渗法进行测试。其次,按照《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》要求[4]:应分别对机械制螺旋缠绕法不同生产批次的带状型材应分别进行抽样检测;机械螺旋内衬管接缝应嵌合严密、连接牢固,管内无明显突起、凹陷、错台等现象,无纵向隆起、环向扁平、接缝脱离等现象。最后,还应按行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程》的有关规定对修复更新管道进行检测。考虑到该中水管道兼具汛期排洪功能,完工后的管道应能承受完整的汛期冲击,故宜在汛期后进行检测。


4.2安全性验收


结构性修复后,新的复合结构管应能承受作用在管道上的总荷载,对于排水管,主要指外部荷载。由于外层的原管道缠绕加强的钢带有所锈蚀,保守考虑,外钢带完全失效后的复合结构管应满足要求。复合结构管的主要强度、刚度取决于中间水泥注浆层,其相关参数可以参照混凝土管的检验方法取得,对本项目来说,复合结构管的裂缝荷载及破坏荷载数值具有重要意义:在正常使用极限状态时,设计荷载如低于裂缝荷载,注浆体产生的裂缝小于0.2mm,中间层处于正常使用状态,此时内衬管道变形率显然小于5%,管道的状态稳定,能够长期正常使用,满足规范要求;管道处于承载能力极限状态时,设计荷载如低于破坏荷载,管道裂缝虽有增多增大,但管道整体仍具备承载能力,不会突然失稳垮塌。测试裂缝荷载及破坏荷载时,制作与现场规格一致的原管道(去除其缠绕钢带,即认为钢带锈蚀严重,彻底失去作用)、注浆体、内衬管所形成的复合结构实验样品,在水泥注浆后养护28d后送检,按照GB/T16752—2017《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法》有关规定,测出受检品的裂缝荷载及破坏荷载数值,对比相关设计荷载,即可得出设计及施工方案是否满足要求的结论。数值对比时,应统一单位,将实验获得的数值(kN/m)结合支撑梁与试验样品接触面尺寸,换算为常用的荷载表现形式(kN/m2)。


5结论


工程实践证明,机械制螺旋缠绕内衬法用于该中水管道的非开挖修复,其安全性及功能性均符合要求。非开挖修复技术中的机械制螺旋缠绕内衬法,具有耐腐蚀、寿命长、抗渗漏、内壁光滑、施工灵活和整体性好等诸多优点,且同时适用于结构性修复或非结构性修复,该技术设计标准完善,施工质量可控,验收依据可靠,技术上具有较高的可行性,尤其对大口径长管段的管道内衬修复,该技术的优势相对更为明显。


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