玻璃纖維增強塑料夾砂管破損原因分析
——以有壓污水管破損為例

曹一翔

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，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)為玻璃纖維增強塑料夾砂管。2010年7月開工，2014年6月竣工驗收，該管道所處路段的軟基處理方法為堆載預壓。項目竣工驗收后，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，維修單位對管道進行了檢測和修復，現(xiàn)管道處于通水狀態(tài)，但檢測修復報告顯示該管道依然存在滲漏風險，于2020年9月10～11日對現(xiàn)場進行探坑法結(jié)構(gòu)病害檢測。

1 工程設計概況

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

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

圖2 玻璃纖維增強塑料夾砂管溝槽回填大樣

該壓力管道設計關鍵參數(shù)如下：

（1）槽底至0.5外徑部分，密實度≥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，嚴禁單測回填和夯實。

（2）0.5外徑至管頂以上500 mm部分，密實度≥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)設計要求。

（4）除標明外，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，取消地下水位以下部分壓實度檢測。

2 玻璃纖維增強塑料夾砂管結(jié)構(gòu)

玻璃纖維增強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，增強材料為玻璃纖維，填料通常為無機非金屬材料，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合材料管道。

玻璃纖維增強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)玻璃纖維增強層、樹脂加砂層、外玻璃纖維增強層和外保護層，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，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)壓荷載導致的壓應力和拉應力。內(nèi)增強層的組成為結(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，厚度設計需要根據(jù)管道埋設深度和地面荷載的相關要求計算確定。夾砂層是決定玻璃鋼夾砂管結(jié)構(gòu)強度的關鍵組成部分，主要作用是增強管道的剛度。

（4）外增強層。

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

（5）外保護層。

外保護層又稱防老化層，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選取3點對現(xiàn)場管槽回填進行開挖，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，導致地面堆積荷載大于原設計。金湖大道東路右側(cè)非機動車道的污水頂管工程沿線工作井和接收井施工，會導致地下水位下降，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。在設計圖紙中明確要求，回填材料不得含有有機物、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，病害逐漸擴大。投入使用后，在管道內(nèi)水壓力的作用下產(chǎn)生拉應力，在持續(xù)拉應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，破壞應力低于靜態(tài)極限應力，是工程結(jié)構(gòu)如橋梁等在重復荷載作用下的主要失效方式。

4.3 管道回填壓實度質(zhì)量存疑

（1）回填土壓實度得不到有效控制，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熱固性樹脂夾砂管管道工程施工及驗收規(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度檢測，且管頂（50 cm厚回填材料）僅采用核子密度儀進行一層壓實度檢測，與規(guī)范要求不符，導致回填質(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，需選用符合國家標準的管材按設計要求進行施工，并注意日常的管養(yǎng)。