流沙地层中排水管道闭水试验允许渗水量探讨.pdf

第 3 5卷第 1 1期 2 0 1 3年 1 1月 人民黄河 YELL 0W RI VER Vo 1 3 5， No 1 1 NO V 2 01 3 【 水利水 电工程 】 流沙地层中排水管道闭水试验允许渗水量探讨 沈 浩 ( 同济大学，上海 2 0 0 0 0 1 ) 摘要： 借助地质资料及试验研究结果， 从地质条件、 工程设计和施工等 3个方面分析了上海高地下水位的流沙地层中 频频发生排水管道沉陷的原因， 通过对国内外闭水试验标准的对比分析和模型验算， 提 出了适合流沙地层区域排水管道 闭水试验允许渗水量标准的建议值， 以降低流沙地层中排水管道沉陷的发生频率。 关键词 ： 流沙地层；闭水试验；渗漏量；排水管道 中图分类号 ：$ 2 7 6 3 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 1 1 0 4 0 I n v e s t i g a t i o n f o r t he S e we r s Pe r mi t t e d I n fil t r a t i o n Vo l ume o f W a t e r Ob t ur a t i o n T e s t i n Qu i c k s a n d S t r a t u m S HEN Ha o ( T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n a n d e x p e ri me n t al r e s u l t s ，t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e c a u s e s o f t h e s e we r s d r a i n a g e s u b s id e n c e h a p p e n e d o fte n i n t h e q u i c k s an d s t r a t u m in S h a n g h a i Ci t y f r o m t h r e e a s p e c t s o f e n g i n e e rin g d e s i g n an d c o n s t r u c t i o nTh r o u g h c o mp a r a t i v e a n a ly s i s o f wa t e r o b t u r a t i o n t e s t s t a n d a r d s a t h o me an d a b r o a d an d mo d e l c h e c k i n g，t h i s p a p e r p u t f o r wa r d for t h e s t a n d a r d s o f s e we r s p e r mi t t e d i n fil t r a t i o n v o l u me o f wa t e r o b t u r a t i o n i n q u i c k s a n d s t r a t u m a r e a r e c o mme n d e d v a l u e s，i n o r d e r t o red u c e t h e o c c u r r e n c ee q u e n e y o f p i p e d r a i n a g e s u b s i d e n c e i n q u i c k s a n d s t r a t u m Ke y wo r d s：q u i c k s an d s t r a t u m；wa t e r o b t u r a t i o n t e s t ；l e a k a g e ；s e we r 1 流沙对排水管道的危害 流沙是排水管道工程建设 中经常碰到的一种工程地质现 象 ， 发生的主要原因是含水饱和的松散粉性土、 沙性土产生渗 流而失去稳定。在流沙地层中， 当地下水的压力差达到一定数 值时， 就会产生地下水带着泥沙一起涌冒的现象。流沙现象的 产生可以用图 1 来说明， 若在一个容器中放上细沙， 其下设置 滤网， 在加水的情况下 ， 水流就沿着箭头方向流动， 因而产生了 上升的总压力P ， 随着 h不断变大， 总压力 P也不断增大， 当P 与土样的重力相等时， 即出现水力梯度临界值 h 。 ， 当 h值超过 h 时就会产生流沙现象。 图 1 室内模 拟流 沙现象 根据上海地基基础设计规范编制组对上海地区流沙地层 的研究分析， 上海流沙地层的土质以松散粉性土、 沙性土为主， 地下水位较高( 一般为路面以下 1 01 5 m) ， 绝大多数高于 排水管道的埋设深度， 管道周边土体的含水率较高， 极易使管 道外土体随地下水流入管内， 造成管周的土体流失 ， 日积月累， 管周形成“ 空洞” ， 导致土体沉陷和管道下沉 ， 严重的甚至造成 道路路面坍塌 ， 俗称“ 沉管” 。 高水位流沙地层容易诱发“ 沉管” ， 严重影响排水管道的使 用寿命 ， 且会对城市交通、 周边建筑等造成很大影响。上海“ 沉 管” 发生频率较高的地 区主要集中在杨浦、 普陀、 虹 口、 闸北 4 个区。这些区域绝大部分是与吴淞江故河道的范围重叠的， 在 近 1 2 a完成的 1 0 8项“ 沉管” 抢修工程中， 9 9例发生在吴淞江 故河道的范围内， 比例高达 9 1 7 。 2 “ 沉管 发生原因分析 2 1 地质原因分析 根据上海地基基础设计规范编制组对上海地区流沙地层 的研究分析， 以及对普陀、 闸北等区发生流沙现象地点的钻孔 资料及土质分析， 归纳得 出易于产生流沙现象的 5个土质条 件 ： 黏粒含量 7 5 ； 不均匀 系数在 1 6 3 2之间； 土的孔隙比e 0 8 5 ； 含水量 3 5 ； 厚 度 2 5 m的沙性 土及 粉性 土 。 上海“ 沉管” 频发区域的排水管道埋设地往往是流沙地层， 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 - 3 0 作者简介： 沈浩( 1 9 8 1 一) ， 男， 江苏盐城人， 工程师， 主要从事排水管道建设工 程 管理 工作 。 E- ma i l ：s md a s h 1 2 6 c o m 1l 3 人 民 黄 河2 0 1 3年第 1 1期 且地下水水位较高， 一般为地面以下 l m左右， 完全符合产生 流沙的条件， 这是造成这些区域“ 沉管” 频发的主要地质原因。 2 2 设计、 施工等原因分析 根据流沙地层的土质特点 ， 排水管道接口或者任意某个环 节止水功能失效就会诱发“ 沉管” ， 而 上海早期的排水管道接 口 设计均为刚性接口， 抵抗不均匀沉降能力较差， 特别是在流沙 地层中容易发生管道接 口渗漏， 引起管周土体流失， 时问久了 就会诱发“ 沉管” 。 排水管道在施工验收时按规定要进行管道闭水试验， 闭水 试 验的允许 渗漏 量 ， 上海早 期采用 的是 市 政工 程施工 及验 收 技术规程 中的标准， 目前采用 城镇排水工程施工质量验收规 范 ( D G T J 0 8 2 0 1 02 0 1 2 ) 来检验管道严密性。而在流沙地 区采用与其他土质条件同样的标准是否偏低， 笔者通过闭水试 验标准比较和验算来说明。 3 常见排水管道闭水试验标准的比较 常见的国内闭水试验标准有上海 市政工程施工及验收技 术规程 、 城镇排水工程施 工质量验收规范( D G T J 0 8 2 0 1 0 2 0 1 2) 、 国标 给 水排水 管道工程施 工及 验收 规范 ( GB 5 0 2 6 8 2 0 0 8 ) ， 这 标准中的闭水试验允许渗漏量都是以 m ( k md ) 为单 位 的， 其 中 G B 5 0 2 6 82 0 0 8与 D G T J 0 8 2 0 1 0 2 0 1 2的标准是一致 的 。而国外 闭水 试验标 准常用的 有美国标准 A T S M 9 6 9 M一0 2和欧洲标准 D I N E N 1 6 1 0 ： 1 9 9 8 ， 闭 水试验允许渗漏量标准单位是采用 l J( m m( 管道直径) k m( 管 道长度) d ) ， 或者 J l ( m ( 管道 内表面积 ) 3 0 m i n ) 。 考虑到排水管道渗漏是与内表面积成正 比的 ， 且 为丁便于 比较 ， 笔者将这些标准规定的允许渗漏量统一换算成单位内表 面积的渗漏量 m 。 ( m S ) ， 即m s 。计算结果见表 l 。 表 1 闭水试验允许渗 漏量标准 比较 由表 1可知 ， 美国标准和欧洲标准很接近， 而上海市政规 范及国标与国外的标准相比要宽松很多。 4 集中渗漏点孔径验算 排水管道任意环节的止水措施失效都可能诱发“ 沉管” ， 这 里的止水措施失效的任意环节可以看作一个渗漏点。由于排 水管道渗漏是与内表面积成正比的， 这里不妨假设在每 1 m。 的排水管道内仅有 1 个渗漏点， 称之为集中渗漏点。 为了计算闭水试验允许渗水量对应的集中渗漏点孔径， 假 想一个验算模型( 见图2 ) ， 排水管道的内径用 D表示， 闭水试 验压力水头采用标准规定 的 2 m， 集 中渗漏点 的小孔 孔径 用 d 表示， 该渗漏小孔位于排水管道底部时水头压力是最大的， 考 虑渗漏点在管道底部最不利的情况下进行计算。小孔渗漏的 流量用 Q表示， 排水管道管壁厚度用 表示。 1 1 4 图 2 闭水试验允许渗水量的验算模型 闭水试验是在管道 同填前进行的， 每 1 m 内表 丽积范围 的排水管道内只有 1个集中渗漏点， 集中渗漏点直接与火气相 通， 一般情况下如果渗漏孔径很大 ， 在验收时通过肉眼或借助 放大镜就能够观察到， 所以这里研究的集中渗漏点的孔径是很 小 的 ， 验算的集中渗漏点孔径 d 4 d ， 这样 的条件完全符合薄璧小孔 口自由出流的条件， 可以利用式( 1 ) 来计算集中渗漏点的孔径， 计算结果见表 2 。 d =q o 2 5 ( 1 ) 式中： q为各标准所规定闭水试验允许渗水量 ， m s ； H为压力 水头 ， m， H= 2+D( 管道直径)+， J ( 壁厚) ； 肛为孔 口流量系数， 取 0 6 2 ； g取 9 8 。 表 2 集 中渗漏点孔径计算结果 m m 5 结论 根据上海现行 的设计通用标 准， ( 下转第 1 1 7页) 人 民 黄 河2 0 1 3年第 1 1 期 对影响边坡的多因素进行相关性分析 ， 结果表明： 重度和黏聚 力、 重度和内摩擦角作为 自变量 的相关性较差 ； 而黏聚力和 内 摩擦角， 以及重度、 黏聚力和内摩擦角作为 自变量的相关性很 好。采用黏聚力 C和内摩擦 角 作为 自变量时 ， 剩余标准差 R MS E= 0 0 0 1 4 5 6 ， 相关系数 R = 0 9 9 9 9 6 1 ， 方差分析的统计 量 F= 7 7 6 5 0 7 。采用重度 y、 黏聚力 c和内摩擦角 作为 自 变量 时 ， R MS E= 0 0 0 1 5 8 9 、 R =0 9 9 9 9 6 2 、 F=4 3 4 8 8 8 ， 不 过 可以发现此时 ( 重度 ) 的系数为 一 8 31 0， 几乎为 0 ， 是 可以忽略的， 因此把黏聚力 c和内摩擦角 作为自变量建立回 归模型方程式为 F=一 0 0 2 5 3+ 0 0 1 2 5 C+0 0 6 7 3 。 3 2 回归模型显著性检验 检验 自变量 、 ： 、 、 对因变量 Y是否有显著影响， 最 常用的整体性检验方法是方差分析法 ， 利用 MA T L A B的 r e g r e s s 函数完成上述模型评价， 结果见表 6 。由表 6可知， 当显著性水 平 = 5 时 ， P=0 ， 即 O P且 P 0 0 1 ， 可 以得 出， 回归方程 有显著意义且高度显著。方差分析见表 7 。 表 6回归分析结果 参数 6 h i n t r t i n t s a t a R 一 0 0 2 5 3(一 0 0 3 3 8 ， 一 0 0 1 6 8 )一 0 0 0 0 1 (一 0 0 0 3 6 , 0 0 0 3 4 ) 1 F 0 0 1 2 4 ( 0 0 1 2 2 ， 0 0 1 2 7 ) 一 0 0 0 1 0(一 0 0 0 4 2 ， 0 0 0 21 ) 7 7 6 5 1 P 0 0 6 7 3 ( 0 0 6 6 9 ， 0 0 6 7 8 )0 0 0 0 2 ( 一 0 0 0 3 3 ， 0 0 0 3 6 ) 0 注 ： b为模 型参 数的估计值 ； b i n t 为参 数的 9 5 置信 区间； r为残 差； r i n t 为残差 的9 5 置 信 区间； s a t a s为检验 统计量 ； R 为相 关系数 ； F为 方差分析的统计量 ； P为方差分析的显著性概率。 表 7 回归方程显著性检验方差分析 _- _-+ 一 4 结语 均匀设计方法可以减少试验量 ， 同时又能保证结果的普遍 性， 对于少因素多水平的分析具有很大优势。用方差分析法对 影响边坡的多因素进行了显著性检验， 结果表明： 黏聚力 C和 内摩擦角 对边坡稳定性的影响是显著的， 且根据回归方程 ， 内摩擦角 是主要影响因素， 所以在滑坡治理中要主要控制黏 聚力 C和内摩擦角 的值； 土体重度 y对滑坡稳定性影响不显 著 ， 可 以忽略 。 参考文献 ： 1 谢全敏， 李道明， 夏元友 顺层滑移型岩质边坡稳定性影响因素敏感性分析 J 华东公路， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 9 7 9 8 2 方开泰 均匀设计： 数论方法在试验设计的应用 J 应用数学学报， 1 9 8 0 ( 4)： 3 6 33 7 2 3 方开泰 均匀设计及其应用 J 数理统计与管理， 1 9 9 4 ( 1 ) ： 5 7 6 3 4 方开泰 均匀设计与均匀设计表 M j E 京： 科学出版社， 1 9 9 4 5 方开泰 均匀试验设计的理论 、 方法和应用： 历史回顾 J 数理统计与管 理 ， 2 0 0 4 ( 3 )： 31 6 6 苟海军 基于均匀设计的边坡稳定性分析 D 西安： 西安理工大学， 2 0 0 9 7 M o r g e n s t e r n N R ， P r i c e V E T h e A n M y s is o f t h e S ta b i l it y o f G e n e r a l S l i p S u r - fa c e J G e o t e e h n i q u e ， 1 9 6 5 ， 1 5 ( 1 ) ： 7 9 9 3 8 朱大勇， 李焯芬， 黄茂松， 等 对3种著名边坡稳定性计算方法的改进 J 岩石力学 与工程 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 2 ) ： 1 8 3 1 9 4 9 陈祖煜 土质边坡稳定分析： 原理方法程序 M 北京： 中国水利水电出版 社 2 0 0 3 1 0 黄 昌乾 ， 丁恩保 边坡工程常用稳定性分析方法 J 水 电站设计 ， 1 9 9 9 ， 1 5 ( 1 )： 5 3 5 8 【 责任编辑吕艳梅】 ( 上接第 1 1 4页) 对排水管道沟槽回填时， 钢筋混凝土管采用中 粗沙进行回填压实至与管道半径等高， 在交通干道用中粗沙 回 填到管顶以上 5 0 a m， 埋地塑料排水管道也是中粗沙回填到管 顶5 0 e m。根据 岩土工程勘察规范 ( G B 5 0 0 2 1 -2 0 0 5 ) 对土的 工程分类 ， 中沙的粒径主要集中在0 2 5 0 5 mm范围内 ， 而 根据现行的国内闭水试验标准计算 出集中渗漏点孔径都大于 0 2 5 m m， 美国和德国标准都小于0 2 5 m m。流沙地层中松散 粉性土、 沙性土较多 ， 排水管道在这样的土质条件下极易使管 道周边土体发生流失， 相对国外闭水试验允许渗漏量标准 ， 国 内标准较宽松 ， 难以有效控制“ 沉管” 发生。 要在流沙地层区域内减少“ 沉管” 的发生， 需要有针对性地 提高排水管道闭水试验允许渗漏量标准。当闭水试验允许渗 漏量标准模型验算出的集中渗漏点孔径小于施工回填中沙的 粒径时， 就可以减少管周土体的流失， 从而降低“ 沉管” 的发生 频率。从这个角度考虑 ， 在流沙地层中的排水管道闭水试验允 许渗漏量标准至少应提高到集中渗漏点孔径临界数值 0 2 5 m m， 即中沙粒径的下限值， 才能起到降低流沙地层中“ 沉管” 发 生频率的作用。 - -一一一0 为此， 按集中渗漏点孔径 0 2 5 m m来计算流沙地层中的排 水管道闭水试验允许渗水量建议值， 计算结果见表3 。 表 3 建议允许渗漏量计算结果 管径 m m 3 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 量 _ 2 o 6 2 2 2 o 4 2 2 9 1 2 3 7 6 2 5 8 3 2 6 9 5 2 7 6 5 参考文献 ： 1 王梦江， 丁曜， 全洪福在流沙地层中防治排水管道“ 沉管” 的对策研究 C 上海 ： 上海市排水管理处 ， 2 0 0 6 2 国家技术监督局， 中华人民共和国建设部 G B 5 0 2 8 6 -2 0 0 8给水排水管道 工程施工及验收规范 S 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 3 上海市城乡建设和交通委员会 D G T J 0 8 2 0 1 0 2 0 1 2城镇排水工程施工 质量验收规范 S 上海： 上海市建筑建材业市场管理总站， 2 0 1 2 4 中华人民共和国建设部 G B 5 0 0 2 1 -2 0 0 5 岩土工程勘察规范 S 北京： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 5 【 责任编辑许立新】 1 l 7