第五章程地质特殊地区的管线布置(2学时) ※本章要求 理解冻土地区管线布置 2.黄土地区管线布置 3.地震地区的管线布置 ※本章重点 1冻土地区管线布置 本章难点 1冻土地区管线布置 授课内容 5工程地质特殊地区的管线布置 5.1冻土地区管线布置 5.1.1冻土地区管线冻害原因分析 1.设计方面 管网布置时供水支管过多,过长,支管管径小其抗冻能力甚差,夜间管内水处于停滞状态时则极易冻 结 给水管道埋设方式多采用深埋管道,埋管深度约在3米左右。深埋管道存在的问题是: ①管道散热量大:由于水管没有特殊的保温层,仅依靠土层保温,从热工条件来看埋设在土层中的水管 热阻极小,水管散热量大,水温不易保持而易冻结 ②施工维修困难:多年冻土地区,开挖管沟十分困难,效率又低。如在温暖季节虽然表层土壤融化,但 此时地表水多,往往又需排水设备。在运用中,管道一旦发生故障维修十分困难,为了寻找故障部位, 常常需要动用大量人力并花很长的时间。 ③回填材料:采用塔头草或泥炭回填其保温性能虽然好些,但由于回填时常常呈冻结状态,很难夯实, 其保温性能也不理想。设计中也曾以炉碴回填,但炉碴浸水以后保温性能降低,对管道腐蚀也比较严 重,故不宜采用 2.施工方面 本地区给水管道施工季节的选择是一项很重要的环节。冬季施工效率很低,夏季多雨且塔头草下多半为 多年冻土,开挖时常发生塌方,还需排水设施。管道的冻害与施工季节有密切关系。据调查有许多发生 冻害的给水站如金林、得尔布尔、阿龙山等管道均系冬季施工的,运营后第一年都不同程度的发生了管 道沉陷事故。这是因为在含冰量较大的冻土中,水管通水以后周围土壤解冻,土壤结构变形引起热融沉 陷,这是管道基底沉陷以致水管折断的主要原因。此外冬季施工的水管,由于回填冻土块不能夯实,其 保温性能极差,管道在第一次通水时,由热耗很大水温急剧下降,极易发生冰结事故 3.运营管理方面 本地区的给排水系统需要有一套完善的管理方法,例如原水加温、测温,泵水的班制和时间,管网末端 定时放水、定期的巡迥检査等都十分重要。管理不善也是给排水工程发生故障的原因之一。譬如,有些 给水站为了防止水管冻结,把原水加温过高,不但浪费了燃料而且由于管道散热量增大,使管道周围融 化圈扩大,以致管基变形,使水管折断。又如泵房的工作班制,泵水时间安排不当,两次泵水的时间 隔过长,而泵水时间过短,对于维持水槽内的水温非常不利,尤其是当送水管长度较大,管内贮存水量 占水塔容量的比例大于1/3时更为突出。运营中水槽或水塔内水温过低是管道发生冻结事故的潜在因 素。正常情况下水槽或水塔内的水温应维持在4℃左右。给水设施的检查维修不及时也是造成冻害事故 的原因 5.1.2冻土地区管线防治冻害的措施
第五章 程地质特殊地区的管线布置（2学时） ※ 本章要求 1.理解冻土地区管线布置； 2.黄土地区管线布置； 3.地震地区的管线布置 ※ 本章重点 1冻土地区管线布置 本章难点 1冻土地区管线布置 授课内容 5工程地质特殊地区的管线布置 5.1 冻土地区管线布置 5．1．1 冻土地区管线冻害原因分析 1．设计方面 管网布置时供水支管过多，过长，支管管径小其抗冻能力甚差，夜间管内水处于停滞状态时则极易冻 结。 给水管道埋设方式多采用深埋管道，埋管深度约在3米左右。深埋管道存在的问题是： ①管道散热量大：由于水管没有特殊的保温层，仅依靠土层保温，从热工条件来看埋设在土层中的水管 热阻极小，水管散热量大，水温不易保持而易冻结。 ②施工维修困难：多年冻土地区，开挖管沟十分困难，效率又低。如在温暖季节虽然表层土壤融化，但 此时地表水多，往往又需排水设备。在运用中，管道一旦发生故障维修十分困难，为了寻找故障部位， 常常需要动用大量人力并花很长的时间。 ③回填材料：采用塔头草或泥炭回填其保温性能虽然好些，但由于回填时常常呈冻结状态，很难夯实， 其保温性能也不理想。设计中也曾以炉碴回填，但炉碴浸水以后保温性能降低，对管道腐蚀也比较严 重，故不宜采用。 2．施工方面 本地区给水管道施工季节的选择是一项很重要的环节。冬季施工效率很低，夏季多雨且塔头草下多半为 多年冻土，开挖时常发生塌方，还需排水设施。管道的冻害与施工季节有密切关系。据调查有许多发生 冻害的给水站如金林、得尔布尔、阿龙山等管道均系冬季施工的，运营后第一年都不同程度的发生了管 道沉陷事故。这是因为在含冰量较大的冻土中，水管通水以后周围土壤解冻，土壤结构变形引起热融沉 陷，这是管道基底沉陷以致水管折断的主要原因。此外冬季施工的水管，由于回填冻土块不能夯实，其 保温性能极差，管道在第一次通水时，由热耗很大水温急剧下降，极易发生冰结事故。 3．运营管理方面 本地区的给排水系统需要有一套完善的管理方法，例如原水加温、测温，泵水的班制和时间，管网末端 定时放水、定期的巡迥检查等都十分重要。管理不善也是给排水工程发生故障的原因之一。譬如，有些 给水站为了防止水管冻结，把原水加温过高，不但浪费了燃料而且由于管道散热量增大，使管道周围融 化圈扩大，以致管基变形，使水管折断。又如泵房的工作班制，泵水时间安排不当，两次泵水的时间间 隔过长，而泵水时间过短，对于维持水槽内的水温非常不利，尤其是当送水管长度较大，管内贮存水量 占水塔容量的比例大于1/3时更为突出。运营中水槽或水塔内水温过低是管道发生冻结事故的潜在因 素。正常情况下水槽或水塔内的水温应维持在4℃左右。给水设施的检查维修不及时也是造成冻害事故 的原因。 5．1．2 冻土地区管线防治冻害的措施
5.1.4.1给水管网防治冻害的措施 ①深埋管道 虽然深埋管道存在不足之处,但它也有很多可取之处。例如管道埋设在地面下3m处,由观测可知3m处地 温变化幅度很小,与1皿、2m处地温相比地温有明显的提髙,因而管道散热量较小。如以埋管深度1m处水 管的热损失为100%,则2m处为48.6%,2.5m处为46%,3m处为31.踹%,可见深埋管道对防冻有利。从实践 中可知,深埋管道经过一段时间运营之后,管基趋于稳定,同时在周围土层中形成了融化圈。这时管道 的防冻能力是很强的,即使是停水时间较长也不会引起冻害 经过长期的实践及科研观测,铺设深埋管道时应注意以下环节: 设计前必须取得管线所经地段的地质资料,主要是要查明0~4m范围内地温变化、土层含冰量及其融 沉性质。 2.设计时应把注意力集中在基底稳定上。对于融沉地段,管底以下0.51m范围内以砂卵石或非融沉土 换填。 3.水管接口应采用柔性填料,如采用橡胶圈接口或铅接口,使其具有变形适应能力。水管与检査井或 建筑物交接处应留有环状孔隙,其中填充以弹性材料,防止产生不均匀沉降时危及管道。 4.选择有利的施工季节,应避开冬季和雨季。本地区有利于施工的季节为46月和911月。施工中特别 要注意基底处理、水管接口及回填土的施工质量。回填材料应使用融化的土料,避免回填冻土块,并要 夯实 5.管道建成后第一次通水应尽量避免在严寒季节,使用时原水加温要适度,一般加温到6~8℃为宜。水 塔或山上水池水温应维持在4℃左右,并以此来安排给水所工作班制及泵水时间,尽量减少在管内的停 留时间 ②保温管道 由于直接埋入土层的管道出现问题较多,故开始对给水保温管道进行了系统研究并取得成功。 1.保温管道的特点 保温管道具有以髙效保温材料构成的保温层。即使管道铺设在地面以上,管道的散热量也可控制在维持 正常工作所允许的范围内。因此,保温管道不一定必须埋设在地面以下,根据当地条件也可以铺设在地 面上或架立在支架上。由于保温管道散热量小,从而改善了管道的防冻性能并消除了因管道散热引起的 管基热融沉陷问题,从根本上解决了深埋管道遇到的难题 保温管道的散热量与深埋管道相比,热损失可以减少80~85%。 保温管道的类型及构造 按铺设方式不同可将保温管道分为地面式、架空式、浅埋式和直埋式四种类型。 (1)地面式保温管道 这种类型管道构造简单,沿地面铺设,易于施工。如图5-1所示。 (2)架空式保温管道 这种管道适用于地质条件不良地段,如沼泽、泥塘或受洪水威胁的地段以及管道穿过沟渠处,以桩或柱 支承管道,架空铺设。其构造如图5-2所示
5．1．4．1 给水管网防治冻害的措施 ①深埋管道 虽然深埋管道存在不足之处，但它也有很多可取之处。例如管道埋设在地面下3m处，由观测可知3m处地 温变化幅度很小，与1m、2m处地温相比地温有明显的提高，因而管道散热量较小。如以埋管深度1m处水 管的热损失为100%，则 2m处为48.6%，2.5m处为46%，3m处为31.2%，可见深埋管道对防冻有利。从实践 中可知，深埋管道经过一段时间运营之后，管基趋于稳定，同时在周围土层中形成了融化圈。这时管道 的防冻能力是很强的，即使是停水时间较长也不会引起冻害。 经过长期的实践及科研观测，铺设深埋管道时应注意以下环节： 1．设计前必须取得管线所经地段的地质资料，主要是要查明0~4m范围内地温变化、土层含冰量及其融 沉性质。 2．设计时应把注意力集中在基底稳定上。对于融沉地段，管底以下0.5~1m范围内以砂卵石或非融沉土 换填。 3．水管接口应采用柔性填料，如采用橡胶圈接口或铅接口，使其具有变形适应能力。水管与检查井或 建筑物交接处应留有环状孔隙，其中填充以弹性材料，防止产生不均匀沉降时危及管道。 4．选择有利的施工季节，应避开冬季和雨季。本地区有利于施工的季节为4~6月和9~11月。施工中特别 要注意基底处理、水管接口及回填土的施工质量。回填材料应使用融化的土料，避免回填冻土块，并要 夯实。 5．管道建成后第一次通水应尽量避免在严寒季节，使用时原水加温要适度，一般加温到6~8℃为宜。水 塔或山上水池水温应维持在4℃左右，并以此来安排给水所工作班制及泵水时间，尽量减少在管内的停 留时间。 ②保温管道 由于直接埋入土层的管道出现问题较多，故开始对给水保温管道进行了系统研究并取得成功。 1．保温管道的特点 保温管道具有以高效保温材料构成的保温层。即使管道铺设在地面以上，管道的散热量也可控制在维持 正常工作所允许的范围内。因此，保温管道不一定必须埋设在地面以下，根据当地条件也可以铺设在地 面上或架立在支架上。由于保温管道散热量小，从而改善了管道的防冻性能并消除了因管道散热引起的 管基热融沉陷问题，从根本上解决了深埋管道遇到的难题。 保温管道的散热量与深埋管道相比，热损失可以减少80~85%。 2．保温管道的类型及构造 按铺设方式不同可将保温管道分为地面式、架空式、浅埋式和直埋式四种类型。 （1）地面式保温管道 这种类型管道构造简单，沿地面铺设，易于施工。如图5-1 所示。 （2）架空式保温管道 这种管道适用于地质条件不良地段，如沼泽、泥塘或受洪水威胁的地段以及管道穿过沟渠处，以桩或柱 支承管道，架空铺设。其构造如图5-2 所示
图5-1玻璃棉保温的地面式管道 1-管基:2-底板;3-支架;4-水管 5-玻璃棉保温层;6-防护外罩。 图5-2架空式保温管道结构 1-承台:2-“T”形梁;3-支架:4-水管:5-保温层;6-防护外罩:7-爆扩桩 (3)浅埋式保温管道 这种保温管道埋设在地面以下1.0^1.5m。浅埋式保温管道的构造如图5-3所示,与地面式管道大体相 同,但因埋设于地面下,为防止地下水侵入防护外罩,在接缝处应有止水措施,如图5-3所示。防护外 罩内亦有排水系统,不使地下水聚积 图5-3浅埋式保温管道结构示意 1-砂垫层:2-底板:3-架:4-水管;5-保温层;6-防护外罩;7-回填土, (4)直埋式保温管道 这种保温管道设有防护外罩,是把包扎有保温层的水管直接埋设在土层中,故施工简单。埋管断面如图 5-4所示。保温层应采用吸水性小而本身又具有一定强度的材料,以适应在土层中的环境。试验证明, 质地致密的聚苯乙烯泡沫塑料(密度在100kg/m3以上)用于直埋式保温管道是较合适的
图5-1玻璃棉保温的地面式管道 1-管基；2-底板；3-支架；4-水管； 5-玻璃棉保温层；6-防护外罩。 图5-2架空式保温管道结构 1-承台；2-“T”形梁；3-支架；4-水管；5-保温层；6-防护外罩；7-爆扩桩 （3）浅埋式保温管道 这种保温管道埋设在地面以下1.0~1.5m。浅埋式保温管道的构造如图5-3 所示，与地面式管道大体相 同，但因埋设于地面下，为防止地下水侵入防护外罩，在接缝处应有止水措施，如图5-3所示。防护外 罩内亦有排水系统，不使地下水聚积。 图5-3浅埋式保温管道结构示意 1-砂垫层；2-底板；3-架；4-水管；5-保温层；6-防护外罩；7-回填土。 （4）直埋式保温管道 这种保温管道设有防护外罩，是把包扎有保温层的水管直接埋设在土层中，故施工简单。埋管断面如图 5-4 所示。保温层应采用吸水性小而本身又具有一定强度的材料，以适应在土层中的环境。试验证明， 质地致密的聚苯乙烯泡沫塑料（密度在100kg/m3以上）用于直埋式保温管道是较合适的
3.保温管道类型的选择 影响管道类型选择的因素很多,设计时可根据当地的具体条件选择适当类型 E 图5-4直埋式保温管道埋设断面 1-保温层;2-砂土:3-回填土 4.保温管道设计要点 (1)管网的平面布置应以地形、地物为控制点,并以不妨碍交通和地表水的排泄为原则 (2)主要干管应尽量靠近用水点,最好采用送配兼用管网。 (3)供住宅区用的生活用水支管不宜过长,用水点的实际耗水量至少应大于支管本身容水量的两倍以 上。在条件许可时尽量与干管联成环状管网。 (4)管道在平面上力求顺直,减少折角 (5)管网分支处应设检查井,直线管段上检查井间距架空式、地面式为400~500m,浅埋式管道为 200300m。 (6)浅埋式保温管道的底板应高于地下水位0.2m。 (7)由水泵房至水塔(或山上水池)扬水管的单向坡度至少不小于2‰。如因地形起伏不能满足上述要 求时,则应在纵剖面的变坡点处设置排水阀及排气阀,以便维修时可将水全部排空 8)配水管均设计为单向坡度,当管道末端低于干管时应在末端设排水阀以利维修。 5.1.4.2排水管网防治冻害的措施 1铺设方式及埋管深度 般情况下,排水管道应埋设在地面下,但在地下水位高或地质不良地段排水管也可采用半填半挖或填 土形式铺设。 污水具有一定的温度是保证水管可靠工作的必要条件。埋管深度大一些,土层温度有所上升,管道的热 阻也增加。但埋管过深则工程造价高,施工维修困难。排水管道工作情况与给水管道不同,排水管大都 是重力式自流管,停止排水期间管内不积水,不致发生冻害,所以对保温要求较给水管道放宽一些。根 据调査及试验资料,建议排水管的埋深可以浅些,以1.5m2.0m为宜。回填材料则以泥炭为优,因为泥 炭既使饱含水分仍具有较好的绝热性能 2管径、坡度及流量 大量地实地调査材料证明,排水管的管径、坡度适当加大并使其通过一定的流量,是保证水管正常工作 的重要条件。据满州里调査资料(该地区季节冻深为3.8m),某处φ150m出户管埋深仅1.1m,管轴线 处地温为-10℃,曾连年发生冻害。后来将管道坡度改建使坡度大于7‰以后,不再出现冻害,当使用人 数增加、排水量增大以后,排水管即不再冻结。 从调查中得知,排水管路冻害常常是由于局部堵塞排水不畅引起的,因此管径和坡度都应适当加大。但 管径选择时也要兼顾到水力条件,避免发生淤塞
3．保温管道类型的选择 影响管道类型选择的因素很多，设计时可根据当地的具体条件选择适当类型 图5-4直埋式保温管道埋设断面 1-保温层；2-砂土；3-回填土。 4．保温管道设计要点 （1）管网的平面布置应以地形、地物为控制点，并以不妨碍交通和地表水的排泄为原则。 （2）主要干管应尽量靠近用水点，最好采用送配兼用管网。 （3）供住宅区用的生活用水支管不宜过长，用水点的实际耗水量至少应大于支管本身容水量的两倍以 上。在条件许可时尽量与干管联成环状管网。 （4）管道在平面上力求顺直，减少折角。 （5）管网分支处应设检查井，直线管段上检查井间距架空式、地面式为400~500m，浅埋式管道为 200~300m。 （6）浅埋式保温管道的底板应高于地下水位0.2m。 （7）由水泵房至水塔（或山上水池）扬水管的单向坡度至少不小于2‰。如因地形起伏不能满足上述要 求时，则应在纵剖面的变坡点处设置排水阀及排气阀，以便维修时可将水全部排空。 （8）配水管均设计为单向坡度，当管道末端低于干管时应在末端设排水阀以利维修。 5．1．4．2 排水管网防治冻害的措施 1铺设方式及埋管深度 一般情况下，排水管道应埋设在地面下，但在地下水位高或地质不良地段排水管也可采用半填半挖或填 土形式铺设。 污水具有一定的温度是保证水管可靠工作的必要条件。埋管深度大一些，土层温度有所上升，管道的热 阻也增加。但埋管过深则工程造价高，施工维修困难。排水管道工作情况与给水管道不同，排水管大都 是重力式自流管，停止排水期间管内不积水，不致发生冻害，所以对保温要求较给水管道放宽一些。根 据调查及试验资料，建议排水管的埋深可以浅些，以1.5m~2.0m为宜。回填材料则以泥炭为优，因为泥 炭既使饱含水分仍具有较好的绝热性能。 2管径、坡度及流量 大量地实地调查材料证明，排水管的管径、坡度适当加大并使其通过一定的流量，是保证水管正常工作 的重要条件。据满州里调查资料（该地区季节冻深为3.8m），某处φ150 mm出户管埋深仅1.1m，管轴线 处地温为-10℃，曾连年发生冻害。后来将管道坡度改建使坡度大于7‰以后，不再出现冻害，当使用人 数增加、排水量增大以后，排水管即不再冻结。 从调查中得知，排水管路冻害常常是由于局部堵塞排水不畅引起的，因此管径和坡度都应适当加大。但 管径选择时也要兼顾到水力条件，避免发生淤塞
如果排水管距离过长,超过临时距离,就有冻结的可能 为了避免排水管冻结,应该采取必要的措施。提高污水温度、增加污水流量或提高排水管热阻,都可以 使临界距离増加。污水温度主要取决于给水温度和居民的生活方式,据现场观测资料冬季污水温度略高 于给水温度。从增加临界距离考虑,增加管道热阻和维持水管必要的排水量是易于做到的。排水管愈 长,必须维持的排水量也愈大,设计时应予注意 5.1.4.3附属构造物防治冻害措施 1检查井 采用钢筋混凝土整体结构,进入孔内应设防寒木盖,其上填充保温材料。水管穿过井壁处必需留有环状 孔隙,其间填充柔性材料,防止因不均匀沉陷危及管道。井壁周围应以非冻胀性土壤回填,以防冻胀。 检査井底部以设流槽为宜,因为沉淀槽易于冻结 在融沉性土层地段检查井地基也必须做换填处理 2暗式出水口 排水管内温度与大气温度差值极大,因而在排水管的始端和末端产生了热位差压头,驱使冷空气不断侵 入排水管并形成气流循环造成出水口处管壁过度冷却,以致冻结 暗式出水口则可以消除上述弊端,它的构造是在岀水口设一个沉淀井,周壁与放射状的沟槽相连,均系 以干砌片石码成。沉淀井上有钢筋混凝土盖板,盖板以上及干砌片石沟槽上均以塔头草及泥炭覆盖做为 保温层,厚11.5m,填筑成半锥体型式。由沉淀井至填土坡脚距离约为3m。暗式出水口的构造如图5-5 所示 钢筋湿凝士盖板 ↓43+1 片石排水沟 普通土 干砌片石 浆片石 图5-5暗式出水口构造图(单位:m) 5.2黄土地区管线布置 5.2.1湿陷性黄土地区给排水与供热的技术要求 5.2.1.1给水、排水管道设计的技术要求: 1室外管道宜布置在防护范围外,在防护范围内,地下管道的布置应缩短其长度 接口应严密不漏水,并具有柔性。检漏井的设置,应便于检查和排水 2对埋地铸铁管应做防腐处理。对埋地钢管及钢配件宜设加强防腐层。 3屋面雨水悬吊管道引出外墙后,应接入室外雨水明沟或管道水明沟或管道。在建筑物的外墙上,不得 设置洒水栓。 4检漏管沟,应做防水处理。其材料与做法可根据不同防水措施的要求,按下列规定采用: (1)检漏防水措施,检漏管沟应采用砖壁混凝土槽形底或砖壁钢筋混凝土槽形底 (2)严格防水措施,检漏管沟应采用钢筋混凝土。在非自重湿陷性黄土场地可适当降低标准:在自重湿陷 性黄土场地,对地基受水浸湿可能性大的建筑,尚宜增设卷材防水层或塑料油膏防水层
如果排水管距离过长，超过临时距离，就有冻结的可能。 为了避免排水管冻结，应该采取必要的措施。提高污水温度、增加污水流量或提高排水管热阻，都可以 使临界距离增加。污水温度主要取决于给水温度和居民的生活方式，据现场观测资料冬季污水温度略高 于给水温度。从增加临界距离考虑，增加管道热阻和维持水管必要的排水量是易于做到的。排水管愈 长，必须维持的排水量也愈大，设计时应予注意。 5．1．4．3 附属构造物防治冻害措施 1检查井 采用钢筋混凝土整体结构，进入孔内应设防寒木盖，其上填充保温材料。水管穿过井壁处必需留有环状 孔隙，其间填充柔性材料，防止因不均匀沉陷危及管道。井壁周围应以非冻胀性土壤回填，以防冻胀。 检查井底部以设流槽为宜，因为沉淀槽易于冻结。 在融沉性土层地段检查井地基也必须做换填处理。 2暗式出水口 排水管内温度与大气温度差值极大，因而在排水管的始端和末端产生了热位差压头，驱使冷空气不断侵 入排水管并形成气流循环造成出水口处管壁过度冷却，以致冻结。 暗式出水口则可以消除上述弊端，它的构造是在出水口设一个沉淀井，周壁与放射状的沟槽相连，均系 以干砌片石码成。沉淀井上有钢筋混凝土盖板，盖板以上及干砌片石沟槽上均以塔头草及泥炭覆盖做为 保温层，厚1~1.5m ，填筑成半锥体型式。由沉淀井至填土坡脚距离约为3m。暗式出水口的构造如图5-5 所示。 图5-5 暗式出水口构造图（单位：m） 5．2 黄土地区管线布置 5．2．1湿陷性黄土地区给排水与供热的技术要求 5．2．1．1给水、排水管道设计的技术要求： 1 室外管道宜布置在防护范围外，在防护范围内，地下管道的布置应缩短其长度。 管道接口应严密不漏水，并具有柔性。检漏井的设置，应便于检查和排水。 2 对埋地铸铁管应做防腐处理。对埋地钢管及钢配件宜设加强防腐层。 3 屋面雨水悬吊管道引出外墙后，应接入室外雨水明沟或管道水明沟或管道。在建筑物的外墙上，不得 设置洒水栓。 4 检漏管沟，应做防水处理。其材料与做法可根据不同防水措施的要求，按下列规定采用： ⑴检漏防水措施，检漏管沟应采用砖壁混凝土槽形底或砖壁钢筋混凝土槽形底。 ⑵严格防水措施，检漏管沟应采用钢筋混凝土。在非自重湿陷性黄土场地可适当降低标准；在自重湿陷 性黄土场地，对地基受水浸湿可能性大的建筑，尚宜增设卷材防水层或塑料油膏防水层