通过工程实例分析地下水位较高地区的排水管道敷设方法VIP

通过工程实例分析地下水位较高地区钢带螺旋缠绕排水管道的改造方法卜东辉（辽宁城建设计院有限公司市政设计研究所）摘要 通过兴城临海产业园排水管道重建方案和实施效果，对滨海地区及其它地下水位较高地区的排水管道敷设条件进行理论分析，为以上特殊地区的排水管道设计和施工提供行之有效的实施办法。关键词 地下水 降水 卡箍 聚乙烯塑料检查井近年来，随着国家对环境治理的力度不断加大，特别是污水治理项目的技术发展日趋成熟，各地的污水处理厂及污水截流干管都已建设完工并步入运行阶段。然而，由于部分沿海地区和地下水位较高地区的地域特殊性（土质多为细砂，渗透系数大于710-3cm/s），再加上施工方法错误或设计方案不当，普遍存在污水截流干管的密闭性不够，地下水甚至海水渗入污水截流干管管道系统，给污水处理厂的处理装置带来极大不便，使污水处理系统处于半瘫痪状态，直接影响污水处理厂的处理功能及处理效果。本篇针对以上问题，通过对管道新建方案和管道改造方案的论述，在力求做到施工简便、投资节省的前提下，彻底解决地下水位较高地区污水截流干管渗水严重的现实状况。一、 兴城临海产业园排水管道重建工程实例兴城临海产业园污水截流干管全长2.3公里，管径范围d600d800，设计污水量2.0万吨/日，管线采用HDPE钢带螺旋缠绕管，设计管底标高-0.27-2.26米。检查井采用玻璃钢井。在污水处理厂试运行时，发现进水水量超出设计范围，经水质监测，进水为海水。施工方采用充气袋逐段封闭检查井并同时降水，施工人员至井下排查后，结果如下：检查井编号管道规格地面标高m东管底标高m西管底标高m破损情况WA-1DN6003.91-0.27井底损坏WA-7DN6004.16-0.45-0.45包接口漏水WA-12DN6004.37-0.61-0.61井底损坏WA-15DN6004.5-0.71-0.71包接口漏水WA-16DN6004.54-0.74-0.74井底损坏WA-19DN7004.65-0.93-0.93井底损坏WA-20DN7004.68-0.95-0.95井底损坏WA-27DN7004.97-1.19-1.19包接口漏水WA-28DN700、DN8005.01-1.23-1.33包接口漏水WA-29DN8005.06-1.37-1.37井肩损坏WA-30DN8005.11-1.41-1.41井底损坏WA-31DN8005.15-1.44-1.44井底损坏WA-32DN8005.19-1.49-1.49井肩损坏WA-33DN8005.15-1.52-1.52井筒井口连接损坏WA-44DN8004.72-1.97-1.97包接口漏水WA-45DN8004.68-2-2井筒井口连接损坏WA-47DN8004.59-2.08-2.18水深情况不详WA-48DN8004.54-2.22-2.22水深情况不详WA-49DN8004.49-2.26-2.26水深情况不详WA-50-1DN4004.45管漏水WA-50-2DN4004.45管漏水WA-54DN5004.29-0.06-0.06水深情况不详 1原因分析（1）地质条件缺陷由于该地区为填海造地形成，为节省投资，填筑料多为过山隧道弃用的山石碎料，砾径较大并含土量少，压实度无法保证，地基渗透率大（大于0.1cm/s），造地地面填筑标高4.0米5.2米。造地临海边缘为了节省投资，采用重力式透水坝，使海水与造地范围内地下填筑物缝隙完全连通。以上情况导致地下水位高，夏季地下水最高水位2.8米，常水位1.02.0米（同海水涨落潮有关），一年中冬季2月份水位最低为-1米，降水极为困难。若保证降水到达满足规范施工的效果，需要在工程范围内形成长约2公里，宽约7米，厚度为1米的闭气土坝，或采取轻型井点降水方式，耗费大量的机械运转费用。（2）施工缺陷施工在冬季地下水水位较低时为抢工期存在带水施工的现象，管道和检查井在地面连接后直接落入水中，整个施工过程违反规范操作规定是管道系统发生重大缺陷的主要原因。另外，回填混合砂后上部回填原山石碎料，经过地下海水水位反复涨落后，大量的混合砂被海水附带走，硬质山石碎料直接压在管道上，破坏了管道的保护层，导致管道薄弱点损坏漏水。（3）材料缺陷玻璃钢检查井做为渗漏的主要部位存在着明显的缺陷，该检查井没有根据管道的埋深加深适当提高结构厚度，通过抗浮计算后，该检查井抗浮能力不足。检查井与管道接口由于材质不同和施工方法有误渗漏严重，管道与管道热收缩带接口因冬季施工和施工方法错误也成为渗漏的主要部位。（4）设计考虑不周设计因对特殊地区施工降水的特殊性考虑不足，没有在此特殊情况下设置提升泵站，在设计方案上存在一定问题。2实施方法设计在仔细研究分析后，在污水截流干管中途增加一座提升泵站，在能够满足沿途各支管线可以接入的情况下，提高了管底标高，减小了管道埋深。在材料选择上采用了双平壁HDPE管，提高管材的安全性；检查井采用抗浮配重塑料检查井，解决了管材和检查井连接问题；管道与管道连接外部采用卡箍连接，内部采用电热熔带连接，使管道连接成为一体。同样选择在一年内水位最低的二月份进行施工，抬高管道标高后，原废弃管线成为用于降水的排水通道，施工降水得到了有效保证，管道敷设满足了施工规范。3实施效果施工半年后夏季地下水位较高的时段内进行了施工验收，由于该地区地下水位高等特殊性，管道不适宜做闭水试验，只需检查管道内是否渗水即可判断管道系统的严密性。经验收检验，地下水位升至2米以上时渗入量为86m3/24hkm（规范规定为35.35m3/24hkm），地下水位降低1.6米时，渗入量减少至31m3/24hkm，验收基本合格。二、 地下水位较高地区污水截流干管功能不足的普遍性问题从上述工程实例可判断出，地下水位较高地区污水管道功能不足主要表现在以下几个方面：1. 地下水从管道系统的薄弱环节渗入管道一套管道系统其结构很简单，其薄弱环节也很明显，即管道与检查井连接点，管道与管道之间的连接点，还有检查井及管道自身的薄弱点，这些都可成为渗漏发生的主要部位。控制好这些关键点才能保证管道的严密性。2.存在缺陷的管道就地改造困难大、问题多首先，存在缺陷的管道渗漏点排查存在一定困难，需耗费一定人力物力；其次，原地改造管道降水难度大，施工组织复杂程度高，同样施工难度较高；再次，改造的材料和已建材料相结合存在难度，涉及诸多新管件的设计和制作，费用较高。3. 存在缺陷的管道不及时整改，改造的难度将越来越大污水截流干管的埋深往往深度较大，随着管道周边地区的建设发展，如不及时改造缺陷管道，今后的改造条件将越来越受到限制，甚至会因动迁工程投资巨大使受损排水管道成为永久性缺陷。三、地下水位较高地区排水管道改造方案1.准备工作（1）现场情况调查熟悉施工图纸和现场条件，了解现场地质状况，掌握管道功能缺陷的主要原因及施工过程，了解各种施工材料的详细情况等等调查内容，是改造工作的前期重要环节。（2）对问题的初步判断组织人员利用简便、科学的方法排查管道系统渗漏点，根据所了解的实际状况，对照相关的国家规范及标准，认真研究造成问题的原因，初步判断问题的关键所在，初步确定解决方法。2.方案设计需要掌握的计算方法处理地下水位高地区排水管道问题，除了应该掌握排水管道相关的水力计算、泵站的水力计算等常规设计计算方法，还要熟练掌握以下几个方面的计算方法：（1）HDPE管变形量计算应用埋地塑料排水管道工程技术规范（附条文说明）（CJJ 143-2010）中对HDPE管的计算公式。W=DLKd(q1+q2)D1/(8Sp+0.061Ed)W管道在组合作用下最大竖向变形量，mmKd管道变形系数q1管顶单位面积上的竖向土压力标准值，kN/m2q2地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向土压力标准值，KN/m2DL变形滞后效应系数，可根据管道胸腔回填密实度取1.21.5可变荷载的准永久值系数，可取0.5Sp管环刚度，kN/m2Ed管侧土的综合变形模量，kN/m2D1管道外径，mm上述公式可以计算各种荷载下HDPE管的变形量，可根据变形实际情况判断管道的环刚度选择是否满足设计条件。（2）检查井抗浮计算检查井的抗浮力和浮力计算按以下公式：F抗=f1+f2+G （1）F抗检查井的抗浮力（KN）f1回填土作用于井筒壁的总下曳力（KN）f2作用于井座与井筒承口扩径部分的垂直土压力(土的重力密度取18KN/m)G井筒/座自重(kN)F浮=10VF浮检查井的浮力（KN）介质密度（kg/m）V沉入部分体积（m）当F抗F浮则需要加重抗浮通过检查井抗浮计算，可以了解在一定地下水位下检查井是否能够保持稳定不被浮力扰动。（3）轻型井点降水涌水量计算地下水位较高地区常常需要采用轻型井点降水，常用的公式为无压完全井理论公式：Q=1.366K(2H-s)s/(lgR-lgx0)Q井点系统总涌水量，m3/dK渗透系数，m/dH含水层厚度，mR抽水影响半径，ms水位降低值，mx0基坑假想半径，m单根井点管涌水量计算公式：q=65dl3K0.5q单管涌水量，m3/dd滤管直径，mK渗透系数，m/d计算出工程范围内的涌水量，就能判断是否适合采用轻型井点降水的方式控制地下水，确保规范施工的可能性。3.改造方案研究分析现国内排水采用的最常用管材是承插钢筋混凝土管和HDPE管，HDPE管中最常用的是钢带螺旋缠绕管。这两种管材被普遍采用的主要原因是综合投资省，施工较方便。本文主要针对受外界影响变形率较大、外露钢带易被地下水腐蚀的钢带螺旋缠绕管进行研究分析，为出现类似工程缺陷的排水管道输送系统提供整改方案。（1）降水降水工作是首要任务，施工区域内如不能降水到位，则无法保证一切的改造措施，因此降水工作是否顺利成功是改造工程的关键。对于地下水位较高的地区，一般井点降水难以达到预期效果，局部的管道修补或更换检查井易采用轻型井点降水的方式，通过对涌水量的计算，将工程区域内周边合理布置轻型井点，已达到规范施工的目标。对于涌水量过大、补水及时的工程降水难题，在“前堵后排”的总体思路中，应着重“前堵”，即将水源源头采用压渗、截渗进行处理，减少渗水量。方法一般有两种，一种实施闭气土坝，减少渗水量；一种是实施垂直防渗，截断渗透来源。闭气土坝不但开挖量大，而且难以形成真正防渗封闭体系，需要“后排”配合，即井点降水做辅助。垂直防渗同样开挖量大，但容易实现完全封闭场地，确保管线干地施工。这种方法利用专门的开槽机械，在设计防渗线上开出一定宽度（0.150.30 m）、一定深度（20 m）的沟槽，采用泥浆保护槽壁，在槽内用人工分幅置入或人工辅助机械连续置入土工模后再用砂土回填沟槽，形成以防渗膜为主体、泥浆为辅助体的防渗体。当然，降水的方式还有很多，例如，喷射井点、电渗井点、高压旋喷桩、三轴搅拌桩、多头小直径搅拌桩、地下连续墙等等降水方式，适用于各种不同的情况，在本文中不再一一介绍。（2）利用原管线改造方案从前述内容可发现，地下水位较高地区的管道系统缺陷常常发生于管道与检查井连接点，管道与管道之间的连接点，还有检查井或管道自身的薄弱点。那么，针对这些问题来加以解决，将管道系统的缺陷点经过改造恢复其排水功能是改造工程的主要内容。更换检查井当管道与检查井连接点漏水严重无法堵漏时，应更换检查井。这种情况的发生往往是检查井的材质和管道的材质不同接口难以密封，或检查井自身强度不够造成损坏，或检查井与管道接点处变形无法纠正。首先，应按照当地实际情况进行检查井抗浮计算，再确定采用什么材质的检查井。检查井材质应用较广泛的主要有以下几种，砖砌检查井、现浇混凝土检查井、预制混凝土检查井、聚乙烯塑料检查井。以上各类检查井中，砖砌检查井密闭性能差，现浇混凝土检查井冬季施工困难，预制混凝土检查井重量大，与现有管线对接口难度大，聚乙烯塑料检查井因材质与管道材质相同，与管道连接方式多，应作为首选。其次，检查井与原有管道连接方法简便可靠是改造成功的要点。采用聚乙烯塑料检查井连接方法有三种，一种为现场热熔连接，一种为对接口热收缩带连接，还有一种为卡箍连接。对于HDPE钢带螺旋缠绕管的改造，采用卡箍连接最为可靠实用。将新检查井事先连接好一段管道，整体安置到位后，同原有管线对口，采用卡箍+伸缩管+卡箍的方式与原有管线连接，伸缩管不但可以调整对管的微小偏差，也可以抵抗管道变形（12m管道温度在常温温差20度时变形量理论值为5cm）或检查井的微小沉降，保证系统的严密性。管道连接在管道破损处或管道漏水接口处切断管道，采用高温PE热熔机封闭因切割外露的钢带部分，再采用同于井与管相连的连接方式，即采用卡箍+伸缩管+卡箍的方式与原有管线连接。这种卡箍采用PE材质，卡箍主要分为上管夹与下管夹两部份，有DN300DN1600mm各种规格，管夹的直径、波形及螺距与钢带螺旋缠绕管相匹配，管夹的环向两侧有锁紧压边与螺孔，并分别用防腐螺栓及螺帽、垫圈将两管夹锁紧，使管夹内壁与两管道接口处外壁的间隙及螺旋槽部位完全锁紧密封，起到连接与闭水的作用，在加速内衬遇水膨胀胶条，在水的浸透下可将所有缝隙充满。伸缩管采用PE材质，柔韧度高，强度大，耐腐蚀耐穿刺，可以缓冲各种原因造成的变形，保证系统安全。由此可见，以上连接方式简易、快捷；强度高、在采用防腐螺栓固定后防腐耐侯性能好、耐海水腐蚀；优胜于电热熔带、热收缩带的连接方式，可以部分带水作业。实践证明，该方法闭水试验优越、无泄漏，可以最大程度地保证改造后管道的严密性。（3）翻建方案管道系统缺陷较严重无法通过改造维修时，应对整个系统重新建设。在设计上应注意以下几个要点：在条件允许的情况下，应尽可能抬高管道的标高地下水位越高，埋设在地下水位以下的管道承受水产生的外压就越大，新建排水截流干管如不影响支管接入的情况下，尽量将管道的标高提高，减小管道设置的风险性，甚至可以建设中途提升泵站来实现对管道标高的提高。原管线还可作为临时降水的通道。在管材选择上应选择强度高、单管结构长、方便连接、方便施工的管道作为主材料随着塑料管材的不断发展，新工艺制造的新材料层出不穷，从前述内容中可以明确钢带螺旋缠绕管因存在薄弱环节并不适宜用作污水截流干管的主材。现今HDPE双平壁中空缠绕管及HDPE-T型增强钢塑复合排水管具有结构先进、板带与板带接缝均匀牢固、管端密封严密、管壁性能均匀一致等优点应做为管材选择的首选，其中HDPE-T型增强钢塑复合排水管因管径范围大、价格低廉更具优势。检查井