埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工.docx
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埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工
埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工中的若干问题
概述
硬聚氯乙烯（PVC-U）管具有重量轻、强度高、耐腐蚀、管壁光滑水力阻力系数小、施工安装方便及水密性能好等特点。
用于埋地排水管道不仅施工速度快、周期短，还能更好地适应管道的不均匀沉降，使用寿命可达50年以上。
国外在排水管道中早已广泛使用。
我国由于适合埋地排水管道特点的，以承受外压荷载为主的PVC-U管材开发较晚，因此其在排水工程中的应用滞后于建筑排水和城镇给水工程中的应用。
90年代初期，国内相继生产出PVC-U双壁波纹管、加筋管和肋式卷绕管等特殊型式的异形管材，管材价格较普通直壁管大幅下降，使PVC-U管在排水工程中的推广应用成为可能。
基于上述情况，天津市政工程研究院、上海市政工程研究院，自1992年起先后对PVC-U管用于埋地排水管道工程涉及的应用技术进行了系统地试验研究。
对各种管材的性能，埋地工作的特性，管道的设计施工和工程实验进行了系统的研究探索，为PVC-U管在排水工程中的应用提供了科学的依据，并编制了相应的地方标准供遵循和参照。
近几年PVC-U管已在天津、上海、江苏、浙江和西北地区的多项排水工程中应用，取得了良好效果。
本文仅就PVC-U管用于排水管道时设计、施工中的主要问题，结合近些年的试验研究，工作实践和“硬聚氯乙烯排水管道设计施工及验收规程”的编制情况做一概述，供参考讨论。
一、管材
城镇埋地排水管道多为重力流，主要是承受外压荷载。
国内目前可用于排水管道的PVC-U管有4种可供选择（图1）：
1.双壁波纹管：
管壁截面为双层结构，内壁的表面光滑、外壁为等距排列的空芯封闭环肋结构。
由于管壁截面中间是空芯的，在相同的承载能力下可以比普通的直壁管节省50%以上的材料，因之价格较低。
管材的公称直径以管材外径表示，国内产品最大直径DN500mm，环刚度多为8kN/m2，管长6m。
承插式接口，橡胶圈密封，国内已有十余家生产厂生产。
这种管材的价格低廉，施工安装非常方便。
双壁波纹管
加筋管
肋式卷绕管
直壁管
图1 硬聚氯乙烯管材型式简图
2.加筋管：
是一种管壁光滑、外壁带有等距排列的环肋的管材。
这种管材既减薄了管壁厚度又增大了管材的刚度，提高了管材承受外荷载的能力，可比普通直壁管节约30%以上的材料。
管材的公称直径以管内径表示，产品最大直径DN400mm，管材长度6m，承插式接口，橡胶圈密封，环刚度8kN/m2。
3.肋式卷绕管（亦称螺旋管）：
该产品是新一代塑料管材，制管分2阶段进行。
第1阶段先将原材料制成带有等距排列的T型肋的带材，第2阶段再将带材通过螺旋卷管机卷成不同直径的管材。
管材的公称直径以管内径表示。
这种管材的特点是可以把带材运到管道施工现场。
就地卷成所需直径的管材，大大简化了管材的运输、管材长度可以任意调整。
带材的规格有4种，适用于不同直径不同要求的管材。
管材重量仅为直壁管重量的35～50%，管材接口用特制的管接头粘接。
用高密度聚乙烯（HDPE）制成的140GB型带材可用特殊构造的钢带加强，最大管径达DN2400mm，管顶覆土可达10m。
这种管材由兰州晟泰塑料制管公司生产，已在西北地区使用。
4.直壁管：
管壁截面是实心的，管壁截面相等的管材，公称直径以管外径表示。
管材接口有软接接口和橡胶圈接口。
橡胶圈接口的严密性较好。
这种管材承受内压外压的性能都很好，多用于建筑给排水和城镇给水管道，用于排水管道与异形管相比价格相对较高。
由上述可见，在排水管道工程中选用的管材，以异形管较为经济，具体选型尚应根据具体的条件综合比较确定。
二、管道设计
1.水力计算
PVC-U排水管道的流速、流量通常按下式计算：
式中：
V为流速（m/s）；n为管壁粗糙系数；R为水力半径（m）；I为水力坡降；Q为流量（m3/s）；A为水流有效断面面积（m2）。
管壁粗糙系数n与管道的水力条件及管子表面的光滑程度及管接头的间隙、数量等诸多因素有关。
美国在实验室试验和实际应用中发现PVC-U管的n值为0.007～0.011，Uni-BellPVC管协会推荐采用0.009，日本下水道协会标准则采用0.01。
天津市政工程研究院用DN200mm双壁波纹管在底坡1～6‰，流速0.5～1.5m/s清水条件下试验的n值为0.00789～0.00891，考虑污水环境恶劣及管接头影响留有余地正在编制的规程中拟采用0.01。
PVC-U排水管的最低流速不宜低于0.6m/s。
管子埋入地下椭圆变形对流量的影响可忽略不计，按管道允许直径变形率5%计算，对流量的减少仅0.6%，影响甚微。
2.管道强度计算
PVC-U管系按柔性管的理论，靠管土共同工作来承受荷载。
管周两侧的土体承受了大部分荷载，柔性管仅承受一小部分。
对重力流管道，管子的安全使用状态实际上是以变形控制，欧美等国对重力流管通常只计算管子的变形。
日本下水道协会标准JSWASK-1依图2假定的荷载图形按下式计算管子的环向应力：
σ=M/W=（r2/W）（K1P1+K2P2）
式中：
σ为管壁的环向弯曲应力；M为管壁上的弯矩；r为管子的平均半径；W为管壁的截面模量；K1为管道竖向静土压力作用的弯矩系数；K2为管道在地面活荷载作用下的弯矩系数；P1为作用在管顶的静土压力；P2为作用在管顶的活荷载。
经对不同管径管材的砂箱试验实测结果，管壁应力与按上述公式计算的结果甚为接近，计算值略大于实测值，因之上式可以采用。
静土压力分布 动土压力分布
图2
3.管道的变形计算
埋地柔性管的变形计算国内外多采用Spangler推导的依何华公式，该公式的推导假定管道受垂直荷载作用产生椭圆变形，使土体产生抗力，抗力大小与管子在土中的变形成正比，呈抛物线分布（图3）。
经推导形成修正的依何华公式
（1）
式中：
ΔD为管道在组合荷载作用下的直径变形量；DL为变形滞后系数，取1.2～1.5；K为基础垫层系数，与基础支承角有关，一般取0.1；W0为管顶单位长度上的荷载；r为管壁中心半径；E为管材的弹性模量；I为管壁截面单位长的惯性矩；E′为管两侧回填土的变形模量。
上述公式已广为使用，近些年又参照ATV的方法在计算中考虑了回填土变形模量与沟槽壁原状土变形模量的影响因素，将
（1）式中的E′改为Ed。
即
（2）
式中Ed=ξE′，ξ为管两侧回填土变形模量与沟槽壁原状土变形模量比值及管径与开槽宽度比值有关的系数。
当沟槽壁原状土的变形模量与回填土的变形模量相同时ξ=1，即为
（1）式。
（2）考虑的因素较全面，计算上是合理的。
但一般使用的PVC-U排水管道的直径较小，埋深不大，而管道线路又很长，管道沿线除特殊地段外通常都不做地质钻探，难以确切掌握沟槽原状土的变形模量。
用假定的土质资料计算也难符合实验，因之仍可考虑简便的计算。
在实际应用中，环刚度8kN/m2的管材按管道的直径变形率ε（ε=ΔD/2r×100%）不超过5%控制，在一般的土质条件下管顶覆土达5m以上，有足够的安全。
或按最不利的条件考虑，用
（2）式精确的计算与用
（1）式按一般土质条件的计算，管子直径变形率的差别亦只在0.5%以内。
因之在无地质资料情况下用
（2）式计算管子的变形可取ξ=1。
管子的直径变形率通常规定不大于5%。
日本下水道协会标准JSWASK-1对管道的变形计算采用下述公式：
式中：
K3、K4分别为管道在静土压力，地面活载作用下的变形计算系数，其他符号同前节强度计算公式中的符号。
该计算公式未考虑沟槽土壤及沟槽回填土类别性质的影响，不尽合理。
但从砂箱试验对比，计算值与实测值较接近，用于中等压实度一般土质是可以的。
对较低刚度的管材埋入软土地带可能会有较大误差。
考虑我国对柔性管的变形计算都采用Spangler的计算公式，在编制中的“硬聚氯乙烯排水管道设计及施工验收规程”中也采用了Spangler的公式。
除上述理论分析外，利用试验和经验数据来确定荷载与管道变形的关系也是一种实用的方法。
即利用砂箱试验或原型试验得出管道功能与填土高度的关系曲线来确定管子的使用状态。
美国PVC塑料管设计施工手册中也指出这是一种可靠和值得推荐的方法。
国内已有多种管材做了砂箱试验，得出管顶覆土荷载与管子变形的关系曲线，直接确定管子的使用条件甚为简便。
特别是对异形管材尤为简便。
三、管道施工
1.管道基础
为保证管底与基础紧密接触并控制管道的轴线高程、坡度，PVC-U管道仍应做垫层基础。
对一般土质通常只做一层0.1m厚的砂垫层即可。
对软土地基，且当槽底处在地下水位以下时，宜铺一层砂砾或碎石，厚度不小于0.15m，碎石粒径5～40mm，上面再铺一层厚度不小于0.05m的砂垫层，以利基础的稳定。
基础在承插口连接部位应予先留出凹槽便于安放承口，安装后随即用砂回填。
管底与基础相接的腋角（图4，2α范围），必须用粗砂或中砂填实（图4），紧紧包住管底的2α角部位，形成有效的支承。
图3
图4
2.管道安装
管道安装一般均采用人工安装，槽深大于3m或管径大于DN400mm的管材可用非金属绳索向槽内吊送管材。
承插口管安装时应将插口顺水流方向，承口逆水流方向由下游向上游依次安装。
管材的长短可用手锯切割，但应保持断面垂直平整不得损坏。
小口径管的安装可用人力，在管端设木挡板用撬棍使被安装的管子对准轴线插入承口。
直径大于DN400mm的管子可使手搬葫芦等工具，但不得用施工机械强行推顶管子就位。
管道接口以橡胶圈接口居多，施工操作简便，但应注意橡胶圈的断面型式和密封效果。
圆型胶圈的密封效果欠佳，而变形阻力小又能防止滚动的异形橡胶圈的密封效果则比较好。
普通的粘接接口仅适用DN110mm以下的管材。
肋式卷绕管必须使用生产厂特制的管接头和粘接剂以确保接口质量。
管道与检查井的连接宜采用柔性接口，可采用承插管件连接。
亦可采用预制混凝土套环连接，将混凝土套环砌在检查井井壁内，套环内壁与管材之间用橡胶圈密封，形成柔性连接。
水泥砂浆与PVC-U的结合性能不好，不宜将管材或管件直接砌筑在检查井壁内。
可采用中介层作法，即在PVC-U管外表面均匀的涂一层塑料粘合剂，紧接着在上面撒一层干燥的粗砂，固化20min后即形成表面粗糙的中介层，砌入检查井内可保证与水泥砂浆的良好结合，防止渗漏（图5）。
对在坑塘和软土地带，为减少管道与检查井的不均匀沉降，一种有效的办法是先用一根不大于2m的短管与检查井连接，下面再与整根长的管子连接，使检查井与管道的沉降差形成平缓过渡。
图5
3.沟槽回填
柔性管是按管土共同工作来承受荷载，沟槽回填材料和回填的密实程度对管道的变形和承载能力有很大影响。
回填土的变形模量越大，压实程度越高，则管道的变形越小，承载能力越大，设计施工应根据具体条件慎重考虑。
沟槽回填除应遵照管道工程的一般规定外，还必须根据PVC-U管的特点采取相应的必要的措施，管道安装完毕应立即回填，不宜久停再回填。
从管底到管顶以上0.4m范围内的回填材料必须严格控制。
可采用碎石屑、砂砾、中砂粗砂或开挖出的良质土。
管道位于车行道下，且铺设后即修筑路面时，应考虑沟槽回填沉降对路面结构的影响，管底至管顶0.4m范围内须用中、粗砂或石屑分层回填夯实。
为保证管道安全，对管顶以上0.4m范围内不得用夯实机具夯实。
回填的压实系数从管底到管顶范围应大于或等于95%；对管顶以上0.4m范围内应大于80%；其他部位应大于等于90%。
雨季施工还应注意防止沟槽积水，管道漂浮。
4.管道的严密性检验
管道安装后的严密性检验可采用闭水试验或闭气试验。
闭气试验简便迅速，最能适合PVC-U管道施工速度快的特点，但目前尚无检验标准和专用的检验设备，待进一步研究。
PVC-U管道的严密性优于混凝土管道，良好的橡胶圈接口可以做到完全不漏水。
因之对PVC-U管道闭水试验的允许漏水量要严于混凝土管道，我国尚无具体规定，美国规定以每mm管径计算每km管道长24h的渗漏量应不超过4.6升，可借鉴使用。
四、PVC-U排水管道的应用发展前景
国内外的应用实践表明PVC-U排水管道有许多突出的优点，特别是重量轻、强度高、耐腐蚀、施工安装简便快捷，因之近10多年来发展迅速。
一些发达国家在DN500mm以下的排水管道中已成为主流，而DN500mm以下的管道均占管网总长的70%以上，应用的覆盖面很广。
目前国内适合于排水管道使用的各种异形管的生产厂已有10多家，管材生产具备了一定的规模。
许多地区试点应用都取得了良好的效果，针对PVC-U管的应用技术已进行了大量的室内外试验研究，中国工程建设标准化协会标准“室外埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工及验收规程”也正在编制中。
尽管有的管材价格还偏高，但其综合造价已接近混凝土管道。
随着管材生产的发展和对PVC-U管的扩大推广应用，工程造价将会逐步降低而更加显示其良好的技术经济效益。
PVC-U排水管道发展的条件已具备，应予积极推广。
煤矿矿井废水处理回用工艺比较研究
我国人口众多，淡水资源时空分布不均匀，水资源和社会经济发展不均衡；人口的不断增长又使水资源需求量逐年上升，工业的快速发展使水污染愈加严重，因此造成水资源缺短和水环境污染现象日趋严峻。
目前，我国水资源供需矛盾比较突出，全国有300多个城市缺水，其中有114个城市严重缺水。
21世纪我国水资源供需形势非常严峻，水资源危机将成为所有资源问题中最为严惩的问题。
要解决这一难题，除水资源的科学管理和优化配量之外，充分发挥高新科技手段在水资源利用中的作用也是十分关键的。
近年来，我国每年排污水量约400-500亿M3，经处理后排放的仅15-25%，由于污水到处横流，使我国各大水源都产生不同程度的污染，水环境严重恶化[4]。
所以，加强污水深度治理，使之不仅达标排放而且还可大量回用，非常必要，这对改善水环境、缓解水资源的不足，节约宝贵的水资源都是十分重要的。
城市及工业污水经过深度处理后可用于农业灌溉、工业生产、城市景观、市政绿化、生活杂用、地下水回灌和补充地表水等方面的应用[8]。
传统水处理技术能够消除部分污染物，将COD、BOD以及重金融等污染物指标降到安全排放标准或杂用（中水）标准，但无法完全消除排水中所含的微量溶解性污染物。
采用反渗透膜技术可彻底去除这些污染物，实现严格意义下的污水再生。
用传统处理工艺和膜技术集成，可将污水或废水变成不同水质标准的回用水，或使之循环回用，这样即缓解了供求矛盾，又减少了污染，还可促进环保产业的发展[6]。
1 污水废水资源化技术及应用简介
水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求有相应的污水废水资源化的技术。
在这一领域中膜分离技术占有重要的位置和作用。
膜分离作为一项高新技术在近40年来迅速发展成为产业化的高效节能分离技术过程。
40多年，电渗析、反渗透、微滤、超滤、纳滤、渗透汽化，膜接触和膜反应过程相继发展起来，在能源、电子、石化、医药卫生、化工、轻工、食品、饮料行业和日常生活及环保领域等均获得广泛的应用，产生了显著的经济和社会效益。
社会的需求使膜技术应允而生，也是社会的需求促使膜技术迅速发展，使膜技术不断创新、技术进步，完善，成为单元操作，成为集成过程中的关键[1][9]。
1．1连续膜过滤技术（CMC）
中空纤维膜由于比表面积大，膜组件的装填密度大，所以设备紧凑；这种膜因纺制而成，工艺简单，所以生产成本一般低于其它的膜：
由于没有支撑层均可以反向清洗，特别是一些耐污染性好，对氧化性清洗剂耐受性好的膜的出现，使得在大规模的污水处理工程中，中空纤维膜的应用有独特的优势[1][7]。
CMF技术的核心是高抗污染膜以及与之相配合的膜清洗技术，可以实现对膜的不停机在线清洗清洗，从而做到对料液不间断连续处理，保证设备的连续高效运行。
CMF目前主要用于大型城市污水处理厂二沉池生水的深度处理回用，海水淡化或大型反渗透系统的预处理。
地表水地下水净化、饮料澄清除浊等。
1．2膜生物反应器（MBR）
膜生物反应器是膜分离技术和生物技术结合的新工艺。
用在污水废水处理领域，利用膜件进行固液分离，截留的污泥或杂质回流至（或保留）在生物反应器中，处理的清水透过膜排水，构成了污水处理的膜生物反应器系统，膜组件的作用相当于传统污水生物处理系统中的二沉池[4]。
MBR中使用的膜有平板膜、管式膜和中空纤维膜，目前主要以中空纤维膜为主。
生活污水经MBR处理后，生水水源已达到很高的水标准。
此方法不仅限于处理生活污水，MBR技术也广泛地用于染色废水，洗毛废水、肉类加工污水等水处理系统。
MBR系统的另一个特点是规模可大可小，小装置可用于一个家庭，大型装置日处理量可达数万立方米。
1．3反渗透技术（RO）
反渗透技术是20世纪60年代初发展起来的以压力为驱动力的膜分离技术。
该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来的，通常称为“淡化技术”。
由于反渗透技术具有无相变，组件化、流程简单，操作方便，占面积小、投资少，耗能低等优点，发展十分迅速。
RO技术已广泛用于海水、苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯，废水资源化等领域。
工程遍布电力、电子、化工、轻工、煤炭、环保、医药、食品等行业。
废水资源化是有开发增量淡水资源与保护环境双重目的。
无机系列废水处理与海水苦咸水淡化采用同类装并具有较多共性工艺技术。
RO可使废液中的铜、铅、汞、镍、锑、铍、砷、铬、硒、铵、锌等离子脱除除90-99%。
目前，反渗透技术在城市污水深度处理，一些工业废水深度处理方面的应用受到了高度重视，包括中水回用，污水处理厂二级出水的深度处理，经初级处理后的工业废水深度处理制取优质淡水。
中东不少缺水国家，在大量采用反渗透海水淡化技术的同时，引入反渗透技技术处理二级污水，出水水质可达TDS≤80mg/L，扩大了淡水资源。
如中东地区、澳大利亚、新加坡等国都有这方面的大型工程实例[9]。
1．4集成膜过程污水深度处理方法
集成膜过程是将超滤/微滤与反渗透（或纳滤）结合使用，形成能够满足各咱回用目的的污水深度处理工艺。
超滤、微滤可以作为独立的高级三级处理方法，也是反渗透过程理想的预处理工艺，抗污染能力强、性能优越的超滤、微滤单元代替了复杂的传统处理工艺，而且出水品质远高于三级出水指标，不但完全可以去除污水中的细菌和悬浮物，对COD、BOD也有一定的却除效果。
在超滤、微滤之后使用的反渗透膜，其清洗周期由采用传统预处理工艺的3-4周增加到半年以上，膜寿命可延长到达-6年。
膜集成污水再生工艺具有系统稳定、维护少、占地小、化学品用量少、流程简单和运行费用低等优点。
新一代中空纤维超滤（微滤）膜与传统产品相比，具有机械强度高、抗氧化、抗污染、高通量等特点，在运行工艺上，采用了低压操作、反冲清洗、气水冲洗等新技术，使得超滤膜装置能够在污染倾向极强的污水介质中保持稳定的性能，超滤膜的使用范围因此扩展到了能适应于多种复杂的介质环境，同时大大扩展了反渗透技术的应用范围，新一代的超滤膜及其系统应用技术的应用范围，新一代的超滤膜及其系统应用技术将膜技术带到了一个全新的时代，彻底改变了膜法水处理技术必须依托于复杂、精细的预处理系统的形象，使膜技术应用于二级出水、三级出水以及多种原废水等许多复杂的水质体系的深度处理。
1．5传统处理方法
传统污水三级处理工艺，主要的工艺单元有石灰澄清、重碳酸化、絮凝、沉降、过滤和气浮等。
根据具体污水排入物质的成分的不同，处理方式有所差异。
传统处理工艺存在着工艺复杂、水利用率低、化学品消耗量大的弊病，而且由于无法彻底去除生物絮体及胶体物质，致使清洗频繁，影响了出水水质。
2矿井废水处理回用工艺比较
序号
方案1设备
（常规预处理+RO工艺）
方案1设备
（盘式过滤器+RO工艺）
方案3设备
（UF+RO膜组合工艺）
1
混凝剂加药装置
混凝剂加药装置
混凝剂加药装置
2
次氯酸钠加药装置
次氯酸钠加药装置
次氯酸钠加药装置
3
还原剂加药装置
还原剂加药装置
还原剂加药装置
4
加酸装置
加酸装置
加酸装置
5
阻垢剂加药装置
阻垢剂加药装置
阻垢剂加药装置
6
膜杀菌剂加药装置
膜杀菌剂加药装置
全自动盘式过滤器
7
多介质过滤器
综合净水器
全自动超滤装置
8
活性碳过滤器
全自动盘式过滤器
保安过滤器
9
保安过滤器
活性碳过滤器
高压泵
10
高压泵
保安过滤器
反渗透装置
11
反渗透装置
高压泵
清洗装置
12
清洗装置
反渗透装置
控制系统
13
控制系统
清洗装置
14
控制系统
3矿井废水处理回用工艺经济分析比较
序号
项目
方案1
（元/吨）
方案2
（元/吨）
方案3
（元/吨）
1
反渗透膜组件的更换费用
0.38
0.19
0．38
2
超滤膜组件的更换费用
0.13
3
耗电量
0.63
0.63
0．63
4
混凝剂的费用
0.12
0.12
0．12
5
次氯酸钠的费用
0.07
0.07
0.07
6
还原剂的费用
0.10
0.10
0.10
7
加酸的费用
0.02
0.02
0.02
8
阻垢剂的费用
0.375
0.375
0.375
9
膜杀菌剂的费用
0.1
0.1
10
反渗透膜清洗酸碱费用
0.01
0.01
0．01
11
超滤膜清洗酸碱费用
0.01
12
设备折旧费用
0.37
0.3
0．31
13
设备维修保养费用
0.04
0.05
0．04
14
预处理费用
0.1
0.05
0．10
15
系统操作人工费
0.1
0.1
0．1
16
滤芯的更换费用
0.05
0.05
0．05
17
系统总投资
116.2万元
111万元
101万元
18
综合运行费用
2.465
2.185
2.405
4结论
（1）煤矿矿井废水处理回用的综合运行费用为：
2.185-2.465元/吨。
其中膜法的处理费用最低为:
2.185元/吨。
这样的价格对干旱缺水的西北地区是很有吸引力的。
（2）用膜法处理煤矿矿井废水并回用在技术上是完全可靠的，国内外都有成功经验。
（3）随着工业的快速发展，水资源的污染日益严重，缺水现象会越来越严重，工业废水的回收利用将会提到议事日程。
（4）从环境保护方面讲，对矿井废水进行回收再利用具有非常重要的环境意义。
（5）对矿井废水进行回收再利用，不但可以减少废水排放量，又可以使废水资源化，应该说，它是一种水资源再生的希望方法，也是我国实现水资源可持续利用的有效途径之一。
（6）膜法处理煤矿矿井废水并回用，不但在技术上和经济上都是可行的，经济和环境效益都非常显著。
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