Подземные канализационные трубопроводы из пластмассовых труб
До недавнего прошлого единственным материалом для прокладки подземных канализационных труб был чугун. Однако появившиеся в 60-х гг. трубы и детали из полимерных материалов серийного производства повсеместно постепенно вытесняют чугунные трубы.
Процесс внедрения пластмассовых труб медленный, поскольку нормативный срок службы канализационных трубопроводов из чугуна составляет не менее 50 лет [1]. Но развитие коммунальной инженерной инфраструктуры требует применения более современных, экономичных, надежных и долговечных материалов. В качестве таких материалов с 60-х гг. прошлого столетия в мировой и отечественной практике применяются трубопроводы из полимерных материалов: непластифицированного поливинилхлорида, полиэтилена и полипропилена.
В России применение подземных канализационных трубопроводов регламентировалось СНиП 2.04.03-85* [2], СН 478-80 [3] и СП 40-102-2000 [4]. Впервые опыт применения трубопроводов из полимерных материалов был обобщен в работе [5], а в области канализации — в работе [6]. Однако в России массовое применение пластмассовых трубопроводов для систем канализации началось сравнительно недавно и по-этому до сих пор вызывает у практиков ряд вопросов, не освещенных в сводах правил. Рассмотрим наиболее часто задаваемые вопросы.
Проложенный в грунте трубопровод должен воспринимать различные внешние нагрузки: со стороны грунта, от транспортных средств и возможного давления грунтовых вод. Величина нагрузки со стороны грунта и транспортных средств на трубу будет зависеть от того, в какой степени трубы под нагрузкой могут противостоять овализации. В зависимости от способности принимать или нет овальную форму под нагрузкой трубы классифицируются на гибкие и жесткие.
Жесткая труба — это такая труба, которая воспринимает внешние нагрузки без существенного изменения круглой формы поперечного сечения трубы. Повышенные внешние нагрузки на гибкую трубу приводят к овализации поперечного сечения трубы.
Гибкая труба в грунте, принимающая под нагрузкой овальную форму, подвергается меньшей нагрузке, чем жесткая труба, не изменяющая под нагрузкой формы своего поперечного сечения. Это объясняется тем, что при возникновении овальности в поперечном сечении трубы давление на нее от грунта обратной засыпки будет частично передаваться за счет трения на грунт по обеим сторонам трубы. Именно поэтому принято считать, что нагрузка на гибкую трубу от грунта обратной засыпки ограничивается лишь весом грунта, расположенного непосредственно над трубой.
Для жесткой трубы вертикальная нагрузка будет увеличиваться в связи с тем, что при осадке засыпного грунта его вес через силы трения будет передаваться и на грунт, находящийся непосредственно над трубой.
Поскольку нагрузка на гибкую трубу в грунте в значительной степени зависит от способности трубы принимать под давлением овальную форму, то очень важно определить понятие гибкости трубы. Способность к деформациям под нагрузкой выражается через жесткость трубы, которая рассчитывается по уравнению:
,
где S — жесткость трубы (Н/кв. м);
Е — модуль упругости трубы (Н/кв. м);
I — момент инерции стенки трубы (куб. м);
D — средний диаметр трубы (м).
Для гладких труб уравнение может быть записано так:
,
где s — толщина стенки трубы (м).
Таким образом, через понятие жесткости выражается мера деформационных свойств трубы под нагрузкой. Поэтому самотечные трубы, проложенные в грунте и подверженные в основном внешним нагрузкам, обычно классифицируются через жесткость.
Большинство пластмассовых труб в обычных условиях можно рассматривать как гибкие трубы, и, следовательно, они могут рассчитываться на нагрузку от грунта, которая равна весу насыпного грунта над трубой. Возникающая при этом овальность трубы обуславливается в значительной степени той опорой, которую может получить труба от окружающей ее массы грунта, т. е. от того, до какой степени был уплотнен засыпной грунт. С точки зрения расчета, можно предположить, что труба взаимодействует с окружающим ее грунтом, чтобы воспринимать внешние нагрузки. Тогда для деформаций трубы применима следующая принципиальная взаимосвязь:
Существует несколько различных методов расчета для оценки овальности прокладываемой в земле гибкой трубы. Однако эти методы расчета основываются, как правило, на одних и тех же базовых принципах, отчего различия в результатах расчета по ним весьма незначительны. В действительности же из-за различий в степени уплотнения грунта вокруг трубы при засыпке зачастую получаются гораздо большие различия между фактически замеренной овальностью трубы и той, что была получена теоретическим путем по различным методам расчета. Опытным путем было установлено, что средняя овальность труб на отдельных участках зачастую на 1–2% выше полученной расчетным способом в следующих случаях:
• если трубопровод был уложен без тщательного уплотнения грунта при засыпке и без контроля за засыпкой;
• если труба подвергалась воздействию нагрузки от наземного транспорта в период строительных работ, а глубина укладки составляет менее 1,5 м;
• если уплотнение грунта при засыпке траншеи непосредственно над трубой производилось оборудованием, вес которого превышал 60 кг.
Даже если укладка труб произведена весьма тщательно и аккуратно, на практике часто можно обнаружить, что овальность труб не является одинаковой по всей длине рассматриваемого участка трубопровода. Из-за незначительных неровностей основания и различий в степени уплотнения грунта при первоначальной обсыпке трубы ее овальность изменяется в определенных пределах по длине рассматриваемого участка. Известно также, что овальность трубы может несколько увеличиваться в течение 1–2 лет после прокладки трубопровода [7].
Окончательная средняя овальность труб на участке достигается значительно быстрее, если трубопровод подвергается нагрузке от наземного транспорта, чем если он испытывает нагрузку только от грунта. Чтобы оценить максимальную деформацию труб трубопровода после его укладки, необходимо в расчетную деформацию ввести поправку в соответствии с табл. 1.
|
Условия прокладки
|
Тщательно выполненная и контролируемая укладка труб
|
Неконтролируемая укладка труб
|
|
Некаменистое основание траншеи
|
1–2
|
2–4
|
|
Каменистое основание или прокладка траншеи в горной породе
|
2–3
|
3–5
|
Примечание: Среднее значение для труб с жесткостью несколько ниже 8 кН/кв. м и диаметром меньше 400 мм. Для труб с большими диаметрами или значениями жесткости поправка на овальность будет ниже.
Способность труб принимать овальную форму в значительной степени зависит от их материала. В соответствии с техническими условиями трубы из НПВХ, ПЭ и ПП для прокладки подземных канализационных сетей должны выдерживать 15%-ную овальность при сохранении своей водонепроницаемости. Такая овальность не может явиться причиной каких-либо разрушений трубы в течение 100-летней эксплуатации трубопровода [8]. Поскольку деформационная стойкость труб из НПВХ, ПЭ и ПП очень высокая, то естественно, что ограничения на допустимую овальность устанавливаются вовсе не из опасений повреждения труб. Из практических соображений овальность труб для подземных трубопроводов не должна превышать 10%. Значения величины максимально допустимой овальности сразу после прокладки трубопровода в разных странах различны и обычно устанавливаются национальными стандартами европейских стран в пределах 8–10%.
Значительно более строгие требования установлены для труб из термореактивных пластмасс (стеклопластиков), чем для труб из термопластов. Величина допустимой овальности обусловливается в этом случае возможностью расслоения материала трубы и классом ее жесткости. Максимально допустимая овальность труб сразу после прокладки трубопровода обычно находится в пределах 2–4%.
Если гибкая труба с низкой жесткостью подвергается большим внешним нагрузкам, например от грунта или от грунтовых вод, то возникает риск выпучивания поперечного сечения трубы. Возможность выпучивания обусловливается частично жесткостью трубы, а частично степенью плотности окружающего трубу грунта. Форма выпучивания сечения трубы зависит исключительно от степени уплотненности грунта при первичной обсыпке трубы.
Вообще же можно отметить, что выпучивание редко принимается во внимание при расчетах гибких труб для подземной прокладки. Обычно опасность выпучивания возникает только в случае применения гибких труб очень низкой жесткости (менее 4 кН/кв. м) при большой глубине их прокладки в рыхлом грунте и высоком уровне стояния грунтовых вод. Для труб с минимальной жесткостью 4 кН/кв. м, обсыпаемых шероховатым грунтом, проверка на возможность выпучивания сечения труб требуется лишь при их укладке на глубину более 2,5 м. Для труб с минимальной жесткостью 8 кН/кв. м, обсыпаемых неуплотненным глинистым грунтом, проверка на возможность выпучивания сечения труб должна проводиться при глубине их укладки, превышающей ~ 6 м.
Основные принципы гидравлического расчета самотечных труб и оценка степени влияния свойств полимерных материалов на гидравлические характеристики трубопровода в необходимой степени рассмотрены в работах [6, 9] и применяются в нормативной литературе [4] и на практике.
Проложенный в земле пластмассовый трубопровод обычно имеет незначительную овальность труб, которая в основном зависит от того, как тщательно было проведено уплотнение грунта при обсыпке трубы. Теоретически овальная труба имеет несколько меньшую пропускную способность, чем круглая. Поскольку средняя овальность пластмассовых трубопроводов обычно не превышает 5%, то практически уменьшением пропускной способности можно пренебречь.
Как правило, местные потери в пластмассовых трубопроводах очень малы. Наибольшее воздействие на величину местных потерь оказывают качество выполнения соединений в смотровых колодцах открытых лотков и труб с гидравлической точки зрения и расстояние между ними. Из-за возникающих в канализационной трубе местных потерь напора значение коэффициента шероховатости этих труб будет несколько выше, чем обуславливаемое материалом трубы. Практического значения, однако, это не имеет, поскольку при возникновении подпора в трубе она будет функционировать под давлением, вследствие чего ее пропускная способность обычно возрастает.
Чтобы избежать осаждения твердых частиц, самотечные трубопроводы прокладывают с уклоном, обеспечивающим их самоочищение. Труба считается самоочищающейся, если усилие сдвига слоя воды у дна трубы превышает 1,5 Н/кв. м. Если же усилие сдвига в слое воды у дна трубы меньше 1,0 Н/кв. м, труба не считается самоочищающейся. Чтобы избежать осаждения твердых частиц и опасности образования газов в дюкерах и уложенных под водой трубопроводах (что может привести к их всплытию), скорость движения жидкости в трубе должна быть не ниже 0,6–0,7 м/сек.
Самотечные трубы, прокладываемые в земле, рассчитывают на соответствующие нагрузки от грунта и наземного транспорта, чтобы не была превышена допустимая овальность и чтобы была обеспечена устойчивость сечения трубы против выпучивания. Однако в проведении расчетов для труб из термопластов нет необходимости, если класс жесткости труб выбирается в соответствии с табл. 2, а строительно-монтажные работы проводятся согласно действующим рекомендациям [10].
Если жесткость труб выбрана в соответствии с табл. 2 и выполняются рекомендации по прокладке труб, то можно ожидать, что средняя овальность трубопровода после укладки составит менее 4%. Это означает, что для трубопроводов из термопластов максимальная овальность будет гораздо ниже допустимых значений. Если выбирается более низкий класс жесткости труб, то расчет характеристик трубопровода должен проводиться в каждом конкретном случае.
Литература:
1. Ромейко В. С., Баталов В. Г., Бухин В. Е. и др. Защита трубопроводов от коррозии. — М.: Издательство ВНИИМП, 2002.
2. СНиП 2.04.03-85*. Канализация. Наружные сети и сооружения.
3. СН 478-80. Инструкция по проектированию и монтажу систем водоснабжения и канализации из пластмассовых труб.
4. СП 40-102-2000. Проектирование и монтаж трубопроводов водоснабжения и канализации из полимерных материалов.
5. Шестопал А. Н., Ромейко В. С., Бухин В. Е.и др. Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов из полимерных материалов. Справочник проектировщика. — М.: Стройиздат, 1985.
6. Добромыслов А. Я., Санкова Н. В. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем канализации из пластмассовых труб для зданий и микрорайонов. Рекомендации. — М.: Издательство ВНИИМП, 2002.
7. Бухин В. Е. Результаты 30-летних практических исследований эксплуатации подземных канализационных трубопроводов из поливинилхлорида // Трубопроводы и экология. — 2001. — № 2. — С. 18–20.
8. L. E. Janpon. Long-term Studies of PVC and PE pipes subjected to constant Deflection. KP-Council Report, № 3, Stockholm, 1992.
9. Добромыслов А. Я. Таблицы для гидравлических расчетов напорных и безнапорных трубопроводов из полимерных материалов. — М.: Издательство ВНИИМП, 2002.
10. Ledningsbyggande med plastrursystem. NRG-Nordiska Platrцr Grupper. Stock-holm, 1999.
11. Рекомендации по гидродинамической очистке и телевизионной диагностике систем водоотведения. НИИ АКХ им. К. Д. Памфилова. — СПб, 2001.
12. Ромейко В. С., Бухин В. Е. и др. Трубы и детали трубопроводов из полимерных материалов: Справочные материалы. — М.: Издательство ВНИИМП, 2002.
13. Власов Г. С., Бухин В. Е. Трубопроводы инженерных систем: Каталог / Ред. Беликов С. Е. —М.: Аква-Терм, 2004.
Продолжение в следующем номере.
| Автор: В. Е. Бухин Дата: 10.10.2005 Журнал Стройпрофиль 6-05 Рубрика: стройплощадка Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |