Оценка долговечности безнапорных канализационных трубопроводов из трубных полиэтиленовых модулей, проложенных бестраншейно с разрушением ветхих труб

В. А. Харькин, член-корр. Академии жилищно-коммунального хозяйства, лауреат премии Правительства РФ, генеральный директор ООО «Прогресс» (Москва)

Более чем десятилетний опыт ООО «Прогресс» [1] показывает, что ветхие канализационные трубопроводы, подвергаемые восстановлению бестраншейно с разрушением и заменой на пластмассовые трубопроводы, находятся в окружении грунта от весьма плотного его состояния (при модуле деформации Е_r более 25 МПа) до полного отсутствия контакта трубы с грунтом (Е_r=0). Конкретные значения некоторых параметров грунта в сочетании с показателями полимерных труб в системе «полимерная труба – грунт» определяют долговременное поведение безнапорного трубопровода в подземной канализационной сети [2].

На сегодня подходов к 100%-у учету всевозможных состояний системы «полимерная труба – грунт» с целью оценки долговечности подземных полимерных трубопроводов еще не выработано.

В СП 40-102-2000 [3] предлагается методика, позволяющая учесть многие факторы, которые определяют состояние системы «полимерная труба – грунт» в течение весьма продолжительного срока эксплуатации полимерного трубопровода. К сожалению, эта методика не распространяется на решение задач, связанных с полимерными трубопроводами, проложенными бестраншейно взамен ветхих разрушенных трубопроводов из традиционных материалов.

Для оценки долговечности восстановленных бестраншейно с разрешением безнапорных канализационных трубопроводов с использованием трубных полимерных моделей нами решена инженерная задача с известными допущениями и ограничениями. При этом исходили из того, что такой трубопровод будет взаимодействовать с окружающим грунтом и испытывать нагрузки от грунта и транспорта подобно тому, как это принято для вновь построенного трубопровода из полимерных труб. Причем в процессе строительства нового полимерного трубопровода возможно задавать практически любые параметры грунта во всех грунтовых зонах вокруг полимерных труб (рис. 1а). При бестраншейной прокладке повлиять на состояние грунта хотя бы в одной зоне вокруг полимерного трубопровода, размещенного в полости, полученной при разрушении ветхого трубопровода (рис. 1б), не удастся ни при каких обстоятельствах (если не использовать специальное нагнетание какого-либо раствора в полость и не проводить вскрышные работы, что будет эквивалентно открытой прокладке).

Методической основой для решения этой задачи послужили рекомендации СП 40-102-2000 (методика прочностного расчета трубопроводов из полимерных материалов при подземной прокладке – общие принципы). Использовались зависимости, связывающие кратковременные и долговременные прочностные показатели и геометрию труб, факторы грунтовых условий и технологические параметры открытой траншейной прокладки полимерных трубопроводов, котрые способны обеспечить надежную их работу при эксплуатации в самотечной сети при выполнении условий неравенства:

(1)

где e_p – относительная деформация растяжения стенки трубы из-за овальности ее поперечного сечения под действием грунтовых (q_гр) и транспортных (q_т) нагрузок;

e_c – относительная деформация сжатия стенки трубы от воздействия внешних нагрузок;

e_pp – допустимая относительная деформация растяжения стенки трубы в условиях релаксации напряжений в материале;

e_pn – допустимая деформация растяжения стенки трубы в условиях ползучести материала.

Значение ep определяется по формуле:

(2)

где К_s – коэффициент постели грунта для изгибающих напряжений, учитывает проведение уплотнения 0,75 (тщательный контроль); 1,0 (периодический); 1,5 (бесконтрольно). Принимаем – 1,5. Допущение: подвижки грунта (самый невыгодный вариант) возможны. Расчет проводится на длительный срок эксплуатации трубопровода. Учесть долговременный защитный эффект уплотненного расширителем грунта, образующего грунтовый свод над полимерным трубопроводом в скважине на данном этапе разработанности вопроса, не представляется возможным;

s – толщина стенки, м;

D – наружный диаметр, м;

К_3y – коэффициент запаса на овальность поперечного сечения трубы. Для трубопроводов принимается 1,0 (напорных и самотечных) и 2,0 (дренажных);

y – допустимое значение относительного укорочения вертикального диаметра трубы в грунте:

(3)

где y_гр – относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием q_гр; y_т – относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием q_г; y_м – относительное укорочение вертикального диаметра трубы, произошедшее в процессе складирования, транспортировки и монтажа. Согласно СП 40-102-2000 принимается с учетом степени уплотнения грунта засыпки в зависимости от кольцевой жесткости труб от 1 до 6 %. Принимаем – 0. Ограничения: 1 – для изготовления моделей используются трубы без овальности (связанно с токарной обработкой при нарезании резьбы); 2 – транспортировка и складирование модулей производятся в вертикальном положении; 3 – при замене засыпка полимерного трубопровода не производится.

(4)

где К_t – коэффициент запаздывания овальности поперечного сечения трубы во времени. Принимается в зависимости от типа грунта, степени его уплотнения, гидрогеологических условий, геометрии траншеи (от 1 до 1,5). Принимаем – 1. Ограничение: производится замена трубопровода, находящегося в сложившемся грунтовом массиве;

К_w – коэффициент прогиба, принимается с учетом подготовки ложа и уплотнения грунта: 0,09 (тщательный контроль); 0,11 (периодический); 0,13 (бесконтрольные). Принимаем – 0,09. Ограничение: полимерный трубопровод опирается на дно скважины с дугой охвата не менее 60°, что идентично тщательному контолю;

q_гр – коэффициент, учитывающий влияние грунта засыпки на овальность поперечного сечения трубопровода 0,6;

К_гр – коэффициент грунта;

Е_гр – модуль деформации грунта в пазухах траншеи, МПа. Принимаем – 10 МПа. Ограничение: небольшое значение для грунта естественной структуры, которое сложится через год-два после замены [2];

К_ж – коэффициент, учитывающий влияние кольцевой жесткости трубы на овальность поперечного сечения трубопровода – 0,15:

(5)

где g – удельный вес грунта, Н/м³; Н_гр – глубина засыпки трубопровода, считая от поверхности земли до уровня горизонтального диаметра, м. Принимаем – 8 м. Ограничение: максимальная глубина заложения трубопроводов.

Рисунок (подробнее) Схемы расположения в грунтовом массиве полимерных трубопроводов, проложенных способом

G₀ – кратковременная кольцевая жесткость трубы, МПа:

(6)

где I – момент инерции сечения трубы на единицу длины:

(7)

E₀ – модуль упругости;

m – коэффициент Пуассона материала;

(8)

где К_y – коэффициент уплотнения грунта. Принимаем – 1. Пояснение: ввиду отсутствия грунта для уплотнения;

q_m – транспортная нагрузка, принимается по справочным данным для гусеничного, колесного и другого транспорта, МПа;

n – коэффициент, учитывающий глубину заложения трубопровода при Н < 1 м, n = 0,5. Принимаем – 1. Ограничение: глубина заложения трубопроводов во всех случаях больше 1 м;

К_ок – коэффициент, учитывющий процесс округления овализованной трубы под действием внутреннего давления воды; принимаем – 1; пояснение: трубопроводы – безнапорные:

(9)

где q_c – суммарная внешняя нагрузка на трубопровод, МПа:

	(10)
	(11)

где s₀ и Е_t – кратковременная расчетная прочность и долговременный на конец срока эксплуатации модель упругости при растяжении материала трубы, МПа.

Принимаем Е₀ = 800 МПа. Пояснение: приводится в СП 40-102-2000.

Модуль упругости термопластов изменяется во времени в зависимости от температуры и растягивающих напряжений, которые на него воздействуют [3]. Допущение: температурные условия – нормальные (20 °С). Растягивающие напряжения s в безнапорном трубопроводе, уложенном в грунте, связаны с толщиной стенки, наружным диаметром и относительным укоречением вертикального диаметра трубы y зависимостью [3]:

(12)

где А – коэффициент, принимаемый в диапазоне 2,5–5,0. Принимаем – 3,4. Принято по Molin для средних условий.

Значение y должно определяться по (6). Принимаем – 2%. Принято по опыту.

С учетом этого по (12) получаем s = 0,3 МПа.

Принимаем t = 100 лет. Пояснение: задаемся сроком эксплуатации нового трубопровода. Далее устанавливаем с использованием данных фирмы «Хехст» (Германия) Е_r = 200 МПа.

(13)

где К – коэффициент запаса, производится в нормативных документах. Принимаем – 1,3. Пояснение: взято как для экструдируемых труб из ПНД.

Расчеты с использованием принятых допущений и ограничений показали, что условия неравенства (3) соблюдаются.

Это дало право предполагать, что в трубопроводах, восстановленных с использованием разработанных технологий и устройств, не должно быть заметной овализации их поперечного сечения. Проверка этого предположения и явилась одной из целей натурных наблюдений. Они проводились на сетях, в которых замена трубопроводов из керамики диаметром 200 мм произведена новыми из полимерных труб и трубных модулей диаметрами D = 180 мм (D_внутр = 160 мм), 225 мм (184 мм) и D = 280 мм (D_внутр = 248,2 мм).

Оценка овализации поперечного сечения труб производилась в процессе прохождения по трубопроводам телевизионных камер, пропускаемых по одному и тому же участку не реже, как правило, 2 раз. Один раз – сразу же после завершения монтажа и второй раз – через год-два после этого. На отдельных участках были проведены наблюдения через четыре-пять лет. Какого-либо изменения поперечных сечений в новых полимерных трубопроводах замечено не было.

Натурные наблюдения убедили в том, что предположение об отсутствии овализации поперечных сечений у новых трубопроводов, полученных бестраншейной заменой трубопроводов водоотведения из традиционных труб полимерными с использованием разработанных технологий и устройств, является верным. Это, в свою очередь, позволяет сделать вывод о том, что новый трубопровод будет служить не меньший срок, чем построенный вновь – по нашему расчету, не менее 100 лет.

Литература

1. Харькин В. А. Отечественные полимерные трубы для замены канализационных трубопроводов // Сантехника. 2003. № 1. С. 31–35.

2. Отставнов А. А. Производство земляных работ при прокладке самотечных трубопроводов из термопластов // Энергетическое строительство за рубежом. 1985. № 3. С. 38–43.

3. СП 40-102-2000. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.