玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管破損原因分析
——以有壓污水管破損為例

曹一翔

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 500510）

某道路工程污水壓力管（DN1 000），長約1 200 m，材質(zhì)為玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管。2010年7月開工，2014年6月竣工驗(yàn)收，該管道所處路段的軟基處理方法為堆載預(yù)壓。項(xiàng)目竣工驗(yàn)收后，此管道一直處于閑置狀態(tài)，2018年3月，泵站建成通水時發(fā)現(xiàn)該管道出現(xiàn)局部滲漏問題，同年4月，維修單位對管道進(jìn)行了檢測和修復(fù)，現(xiàn)管道處于通水狀態(tài)，但檢測修復(fù)報告顯示該管道依然存在滲漏風(fēng)險，于2020年9月10～11日對現(xiàn)場進(jìn)行探坑法結(jié)構(gòu)病害檢測。

1 工程設(shè)計概況

管道漏水開挖現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 管道漏水開挖現(xiàn)場

該項(xiàng)目污水管道多位于綠化帶，其主要管槽回填材料設(shè)計使用砂墊層和石粉，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管溝槽回填大樣

該壓力管道設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)如下：

（1）槽底至0.5外徑部分，密實(shí)度≥95%，管道兩側(cè)回填采用石粉（粒徑≤18 mm），回填時按150 mm厚一層，分層回填，從溝槽兩側(cè)向中心方向夯實(shí)，嚴(yán)禁單測回填和夯實(shí)。

（2）0.5外徑至管頂以上500 mm部分，密實(shí)度≥93%，分層回填，每層厚度不大于200 mm，管道正上方回填砂壓實(shí)過程中要注意避免沖擊力對管道造成的損害。

（3）管頂以上500 mm以上部分，回填同道路結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

（4）除標(biāo)明外，回填材料可以采用道路、管線開挖土或者地基處理卸載土，但不得含有有機(jī)物、淤泥、凍土、大于50 mm的磚、石等硬塊。

根據(jù)洽商記錄，測得現(xiàn)場水位高度為+2.126 m，管底高程在0.8～1.0 m之間，因此D1 000的管頂均在地下水位以下。洽商記錄中約定，地下水位以下部分改用砂回填，用水密法加振動棒密實(shí)，取消地下水位以下部分壓實(shí)度檢測。

2 玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管結(jié)構(gòu)

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管簡稱為玻璃鋼夾砂管，基體材料為不飽和聚酯樹脂，增強(qiáng)材料為玻璃纖維，填料通常為無機(jī)非金屬材料，如碳酸鈣、石英砂等，采用定長纏繞工藝、離心澆鑄工藝、連續(xù)纏繞工藝方法制成的管道。玻璃鋼夾砂管是一種新型的柔性非金屬復(fù)合材料管道，常用的非金屬材料主要為樹脂、纖維、砂等，一般采用離心澆鑄工藝生產(chǎn)，是目前國內(nèi)外逐漸推廣使用的一種柔性復(fù)合材料管道。

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管管壁的結(jié)構(gòu)一般可分為5層，從內(nèi)到外依次為內(nèi)襯層、內(nèi)玻璃纖維增強(qiáng)層、樹脂加砂層、外玻璃纖維增強(qiáng)層和外保護(hù)層，中間3層形成的夾層結(jié)構(gòu)可稱為結(jié)構(gòu)層，主要承受管道所受外力荷載。

（1）內(nèi)襯層。

內(nèi)襯層直接接觸管道內(nèi)輸送的流體，具有耐腐蝕、耐磨、防滲的特點(diǎn)，內(nèi)表面非常光滑求沒有裂縫、缺陷、分層等情況。內(nèi)襯層通常由內(nèi)襯樹脂、短切氈（針織氈）和表面氈構(gòu)成。

（2）內(nèi)增強(qiáng)層。

主要由斜織螺旋纖維和環(huán)向纖維合成，承受軸向彎曲荷載和內(nèi)壓荷載導(dǎo)致的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。內(nèi)增強(qiáng)層的組成為結(jié)構(gòu)組成，其纏繞厚度、纖維用量和排線方式的設(shè)計通過管道工作外壓荷載、管道工作內(nèi)壓荷載要求計算確定。

（3）夾砂層。

夾砂層又稱樹脂砂漿層，主要成分為結(jié)構(gòu)樹脂和石英砂，厚度設(shè)計需要根據(jù)管道埋設(shè)深度和地面荷載的相關(guān)要求計算確定。夾砂層是決定玻璃鋼夾砂管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵組成部分，主要作用是增強(qiáng)管道的剛度。

（4）外增強(qiáng)層。

同內(nèi)纏繞層組成一致，包括環(huán)向?qū)雍吐菪龑?，是夾砂層結(jié)構(gòu)的外蒙皮，厚度與排線方式設(shè)計取決于內(nèi)壓、外壓和彎曲荷載。

（5）外保護(hù)層。

外保護(hù)層又稱防老化層，由防腐樹脂或耐火樹脂及其他一些輔助材料組成，具有抗大氣老化、陽光、水浸等自然環(huán)境因素侵蝕的作用。外保護(hù)層的硬度一般較高，能提高管道的抗碰撞能力。

通過玻璃鋼夾砂管管壁橫截面的各結(jié)構(gòu)層分析，可以發(fā)現(xiàn)玻璃鋼夾砂管結(jié)構(gòu)層次清晰，功能分工作用明確，管壁結(jié)構(gòu)布局合理。

3 現(xiàn)場檢測結(jié)果

在管道無外觀滲漏病害處隨機(jī)選取3點(diǎn)對現(xiàn)場管槽回填進(jìn)行開挖，方向自西向東，所選樁號分別為K0+166.8、K0+529.4、K0+800。

（1）管頂500 mm以下部分回填材料為砂與石粉混合物，如圖3所示。

圖3 管溝槽回填結(jié)構(gòu)層情況

（2）管溝槽回填材料中存在粒徑＞50 mm的石塊，如圖4所示。

圖4 管溝槽回填材料中含粗顆粒石塊

（3）開挖到管頂時，出現(xiàn)明顯地下水。

4 導(dǎo)致管道病害可能原因分析

4.1 管道結(jié)構(gòu)上的作用力發(fā)生變化

施工完畢后，管道結(jié)構(gòu)上的作用力發(fā)生變化，出現(xiàn)不利受力狀態(tài)，可能導(dǎo)致管道出現(xiàn)破壞。管道建成后4年時間未投入使用，管道內(nèi)水壓力為零，導(dǎo)致管道可承受外力的能力降低。管道位于中央綠化帶，后期金湖大道東路的提升改造工程增加了中央綠化帶的綠化覆土、綠化種植，導(dǎo)致地面堆積荷載大于原設(shè)計。金湖大道東路右側(cè)非機(jī)動車道的污水頂管工程沿線工作井和接收井施工，會導(dǎo)致地下水位下降，降低了地下水對管道的浮托力。綜合各種不利的受力狀況，會加速管道的老化、疲勞和破壞[1]。

4.2 回填材料不符合設(shè)計要求

回填材料夾雜粒徑＞50 mm帶有明顯棱角的石塊，管道可能出現(xiàn)刺穿、拉裂破壞。在設(shè)計圖紙中明確要求，回填材料不得含有有機(jī)物、淤泥、凍土、大于50 mm的磚、石等硬塊。開挖發(fā)現(xiàn)回填材料中存在粒徑＞50 mm的石塊，且部分石塊存在明顯的棱角，在回填過程中可能對玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管外表面造成損傷，受損傷處管壁在周圍土體的壓力和地下水的長期作用下，病害逐漸擴(kuò)大。投入使用后，在管道內(nèi)水壓力的作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力，在持續(xù)拉應(yīng)力的作用下受損傷處的管壁病害將繼續(xù)發(fā)展，最后造成管壁拉裂直至破壞[2-3]。疲勞破壞發(fā)生時，破壞應(yīng)力低于靜態(tài)極限應(yīng)力，是工程結(jié)構(gòu)如橋梁等在重復(fù)荷載作用下的主要失效方式。

4.3 管道回填壓實(shí)度質(zhì)量存疑

（1）回填土壓實(shí)度得不到有效控制，管道在環(huán)向不均勻土壓力作用下，可能出現(xiàn)擠壓破壞。

（2）在《埋地給水排水玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂夾砂管管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》（CECS 129—2001）規(guī)范中，要求砂回填層每層厚為150 mm，管區(qū)回填料的壓實(shí)度為95%。

（3）根據(jù)洽商記錄，現(xiàn)場取消了管底和管腔的壓實(shí)度檢測，且管頂（50 cm厚回填材料）僅采用核子密度儀進(jìn)行一層壓實(shí)度檢測，與規(guī)范要求不符，導(dǎo)致回填質(zhì)量無法得到保障?？赡艹霈F(xiàn)管道周圍土壓力分布不均情況，無法形成管-土共同作用，管頂土下沉引起管道發(fā)生變形和滲漏，在環(huán)向不均勻土壓力擠壓作用下，造成管道出現(xiàn)裂縫甚至破裂[4]。

5 結(jié)語

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管屬于柔性管道，該類型管道相較于一般塑料管道剛度較高，同時具有一定的柔韌性，耐腐蝕性好，但該類型管道后續(xù)維修成本較高，對施工工藝及回填材料要求高。為確保管道的正常使用，需選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的管材按設(shè)計要求進(jìn)行施工，并注意日常的管養(yǎng)。