新型管材在市政排水管網(wǎng)中的設(shè)計及運用

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摘要： 本文通過對幾種新型管材從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比較，列舉了各種管材各自的優(yōu)勢及局限性，并明確了設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)——環(huán)剛度的選擇，供今后在市政排水管網(wǎng)設(shè)計時參考。
關(guān)鍵詞： 新型管材 排水管網(wǎng) 綜合比較 環(huán)剛度

　　一、引言

　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，市政建設(shè)的規(guī)模也在不斷擴大。作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施——市政排水管網(wǎng)，也得到了政府部門的大力支持、建設(shè)和完善。傳統(tǒng)的排水管材由于其本身固有的一些缺點，已經(jīng)難以適應(yīng)城市快速發(fā)展的需要。因此，近年來出現(xiàn)了許多新型管材，這些管材無論是性能還是施工難易程度都優(yōu)于傳統(tǒng)管材，本文就其中比較典型的幾種管材（如HDPE雙壁波紋管、HDPE中空壁纏繞管、金屬內(nèi)增強聚乙烯（HDPE）螺旋波紋管以及玻璃鋼夾砂管）從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行綜合比較，以便今后設(shè)計在管材選擇方面參考。

　　二、新型管材綜述

　　市政排水管網(wǎng)較一般排水管網(wǎng)來說管徑相對較大，（一般都在DN400以上），市場上出現(xiàn)的大口徑新型管材根據(jù)材質(zhì)的不同，大致可以分為以樹脂為基體玻璃纖維為增強料的玻璃鋼管，以HDPE（高密度聚乙烯）為原料的HDPE管以及以UPVC（聚氯乙?。樵蟄PVC管。由于UPVC（聚氯乙烯）在熔融擠出時的流動性很差、熱穩(wěn)定性也差，生產(chǎn)大口徑管材是相當(dāng)困難的，大口徑聚氯乙烯管的連接問題也困難，目前國內(nèi)生產(chǎn)的UPVC排水管管徑絕大部分在DN600以下，比較適合在小區(qū)等排水管管徑不大的地區(qū)使用，而不適合在市政排水管網(wǎng)（相對管徑較大）上使用，故本文不對該型管材進(jìn)行論述比較。

　　玻璃鋼纖維纏繞增強熱固性樹脂管，簡稱玻璃鋼管，是一種新型的復(fù)合管材，它主要以玻璃纖維作為增強材料，以樹脂為基體制成，以其優(yōu)異的耐腐蝕性能、輕質(zhì)高強、輸送流量大、安裝方便、工期短和綜合投資低等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于化工企業(yè)腐蝕性介質(zhì)輸送以及城市給排水工程等諸多領(lǐng)域。隨著玻璃鋼管的普及應(yīng)用，又出現(xiàn)了玻璃纖維繞增強熱固性樹脂夾砂管，簡稱夾砂玻璃鋼管（RPMP管），這種管道從性能上提高了管材剛度，降低了成本。接頭一般采用承插連接方式，兩道“O”型密封圈。安裝方便、可靠、密封性、耐腐蝕性好，接頭可在小角度范圍內(nèi)任意調(diào)整管線的方向。

　　HDPE管是一種具有環(huán)狀波紋結(jié)構(gòu)外壁和平滑內(nèi)壁的新型塑料管材，由于管道規(guī)格不同，管壁結(jié)構(gòu)也有差別。根據(jù)管壁結(jié)構(gòu)的不同，HDPE管可分為雙壁波紋管和纏繞增強管兩種類型。目前在生產(chǎn)工藝和使用技術(shù)上已經(jīng)十分成熟，在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了極大的推廣和應(yīng)用。

　　1．HDPE雙壁波紋管

　　雙壁波紋管是由HDPE同時擠出的波紋外壁和一層光滑內(nèi)壁一次熔結(jié)擠壓成型的，管壁截面為雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁光滑平整，外壁為等矩排列的具有梯形中空結(jié)構(gòu)的管材。具有優(yōu)異的環(huán)剛度和良好的強度與韌性，重量輕、耐沖擊性強、不易破損等特點，且運輸安裝方便。管道主要采用橡膠圈承插連接（也可采用熱縮帶連接）。由于雙壁波紋管的特殊的波紋管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得該管在同樣直徑和達(dá)到同樣環(huán)剛度的條件下，用料（HDPE）最省。但受到生產(chǎn)工藝限制，目前國內(nèi)能生產(chǎn)的最大口徑也只有DN1200，使得其推廣受到一定的限制。

　　2．HDPE中空壁纏繞管

　　 它是一種以HDPE為原料生產(chǎn)矩形管坯，經(jīng)纏繞焊接成型的一種管材。由于其獨特的成型工藝，可生產(chǎn)口徑達(dá)3000mm的大口徑管材，這是其他生產(chǎn)工藝難以完成甚至于無法完成的。此種管材與雙壁波紋管在性能上基本一致，管道連接主要采用熱熔帶連接方式，連接成本較雙壁波紋管略高；另外，該管的一個主要缺點是在同樣直徑和達(dá)到同樣環(huán)剛度下，一般要比直接擠出的雙壁波紋管耗費更多的原材料，因此，其生產(chǎn)成本較高。

　　3．金屬內(nèi)增強聚乙烯（HDPE）螺旋波紋管

　　它是以聚乙烯為主要原料，經(jīng)過特殊的擠出纏繞成型工藝加工而成的結(jié)構(gòu)壁管，產(chǎn)品由內(nèi)層為PE層、中間層為經(jīng)涂塑處理的金屬鋼帶層、外層為PE層的三層特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。經(jīng)涂塑處理的鋼帶與內(nèi)、外聚乙烯層在熔融狀態(tài)下復(fù)合，使其有機的融為一體，即提高了管材的強度，又解決了鋼帶外露易腐蝕的問題。管徑從DN700～DN2000。其連接方式主要有：焊接連接、卡箍連接和熱收縮套接（適用于DN1200以下）。該管的最大優(yōu)勢在于可以達(dá)到其他塑料管材不能達(dá)到的環(huán)剛度（可達(dá)16kN/m²），同時造價相對低廉。

　　以上各種管材物理性能比較詳見表－1。

　　三、綜合造價比較

　　 本文以深圳地區(qū)為例，對上述新型管材進(jìn)行綜合造價比較。為使比較更符合實際，并能充分發(fā)揮各種管材自身優(yōu)點，比較中考慮了二次搬運、地下水抽排、溝槽支護(hù)、管道基礎(chǔ)以及管溝回填等諸多方面因素，管道埋深統(tǒng)一按4m計算；由于新型管材內(nèi)壁光滑，輸水能力較高，比較中鋼筋混凝土管管徑按比新型管材管徑大一級考慮。（詳見表－2）

　　

　　 物理力學(xué)性能比較 表－1

管類項目 鋼筋混凝土排水管 HDPE雙壁波紋管 HDPE中空纏繞管 金屬內(nèi)增強聚乙烯（HDPE）螺旋波紋管 玻璃鋼夾砂管 環(huán)剛度 ≥10KN/㎡ 2～8KN/㎡ 2～8KN/㎡ 10.5～16KN/㎡ 1.25～10KN/㎡ 連接密封性 水泥包封，易漏水，造成二次污染環(huán)境 套筒密封圈連接，若帶水作業(yè)施工質(zhì)量不易控制，漏水率高，且橡膠密封圈易老化（一般壽命15年） 熱熔帶連接，密封性好，不易漏水 熱熔連接，密封性好，不漏水 雙“O”密封圈承插連接或法蘭連接，密封性好 水力性能 （粗糙系數(shù)）0.013—0.014 （粗糙系數(shù)）0.009—0.01 （粗糙系數(shù)）0.009—0.01 （粗糙系數(shù)）0.009—0.01 （粗糙系數(shù)）0.008－0.01 環(huán)境適應(yīng)性 剛性管怕地質(zhì)沉降，易受化學(xué)腐蝕 抗地質(zhì)沉降能力強，耐酸堿等化學(xué)物腐蝕 抗地質(zhì)沉降能力強，耐酸堿等化學(xué)物腐蝕 抗地質(zhì)沉降能力強，耐酸堿等化學(xué)物腐蝕 有一定的抗沉降性，耐酸堿等化學(xué)物腐蝕 施工特點 基礎(chǔ)要求高，重量大，施工工具，人力多 對基礎(chǔ)處理要求低，管道可彎曲性良好，重量為混凝土管的11% 對基礎(chǔ)處理要求低，管道可彎曲性良好，重量為混凝土管的13% 對基礎(chǔ)處理要求低，管道可彎曲性良好，重量為混凝土管的10% 對基礎(chǔ)處理要求低，重量為混凝土管的10% 使用壽命 ≤30年 ≥50年 ≥50年 ≥50年 ≥50年 產(chǎn)品特點及局限性 因是剛性管，很難適應(yīng)較復(fù)雜的地理環(huán)境，且因性能影響很容易發(fā)生問題，后期的維護(hù)成本很高 環(huán)剛度最高只能達(dá)到8KN/㎡的等級，另因是擠出工藝制造，管徑最大1200MM以下,國內(nèi)大多數(shù)廠家只能生產(chǎn)630MM以內(nèi)的，所以這種管材一般只用作支線，而不宜采納為主干管材 受結(jié)構(gòu)工藝影響，這種管材一般生產(chǎn)的環(huán)剛度都在≥8KN/㎡以下的，生產(chǎn)較高環(huán)剛度必須選用全新原料并加大管材壁厚，但這樣管材成本非常高，所以存在以次充好的普遍情況，造成了惡劣影響。 因?qū)摰膭傂院退芰系娜嵝詢烧咔擅畹膽?yīng)用，有效解決了之前兩種管材都存在的或沒有柔性或剛性不足的問題，因最低生產(chǎn)工藝指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行的產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)，所以采用這種管材不必?fù)?dān)心以次充好質(zhì)量不穩(wěn)定。 管道采用纖維纏繞工藝，環(huán)剛度一般都在10KN/㎡以下，但也可根據(jù)實際的需要通過增加夾砂量來適當(dāng)加大環(huán)剛度。 管材安裝費用 安裝費用高 連接用接頭和密封圈計100元/個 連接用電熔帶503元/個 指導(dǎo)安裝不收取連接材料費 連接用接頭和密封圈計100元/個

　　管道綜合造價比較 表－2

管徑 鋼筋混凝土管 玻璃鋼夾砂管 雙壁波紋管 中空壁纏繞管 金屬內(nèi)增強波紋管 DN600 923.57元/m 1042.71元/m 1099.00元/m 1145.97元/m —— DN800 1350.29元/m 1509.99元/m 1595.55元/m 1760.53元/m 1413.78元/m DN1000 1890.55元/m 2010.75元/m —— 2835.15元/m 1673.55元/m DN1200 2042.66元/m 2583.28元/m —— 3783.39元/m 3021.32元/m DN1500 2725.70元/m 3781.04元/m —— 5447.11元/m 4331.38元/m

　　注：各種管材單價參照深圳地區(qū)2005年3季度信息價以及各廠家報價

　　從上述比較中可以看出，部分管材的綜合造價已經(jīng)接近鋼筋混凝土管造價，但新型管材的抗沉降性能、輕便性以及施工快速等優(yōu)點是鋼筋混凝土管無法比擬的，特別適合在象深圳這種具有軟弱地層以及地下水位高等不利施工條件的地區(qū)。

　　四、管道設(shè)計關(guān)鍵——環(huán)剛度選擇

　　環(huán)剛度是塑料埋地排水管（新型管材均可認(rèn)為是塑料排水管）抗外壓負(fù)載能力的綜合參數(shù)，為了保證塑料埋地排水管在外壓負(fù)載下安全工作，環(huán)剛度的選擇是設(shè)計中的關(guān)鍵之一。如果管材的環(huán)剛度太小，管材可能發(fā)生過大變形或出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞。反之，如果環(huán)剛度選擇得太高，必然采用過大的截面慣性矩，將造成用材料太多，成本過高。

　　外壓負(fù)載比較復(fù)雜，主要包括土壤重量和地面產(chǎn)生的靜負(fù)載，以及運輸車輛經(jīng)過時產(chǎn)生的動負(fù)載。塑料埋地排水管承受負(fù)載的機理也比較復(fù)雜，因為塑料管屬于柔性管，在外壓負(fù)載下管材和周圍的土壤（回填材料）產(chǎn)生‘管土共同作用’。換句話說，是管材和周圍土壤（回填材料）共同來承受外壓負(fù)載。決定塑料埋地排水管鋪設(shè)后能否正常工作的，‘負(fù)載’、‘管材’和‘土壤（回填）’三個參數(shù)都很重要，而且相互影響。所以環(huán)剛度的選擇不僅取決于外壓負(fù)載的情況還取決于鋪設(shè)后管道周圍土壤（回填材料）的情況。根據(jù)世界各國的經(jīng)驗，塑料埋地排水管在外壓負(fù)載下是否能夠安全使用的因素中，鋪設(shè)情況是最主要的。如果鋪設(shè)情況比較好，環(huán)剛度較低的管材也不會有很大變形；反之，如果鋪設(shè)情況不好，即使用環(huán)剛度比較高的管材也可能變形過大和出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)。但是，要保證鋪設(shè)情況良好并不是都能做到的事，同時也是需要成本的。

　　結(jié)合以往施工及設(shè)計經(jīng)驗，我們建議在設(shè)計塑料埋地排水管時盡量選擇較高的環(huán)剛度。

　　直徑在500毫米以下塑料埋地排水管：一般要選擇環(huán)剛度8KN/m²的，只有在地質(zhì)條件好又沒有運輸車輛負(fù)載的采用環(huán)剛度4KN/m²的。

　　直徑在500-1200毫米的塑料埋地排水管：盡量選擇環(huán)剛度8KN/m²的，如果選擇環(huán)剛度8KN/m²以下的要經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計計算（變形驗算，壓屈失穩(wěn)計算）并嚴(yán)格控制鋪設(shè)施工的質(zhì)量（管道基礎(chǔ)、回填材料、分層夯實等）。

　　直徑800毫米以上的塑料埋地排水管：重要工程推薦使用環(huán)剛度較高（環(huán)剛度8KN/m2、以上的）的金屬增強復(fù)合纏繞管和玻璃鋼夾砂管。如果使用環(huán)剛度較低（環(huán)剛度8KN/m²以下）的熱塑性塑料管，務(wù)必要經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計計算（變形驗算，壓屈失穩(wěn)計算）并嚴(yán)格控制鋪設(shè)施工的質(zhì)量（管道基礎(chǔ)、回填材料、分層夯實等）。

　　同時，施工必須確保回填質(zhì)量，回填土密實應(yīng)符合下列規(guī)定：主管區(qū)的回填土密實度不應(yīng)小于95%（按輕型擊實標(biāo)準(zhǔn)，下同）；管道寬度以外次管區(qū)的回填土密實不應(yīng)小于90%。

　　五、結(jié)語

　　 綜上所述，只要設(shè)計合理，新型管材運用在市政排水管網(wǎng)中是有一定優(yōu)勢的，隨著科技水平的提高，新型管材的成本將進(jìn)一步降低，全面替代傳統(tǒng)管材將指日可待！

　　參考文獻(xiàn)

　　1． 張玉川．塑料埋地排水管的關(guān)鍵性能--環(huán)剛度．北京塑料工業(yè)協(xié)會資料，2004。

　　2．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， 2001。