南陽(yáng)膨脹土地區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)探討

黃 靜，師文龍，鞏師俞，龔智雄

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100034）

1 引言

膨脹土是一種同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的粘性土，其黏粒成分主要由親水性礦物組成[1]。膨脹土的活動(dòng)性很強(qiáng)，對(duì)環(huán)境變化的影響極為敏感，不同建筑物的規(guī)模、使用要求、場(chǎng)地屬性、地下水位情況以及防護(hù)區(qū)內(nèi)埋地給排水管道泄漏等都會(huì)影響下方的土層溫濕度，造成建筑地基、地下管線總變形和差異變形，從而對(duì)建筑物地基、埋地給排水管線造成破壞，且難以修復(fù)。因此，對(duì)膨脹土的危害應(yīng)遵循“預(yù)防為主，綜合治理”的原則。

膨脹土成因類型、礦物組成復(fù)雜且地區(qū)差異性較大，當(dāng)前，我國(guó)對(duì)膨脹土的脹縮機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)尚處于逐步提高、統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的階段[1]。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范方面，除國(guó)標(biāo)GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》外，一些地方也根據(jù)當(dāng)?shù)嘏蛎浲燎闆r制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程，如DB 45/T 396-2007《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》、DBJ 53/T-83-2017《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》等，使設(shè)計(jì)人員有據(jù)可循。但總體上，相對(duì)于技術(shù)成熟的地震區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)來(lái)說(shuō)，膨脹土地區(qū)給排水管線的設(shè)計(jì)存在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、具體實(shí)施不明確等問(wèn)題。

河南省南陽(yáng)盆地是我國(guó)典型的膨脹土地區(qū)之一，膨脹土占南陽(yáng)盆地面積的65%，廣泛分布在二級(jí)階地和丘陵漫崗[2]。本文從膨脹土對(duì)給排水管道的影響分析入手，以南陽(yáng)地區(qū)為例，探討膨脹土地區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，以期為類似工程提供設(shè)計(jì)參考。

2 膨脹土對(duì)給排水管線的影響

2.1 埋地給排水管道的受力分析

根據(jù)膨脹土的性質(zhì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)膨脹土脹起而被完全約束時(shí)，將產(chǎn)生最大的膨脹壓力；相反，當(dāng)允許膨脹土自由移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生最小的膨脹壓力[3]。管道在埋深一定，土質(zhì)穩(wěn)定的情況下，作用在管道上的壓力處于平衡狀態(tài)。

Pp-管道下方土體對(duì)管道產(chǎn)生的向上垂直力（kg）；P1-管道上方覆土重力（kg）；P2-管道含水自重。

膨脹土層中含水量的季節(jié)性變化導(dǎo)致管道下方土層產(chǎn)生膨脹-收縮-再膨脹-再收縮往復(fù)可逆變形。在土體剪切壓力Pp作用下，輕者使管道產(chǎn)生線性位移，嚴(yán)重者導(dǎo)致管道滲漏或斷裂，甚至影響周圍建筑物的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)[4]，膨脹土中的線性膨脹率較收縮率小，膨脹土失水收縮給管道帶來(lái)的危害，遠(yuǎn)大于吸水膨脹的危害。盧冰等人在對(duì)南陽(yáng)膨脹土地區(qū)房屋開(kāi)裂的原因研究中發(fā)現(xiàn)[2]，1978年南陽(yáng)西郊大規(guī)模房屋建筑開(kāi)裂破壞的根本原因在于持續(xù)干旱，膨脹土收縮，也印證了此觀點(diǎn)。

2.2 不同因素對(duì)膨脹土地區(qū)給排水管線的影響

（1）當(dāng)?shù)貧庀髼l件

大氣影響深度是指在自然氣候影響下，由降水、蒸發(fā)和溫度等因素引起地基土壤所變形的有效深度[1]，無(wú)資料時(shí)，可按GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》表5.2.12選用。大氣影響急劇層深度是指大氣影響特別顯著的深度，可按大氣影響深度值乘以0.45采用。以南陽(yáng)地區(qū)為例，南陽(yáng)地區(qū)土的濕度系數(shù)為0.80，當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃葹?.5 m，大氣影響急劇深度為1.575 m。室外埋地給排水管線宜深埋，盡量敷設(shè)在大氣影響急劇深度以下。

除大氣影響深度外，常年地下水位深度也是影響膨脹土地區(qū)管道敷設(shè)深度的重要指標(biāo)。常年地下水位較高（一般在基礎(chǔ)埋深標(biāo)高下3 m以內(nèi)）時(shí)，由于毛細(xì)作用圖中水分基本是穩(wěn)定的，脹縮可能性極小，可按一般天然地基進(jìn)行給排水管道設(shè)計(jì)。

（2）場(chǎng)地土質(zhì)情況

膨脹土的膨脹潛勢(shì)按表1分類。

表1 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類

不同場(chǎng)地的膨脹土膨脹潛勢(shì)不盡相同，給排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的技術(shù)措施也不同。在進(jìn)行膨脹土地區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重場(chǎng)地地勘資料，除了常規(guī)的水文地質(zhì)條件、抗震設(shè)防烈度、凍土深度等外，也要關(guān)注自由膨脹度等巖土設(shè)計(jì)參數(shù)，與結(jié)構(gòu)專業(yè)共同確定管道基礎(chǔ)的處理方案。

（3）場(chǎng)地綠化

景觀綠化不僅對(duì)人類的生存和身心健康有重要的社會(huì)效益，對(duì)膨脹土地區(qū)的建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定和地下管線敷設(shè)也有著舉足輕重的意義。研究表明[2]，樹(shù)木生長(zhǎng)期根系的吸水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土壤水分蒸發(fā)的強(qiáng)度，在建筑物或者埋地管線附近種植高大樹(shù)木，其往往容易受到比較嚴(yán)重的破壞。所以，在膨脹土地區(qū)，埋地給排水管線兩側(cè)附近不可種植大樹(shù)，尤其是桉樹(shù)、木麻黃等速生樹(shù)種，避免樹(shù)木根系吸水導(dǎo)致土壤膨脹。

（4）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式

在膨脹土地區(qū)，建筑物基礎(chǔ)形式的不同，對(duì)給排水管線設(shè)計(jì)也提出了不同的要求。對(duì)于采用滿堂基礎(chǔ)的建筑物，可視為完全消除膨脹性，室內(nèi)部分給排水管線可不做特殊處理，室外埋地管道距離建筑物外墻基礎(chǔ)外緣的凈距不應(yīng)小于3 m，管道接口部位應(yīng)采取防滲漏措施，不滿足距離要求范圍內(nèi)的給排水管線宜敷設(shè)在防滲溝內(nèi)。對(duì)于采用其他基礎(chǔ)形式的建筑物，雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已消減了基礎(chǔ)下方膨脹土的脹縮性，但考慮到埋地管道的漏損，給排水管道設(shè)計(jì)時(shí)宜采用防滲管溝等防水方式，提高基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性。

3 膨脹土地區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 室內(nèi)給排水管道設(shè)計(jì)

室內(nèi)正負(fù)零以上的給排水管道宜明裝，暗設(shè)管道必須設(shè)置便于檢修的設(shè)施。室內(nèi)給水管道應(yīng)根據(jù)便于及時(shí)截?cái)嗦┧芏魏捅阌跈z修的原則，在干管和支管上適當(dāng)增設(shè)閥門。超過(guò)30 m長(zhǎng)的架空橫干管應(yīng)采用補(bǔ)償裝置增加管道的可撓性。管道接口應(yīng)嚴(yán)密不漏水，并具有柔性。設(shè)計(jì)時(shí)需協(xié)同建筑、工藝等專業(yè)，將首層的用水點(diǎn)集中設(shè)置，盡可能的縮短埋地管線的長(zhǎng)度，一般在地下室不宜設(shè)置衛(wèi)生間。必須設(shè)置衛(wèi)生間時(shí)，其糞便污水應(yīng)采取隔離措施單獨(dú)提升排出；其余生活、生產(chǎn)廢水可采用排水溝收集，經(jīng)集水坑內(nèi)提升排出，集水坑應(yīng)做好防水防腐處理，不得漏水。屋面雨水宜采用外排水，盡量明裝，當(dāng)采用有組織外排水時(shí)，宜選用耐用材料的管道，末端距離散水地面不應(yīng)大于300 mm。

室內(nèi)埋地管道宜敷設(shè)在防滲管溝內(nèi)，若采用綜合管溝，應(yīng)考慮防止污染的措施，且應(yīng)采取防止地面水及雨水流入溝內(nèi)及檢漏井內(nèi)的措施。埋地管道穿過(guò)建筑物基礎(chǔ)或墻時(shí)，應(yīng)預(yù)留孔洞。洞與管溝或管道的上下凈空不宜小于100 mm。洞邊與管溝外壁應(yīng)脫開(kāi)，其縫隙應(yīng)采用不透水的柔性材料封堵。柔性材料可采用發(fā)泡聚乙烯或聚氨酯等材料。

3.2 室外給排水管線的設(shè)計(jì)

3.2.1 管道平面位置的確定

室外埋地給排水管道應(yīng)沿區(qū)內(nèi)道路敷設(shè)并布置在防護(hù)范圍外，宜敷設(shè)在人行道、慢車道或草地下，室外給水管道與其他管線及喬木之間的最小凈距，應(yīng)符合GB5 0015-2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄E的規(guī)定，室外排水管道不應(yīng)布置在喬木下面。

對(duì)于埋地給排水管道與建筑物之間的防護(hù)距離要求，GB5 0112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，地下給排水管道距離建筑外墻基礎(chǔ)外緣的凈距不應(yīng)小于3 m。DBJ 53/T-83-2017《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》與國(guó)標(biāo)保持一致。DB 45/T 396-2007《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》中要求大型給排水管溝應(yīng)設(shè)在場(chǎng)區(qū)邊緣，室外排水管溝應(yīng)遠(yuǎn)離建筑物（不小于6 m）。可見(jiàn)，在給排水管道平面布置時(shí)，應(yīng)充分考慮地方規(guī)定及工程經(jīng)驗(yàn)，合理確定防護(hù)距離，地方無(wú)相關(guān)規(guī)定時(shí)，可按國(guó)標(biāo)規(guī)定執(zhí)行。對(duì)于防護(hù)距離要求內(nèi)的給排水管線宜敷設(shè)在防滲管溝中，防護(hù)范圍外的管道，采用管道直埋的方式。

3.2.2 管道埋深的確定

膨脹土地區(qū)室外埋地給排水管道的覆土深度，應(yīng)根據(jù)大氣影響深度、土壤冰凍深度、車輛荷載、管道材質(zhì)及管道交叉等因素確定。當(dāng)膨脹土埋藏較深或地下水位較高時(shí)候，管道可淺埋；反之，管道宜埋設(shè)在大氣急劇影響深度層以下。

3.3 埋地給排水管道技術(shù)措施

3.3.1 鋼筋混凝土防滲管溝

對(duì)于室內(nèi)埋地給排水管線、防護(hù)范圍以內(nèi)的室外埋地管線、高膨脹地區(qū)室內(nèi)外埋地給排水管線，宜采用鋼筋混凝土防滲管溝，并應(yīng)設(shè)置檢漏井。管溝在長(zhǎng)度方向上每30～40 m設(shè)伸縮縫，并在管溝最低處和伸縮縫前設(shè)檢漏井。檢漏溝的寬度應(yīng)能滿足管道檢修空間的要求，一般為D+600 mm（其中，D為管道外徑）[3]，也可參考濕陷性黃土地區(qū)檢漏溝的做法，但需要結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行核算，以免過(guò)度設(shè)計(jì)造成不必要的浪費(fèi)。檢漏溝應(yīng)做防水處理，對(duì)于直徑較小的管道，當(dāng)采用管溝確有困難時(shí)，可采用金屬或鋼筋混凝土套管。檢漏管溝的溝底坡度不宜小于0.02，坡向室外檢漏井，檢漏溝穿出外墻的施工縫，宜設(shè)在室外檢漏井處或超出基礎(chǔ)3 m處。檢漏井內(nèi)設(shè)集水坑，其深度不宜小于300 mm。

3.3.2 管道溝槽換填

對(duì)于防護(hù)區(qū)范圍外的埋地給排水管道，可采用溝槽換填的方法消除及減小膨脹土的脹縮變形。管道溝槽換土是指全部或者部分挖掉膨脹土，換填砂土、灰土，使基礎(chǔ)脹縮變形得到消除和減小的一種常見(jiàn)的膨脹土地區(qū)管道基礎(chǔ)的處理方法。在換土法實(shí)施過(guò)程中，需要進(jìn)行必要的脹縮變形計(jì)算，以便合理確定換土厚度，保證剩余膨脹土的脹縮變形滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。另外一種局部換土的方法，可在基礎(chǔ)下方設(shè)置隔水防滲層，隔水層可采用300 mm厚的3：7灰土或者采用防水油氈等柔性防水材料，防水層寬度范圍為二倍的管道直徑，管道周圍300～400 mm范圍內(nèi)回填砂等非膨脹性材料[3]。

3.4 管材的選擇

在膨脹土地區(qū)，給排水管道材料應(yīng)經(jīng)久耐用，管道質(zhì)量應(yīng)高于一般地區(qū)要求，管道接口應(yīng)嚴(yán)密不漏水，并具有柔性。

對(duì)于給水、消防等壓力管道，宜選用球墨鑄鐵管、鋼管、PE給水管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等，除鋼管、PE管外，管道接口均采用承插式橡膠圈接口。對(duì)于重力流管道，宜采用機(jī)制排水鑄鐵管、PVC-U雙壁波紋管、PE排水管、PE纏繞結(jié)構(gòu)壁排水管、玻璃鋼夾砂排水管等，管道接口采用承插式橡膠圈接口。

4 南陽(yáng)膨脹土地區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目位于南陽(yáng)，根據(jù)地勘成果及區(qū)域地質(zhì)資料分析，擬建場(chǎng)地存在的特殊性巖土為人工填土和膨脹性土。其中，場(chǎng)區(qū)人工填土層普遍分布，主要為粉質(zhì)黏土填土①層，層厚0.30～1.00 m。粉質(zhì)黏土②層和粉質(zhì)黏土③層均為膨脹土，其中粉質(zhì)黏土②層自由膨脹率70%～89%，平均77%；粉質(zhì)黏土③層自由膨脹率71%～90%，平均80%，具有中等膨脹潛勢(shì)。本場(chǎng)地巖土工程勘察期間，20 m深度內(nèi)未見(jiàn)地下水和上層滯水。

4.2 室內(nèi)外給排水管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本項(xiàng)目單體內(nèi)正負(fù)零以上的給排水管線設(shè)置在水管井內(nèi)，水管井按層設(shè)置檢修門，首層給排水點(diǎn)位集中設(shè)置，室內(nèi)埋地給排水管道、距離建筑基礎(chǔ)外緣3 m以內(nèi)的室外埋地給排水管道均設(shè)置在鋼筋混凝土防滲管溝內(nèi)，管溝尺寸為寬度為D+600 mm，最小寬度為1 m，深度為600 mm，給水、消防等壓力管道與重力流排水管道分溝設(shè)置。局部管徑小于等于75 mm的排水管道做溝困難的，采用大于管道直徑兩倍的C20鋼筋混凝土套管包封，套管兩端采用不透水的柔性材料封堵。經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)核算后，防滲管溝做法參考GJBT-739（04S531-2）《濕陷性黃土地區(qū)給水排水檢漏管溝》。管溝內(nèi)設(shè)0.02的坡度坡向室外檢漏井，在檢漏井前設(shè)施工縫，檢漏井內(nèi)設(shè)深度為300 mm的集水坑。屋面雨水采用外排水，末端距離散水200 mm。

地勘顯示項(xiàng)目所在地凍土為0.1 m，南陽(yáng)地區(qū)的大氣急劇影響深度為1.575 m，給排水管線宜埋設(shè)在大氣急劇影響深度以下，然而埋深加深帶來(lái)造價(jià)的增加，經(jīng)管線綜合及結(jié)構(gòu)計(jì)算后，本項(xiàng)目給水、消防等壓力管線埋深為1.2 m，排水干管起點(diǎn)埋深為1.55 m，管道下方0.5 m范圍內(nèi)換填為非膨脹性土。管道及附屬構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，采用夯實(shí)300 mm厚土墊層，上設(shè)300 mm厚的3：7灰土隔水防滲層。室外雨水采用排水明溝，溝底坡度不小于0.005。

本項(xiàng)目室外給水、消防、壓力廢水管道采用給水球墨鑄鐵管，管道接口為承插式橡膠圈接口，接口處采用混凝土枕基以保障管道接口嚴(yán)密性。重力流排水管道，采用PE纏繞結(jié)構(gòu)壁排水管，管道環(huán)剛度為SN8.0，管道接口采用承插式橡膠圈接口，采用混凝土條形基礎(chǔ)。

室外閥門井、消火栓井、檢漏井、排水檢查井、隔油池、降溫池、化糞池等室外給排水附屬構(gòu)筑物等均做防水處理，并采用鋼筋混凝土材質(zhì)。

5 結(jié)論

（1）在膨脹土地區(qū)，影響給排水管道設(shè)計(jì)的主要因素有當(dāng)?shù)貧庀髼l件、場(chǎng)地土質(zhì)情況、場(chǎng)地綠化、建筑物基礎(chǔ)形式等，其中大氣影響深度、常年地下水位深度對(duì)于管道的埋設(shè)深度有重要影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。

（2）在給排水管道平面布置時(shí)，應(yīng)結(jié)合地方規(guī)定及當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理確定防護(hù)距離，地方無(wú)相關(guān)規(guī)定時(shí)，可按國(guó)標(biāo)規(guī)定執(zhí)行。

（3）對(duì)于室內(nèi)埋地的給排水管道、防護(hù)范圍之內(nèi)室外埋地給排水管道、中高膨脹地區(qū)、建筑標(biāo)準(zhǔn)高的低膨脹地區(qū)的室內(nèi)外埋地管道可采用設(shè)置鋼筋混凝土防滲管溝、檢漏井等技術(shù)措施，通過(guò)長(zhǎng)期定時(shí)檢修和維修，保障管道安全運(yùn)行。對(duì)于防護(hù)范圍之外的埋地給排水管道可采用管道溝槽換填、基礎(chǔ)下設(shè)隔水防滲層等技術(shù)消減膨脹土的脹縮性能，提高工程可靠性。

總之，我國(guó)膨脹土分布廣泛，成因類型、礦物組成復(fù)雜且地區(qū)差異性較大，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行給排水管道設(shè)計(jì)應(yīng)充分吸納當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)地地勘資料，合理確定給排水管道管材、敷設(shè)方式、管基處理方式等，確保工程技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理。