新型承插式雨污水管柔性接口防滲漏技術研究

陳 超

(中電建路橋集團有限公司西部公司，四川 成都 610095)

0 引言

承插式接口已經大范圍的應用在城市給排水管道接口對接中，對于焊接或平口、企口縫接口而言，承插式接口施工更為便捷、可操作性更強。我國的水泥管給排水管道發展從20世紀60年代就已經開始針對應力管和預應力管的承插式接口進行研究，其中的“63”型接口由中國建材研究院原管道室研制成功[1],工程應用非常廣泛，但隨著時代發展，目前的常規承插式接口已經不能滿足大流量、大口徑及復雜地質環境和堆載要求下的城鎮給排水管道的設計與施工要求。而在雨污水管道中，其水流介質還含有大量硫、磷等易腐蝕類有害化學物質，對水泥管壁和接口處的影響很大，傳統現有的承插接口亟需找到一種新的材料及施工方法，以改善和提高管道接口的工程質量與使用安全。

1 工程概況

青白江公路及市政項目鳳凰新城北片區、鳳凰新城東片區街巷建設項目，道路左側布置雨污水管，距道路中心線3.5 m雨水分二段接入，南段接入下游已建段鳳祥大道雨水管道，北段接入鳳凰大道雨水干管，雨水管徑DN300，DN600。雨、污水管，雨水口采用球墨鑄鐵篦圈、篦子，接口采用氯丁橡膠圈(O型)密封。由于雨污水管道內需要大量走水排水，水頭的存在對管道接口處的影響較為顯著。

2 新型承插式柔性接口分析

2.1 接口形式

對于雨污水管道的接口形式來說，常見的有平口、企口連接以及承插式連接。在接口處的工程質量是管道施工最關鍵的工藝，決定工程竣工投產后是否存在返修等質量問題。從工藝角度看，影響接口質量的主要因素[2]有：管道接口處橡膠圈的質量、管道地基溝槽承載力、接口處的潤滑劑、管道合龍時的拉力以及管道土方回填的影響等。

通常情況下，雨污水管道的溝槽開挖后，埋管過程及穩管措施對管道接口的影響較大。圖1為常見雨污水管道管口截面與槽底位置關系示意圖。可以發現，當槽底基礎墊層平整、穩定時，整個雨污水管道方可準確無誤的完成鋪設和對接。接口對接會由于基礎墊層的標高存在相對的偏差而無法精確把握對接質量，引起滲漏。

因此選用剛性材料的管材如水泥管作為管道進行對接，就極易發生接口處滲漏。因為隨著使用時間的增加，管道內的水流介質可能隨時變化，此時長時間的作用下，地基基礎會發生沉降，接口處兩側的管口就容易發生錯臺現象；而由于材料的剛性特征，整個徑向無法自由伸縮變形，極易在對接口連接部位發生撕裂破壞或者剪切破壞。因此，采用柔性承插式接頭的管材將更為實用。柔性雨污水管道接口可從工程力學原理上防止接口發生破壞，因其具備足夠的自由伸縮能力，在管道內介質呈現不同容積堆積時能夠自適應其負載變化，進行相應的變位。

2.2 柔性接口的技術特點

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，管道內壁的摩擦和擠壓作用使得水流產生水擊現象。類似壓力管道的水錘現象，這種現象會導致剛性類接口處發生破壞，必須有相應控制措施應對水擊現象，方可盡可能的對管道使用進行安全防護，不致發生滲漏。柔性接口其承插式施工工藝采用離心工藝生產制造，并用“O”型密封的柔性接口管材。它具有傳統設計施工采用的混凝土管道的密實性、抗滲性好的優點，同時又具備柔性連接效果，即可產生變位以及能夠根據管道中介質的重量變化而自由伸縮的特點，整體性能強于剛性管材。柔性管材接口可應用于城鎮排水、排污、引水、灌溉等重力流管道工程。其接頭處允許有一定轉角和軸向的位移。

2.3 新型承插式對接技術

承插式排水管是一種高密度、無側限、高結晶體的線性聚合物。這種材料分為等規PP(聚丙烯)和無規PP(聚丙烯)，兩種材料都有較廣泛使用。承插式的優勢較傳統對接技術有很大提升，主要體現在：管道間對接不再是強行對接，而是基于管道接口處有承口和插口的槽位，能夠方便管道相互嵌擠摩擦，從而確保了管道間的充分連接和足夠的咬合力，不會因為后期運營和回填土壓造成偏心變形；其次新型承插式接口考慮了管道內介質的最大過流能力，在此流量下的柔性接口可以順利過流而不破不裂，對于對接鋼筋混凝土管有較大優勢。由于其柔性特性，可以反復拉拔變形，具有一定的拉伸和收縮性能，這是傳統的金屬接口或純橡膠套管所不具備的材料屬性。

3 雨污水管道接口防滲漏技術

3.1 管道防滲漏分析

雨水管道的設計按照重力流方式進行，由于對管道的防滲漏分析必須要根據過流能力來計算管道可承受的最大流量和在此情況下的承載能力大小。然后基于這個先決條件，再進行防滲的討論，尤其是管道接口處的防滲漏研究。

依據本工程的管道截面口徑，分析計算該截面下的管道過流力。定義管道內徑為D，管道內介質(雨水、污水等水流介質)在管內的最高液面為h，管道重力方向的中軸線與液面和管壁的交匯處的夾角為θ，管道半徑為I，則以本項目使用的DN300雨污水管道接口為例，得出幾何示意圖(見圖2)。

在管道直徑已確定的情況下，可以確定出管道的最大過流能力，以及在此過流能力之下的管道內水力半徑的設計值。通過計算統計擬合出過流能力曲線，得到結果如圖3所示。

圖3所示的介質充滿程度用介質在管道中的高度h與管道內徑D的乘積表示，流量以擴大的單位每天1萬t的介質表示。由圖3可以看出，DN300柔性管材與DN600混凝土管的過流能力整體趨勢雖然大體一致，但細致分析可以發現：采用柔性管材及其接口連接的管道其過流能力整體高于直徑更大的混凝土管道。

這是由于當管道內水面逐漸上升，與周圍管壁接觸面積呈現愈大的趨勢，此時水流的沖刷力與管壁之間產生的摩擦力會有較大的影響，遲滯在相同時間段內能夠流過的水流量，在相同流量下，柔性管道的充滿程度更少，說明在同樣的負載下，柔性接口能減少同界面的水擊效果，使得管道更為安全可靠。

同時通過研究最大過流能力分析柔性管道接口防滲漏，應將雨污水管道的設計流量嚴格控制在管道內2/3h處。因為此時為最佳的過流能力，能夠使管道達到最大使用工況，從而產生最大經濟效益。

3.2 接口防滲漏力學分析

柔性接頭管道在正常工作時，會受到管道內流動介質的沖擊產生拉拔效應，使得管道在接口處出現受力最為薄弱環節。在長期的拉拔力作用下，接口容易反復張拉被撕裂，從而造成管道滲漏水。因此，關鍵在于做好對接口處的受力分析和避免過大拉拔力作用。

經過大量實證分析結果表明，承插式雨水管道的受力過程大致經歷5個階段。首先是承管與插管在柔性接口處對接的裝配階段：在該階段由于施工操作精度控制的不足，會使管道對接產生先天性歪斜，從而起初產生拉力Ft；而后在正式工作中，形成線彈性變形階段，該階段產生初始拉力Ft作用下的30%位移量0.3S0；隨著介質繼續周而復始的流動，接口受力從線彈性階段進入到彈塑性階段，承受60%的初始位移量；再往后還會經歷摩擦塑性階段和卸載破壞階段[4-5]，兩個階段大概承受1.2倍和1.5倍的初始位移量S0，因此，接口容易發生斷裂。

由圖4可以看出，在基于單位時間的不同流量的水流介質沖刷作用下，水擊拉拔力呈現出先快后慢的趨勢。在變形量2 mm范圍內，迅速從0 kN增大到10 kN左右；而后開始接入一個相對較為緩慢的變化過程中，基本沒有明顯的力值變化，并且在持續的水擊作用下，還經歷了一段較緩的下行趨勢，然后再次抬升，最后經歷卸載階段時，拉拔力持續降低，而對應的變形量達到16 mm左右，如圖4所示，認為此時接口處發生了失效斷裂[6]，表現為管道接口處出現滲漏點或肉眼可見的裂縫和不可恢復的形變。

對比0.02 mm/s,0.1 mm/s以及0.5 mm/s工況之下，拉拔力與變形量之間的關系為同一趨勢。這說明，接口的力學特征在水擊作用下是同樣的物理性質，其表征為同種材料的變化屬性，而并非考慮結構的效應。基于這個認識，對于柔性接口而言，可以很好的滿足水擊拉拔力帶來的位移量變化問題。整體可以自由伸縮，在拉拔力不再增長的條件下，仍能夠產生較大的變形量。同時再次證明，本文所提供的新型柔性接口材料可以廣泛的使用在城鎮排水管道中。因其材料特性鮮明，有著超強收縮的特點，可以為市政雨污水管網的設計施工提供重要的建材資料。

4 結語

本文結合青白江雨污水管道工程，著重分析了一種新型承插式雨污水管道接口，通過過流能力與水管內介質充滿程度的分析、水擊拉拔力的測算分析給出了柔性接口的使用優勢。可在城鎮雨污水管道施工敷設中大量采用，效果顯著。

主要得出如下結論：1)柔性接口相比傳統的混凝土雨污水管道接口有相對較大優勢，可以大量使用于城市市政排水管網的設計與施工中。2)通過基于介質過流能力的分析原理，對管道過流能力按最大流量進行設計的管道最為經濟合理；同時最大過流能力工況下，并非是雨污水管道內腔體充滿介質的狀態，而是大約為管道截面充滿介質2/3高度時達到最佳。3)承插式管道在介質流通過程中受到的水擊力的受力過程大致經歷了5個階段，根據受力階段可知，管道的使用必須保持在摩擦塑性階段為宜，此時的管道工程達到最佳使用壽命狀態，通過的流量既不保守又不過量，不會產生開裂和滲漏現象；同時，柔性接口作為管道間的連接裝置可大量在此受力狀態下使用。