新型管材在市政排水管网中的设计及运用

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摘要： 本文通过对几种新型管材从技术、经济等方面的综合比较，列举了各种管材各自的优势及局限性，并明确了设计的关键参数——环刚度的选择，供今后在市政排水管网设计时参考。
关键词： 新型管材 排水管网 综合比较 环刚度

　　一、引言

　　随着我国国民经济持续快速的发展，市政建设的规模也在不断扩大。作为城市重要的基础设施——市政排水管网，也得到了政府部门的大力支持、建设和完善。传统的排水管材由于其本身固有的一些缺点，已经难以适应城市快速发展的需要。因此，近年来出现了许多新型管材，这些管材无论是性能还是施工难易程度都优于传统管材，本文就其中比较典型的几种管材（如HDPE双壁波纹管、HDPE中空壁缠绕管、金属内增强聚乙烯（HDPE）螺旋波纹管以及玻璃钢夹砂管）从技术、经济角度进行综合比较，以便今后设计在管材选择方面参考。

　　二、新型管材综述

　　市政排水管网较一般排水管网来说管径相对较大，（一般都在DN400以上），市场上出现的大口径新型管材根据材质的不同，大致可以分为以树脂为基体玻璃纤维为增强料的玻璃钢管，以HDPE（高密度聚乙烯）为原料的HDPE管以及以UPVC（聚氯乙稀）为原料UPVC管。由于UPVC（聚氯乙烯）在熔融挤出时的流动性很差、热稳定性也差，生产大口径管材是相当困难的，大口径聚氯乙烯管的连接问题也困难，目前国内生产的UPVC排水管管径绝大部分在DN600以下，比较适合在小区等排水管管径不大的地区使用，而不适合在市政排水管网（相对管径较大）上使用，故本文不对该型管材进行论述比较。

　　玻璃钢纤维缠绕增强热固性树脂管，简称玻璃钢管，是一种新型的复合管材，它主要以玻璃纤维作为增强材料，以树脂为基体制成，以其优异的耐腐蚀性能、轻质高强、输送流量大、安装方便、工期短和综合投资低等优点，广泛的应用于化工企业腐蚀性介质输送以及城市给排水工程等诸多领域。随着玻璃钢管的普及应用，又出现了玻璃纤维绕增强热固性树脂夹砂管，简称夹砂玻璃钢管（RPMP管），这种管道从性能上提高了管材刚度，降低了成本。接头一般采用承插连接方式，两道“O”型密封圈。安装方便、可靠、密封性、耐腐蚀性好，接头可在小角度范围内任意调整管线的方向。

　　HDPE管是一种具有环状波纹结构外壁和平滑内壁的新型塑料管材，由于管道规格不同，管壁结构也有差别。根据管壁结构的不同，HDPE管可分为双壁波纹管和缠绕增强管两种类型。目前在生产工艺和使用技术上已经十分成熟，在欧美等发达国家已经得到了极大的推广和应用。

　　1．HDPE双壁波纹管

　　双壁波纹管是由HDPE同时挤出的波纹外壁和一层光滑内壁一次熔结挤压成型的，管壁截面为双层结构，其内壁光滑平整，外壁为等矩排列的具有梯形中空结构的管材。具有优异的环刚度和良好的强度与韧性，重量轻、耐冲击性强、不易破损等特点，且运输安装方便。管道主要采用橡胶圈承插连接（也可采用热缩带连接）。由于双壁波纹管的特殊的波纹管壁结构设计，使得该管在同样直径和达到同样环刚度的条件下，用料（HDPE）最省。但受到生产工艺限制，目前国内能生产的最大口径也只有DN1200，使得其推广受到一定的限制。

　　2．HDPE中空壁缠绕管

　　 它是一种以HDPE为原料生产矩形管坯，经缠绕焊接成型的一种管材。由于其独特的成型工艺，可生产口径达3000mm的大口径管材，这是其他生产工艺难以完成甚至于无法完成的。此种管材与双壁波纹管在性能上基本一致，管道连接主要采用热熔带连接方式，连接成本较双壁波纹管略高；另外，该管的一个主要缺点是在同样直径和达到同样环刚度下，一般要比直接挤出的双壁波纹管耗费更多的原材料，因此，其生产成本较高。

　　3．金属内增强聚乙烯（HDPE）螺旋波纹管

　　它是以聚乙烯为主要原料，经过特殊的挤出缠绕成型工艺加工而成的结构壁管，产品由内层为PE层、中间层为经涂塑处理的金属钢带层、外层为PE层的三层特殊结构构成。经涂塑处理的钢带与内、外聚乙烯层在熔融状态下复合，使其有机的融为一体，即提高了管材的强度，又解决了钢带外露易腐蚀的问题。管径从DN700～DN2000。其连接方式主要有：焊接连接、卡箍连接和热收缩套接（适用于DN1200以下）。该管的最大优势在于可以达到其他塑料管材不能达到的环刚度（可达16kN/m²），同时造价相对低廉。

　　以上各种管材物理性能比较详见表－1。

　　三、综合造价比较

　　 本文以深圳地区为例，对上述新型管材进行综合造价比较。为使比较更符合实际，并能充分发挥各种管材自身优点，比较中考虑了二次搬运、地下水抽排、沟槽支护、管道基础以及管沟回填等诸多方面因素，管道埋深统一按4m计算；由于新型管材内壁光滑，输水能力较高，比较中钢筋混凝土管管径按比新型管材管径大一级考虑。（详见表－2）

　　

　　 物理力学性能比较 表－1

管类项目 钢筋混凝土排水管 HDPE双壁波纹管 HDPE中空缠绕管 金属内增强聚乙烯（HDPE）螺旋波纹管 玻璃钢夹砂管 环刚度 ≥10KN/㎡ 2～8KN/㎡ 2～8KN/㎡ 10.5～16KN/㎡ 1.25～10KN/㎡ 连接密封性 水泥包封，易漏水，造成二次污染环境 套筒密封圈连接，若带水作业施工质量不易控制，漏水率高，且橡胶密封圈易老化（一般寿命15年） 热熔带连接，密封性好，不易漏水 热熔连接，密封性好，不漏水 双“O”密封圈承插连接或法兰连接，密封性好 水力性能 （粗糙系数）0.013—0.014 （粗糙系数）0.009—0.01 （粗糙系数）0.009—0.01 （粗糙系数）0.009—0.01 （粗糙系数）0.008－0.01 环境适应性 刚性管怕地质沉降，易受化学腐蚀 抗地质沉降能力强，耐酸碱等化学物腐蚀 抗地质沉降能力强，耐酸碱等化学物腐蚀 抗地质沉降能力强，耐酸碱等化学物腐蚀 有一定的抗沉降性，耐酸碱等化学物腐蚀 施工特点 基础要求高，重量大，施工工具，人力多 对基础处理要求低，管道可弯曲性良好，重量为混凝土管的11% 对基础处理要求低，管道可弯曲性良好，重量为混凝土管的13% 对基础处理要求低，管道可弯曲性良好，重量为混凝土管的10% 对基础处理要求低，重量为混凝土管的10% 使用寿命 ≤30年 ≥50年 ≥50年 ≥50年 ≥50年 产品特点及局限性 因是刚性管，很难适应较复杂的地理环境，且因性能影响很容易发生问题，后期的维护成本很高 环刚度最高只能达到8KN/㎡的等级，另因是挤出工艺制造，管径最大1200MM以下,国内大多数厂家只能生产630MM以内的，所以这种管材一般只用作支线，而不宜采纳为主干管材 受结构工艺影响，这种管材一般生产的环刚度都在≥8KN/㎡以下的，生产较高环刚度必须选用全新原料并加大管材壁厚，但这样管材成本非常高，所以存在以次充好的普遍情况，造成了恶劣影响。 因将钢的刚性和塑料的柔性两者巧妙的应用，有效解决了之前两种管材都存在的或没有柔性或刚性不足的问题，因最低生产工艺指标都远远高于现行的产品国家标准，所以采用这种管材不必担心以次充好质量不稳定。 管道采用纤维缠绕工艺，环刚度一般都在10KN/㎡以下，但也可根据实际的需要通过增加夹砂量来适当加大环刚度。 管材安装费用 安装费用高 连接用接头和密封圈计100元/个 连接用电熔带503元/个 指导安装不收取连接材料费 连接用接头和密封圈计100元/个

　　管道综合造价比较 表－2

管径 钢筋混凝土管 玻璃钢夹砂管 双壁波纹管 中空壁缠绕管 金属内增强波纹管 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：各种管材单价参照深圳地区2005年3季度信息价以及各厂家报价

　　从上述比较中可以看出，部分管材的综合造价已经接近钢筋混凝土管造价，但新型管材的抗沉降性能、轻便性以及施工快速等优点是钢筋混凝土管无法比拟的，特别适合在象深圳这种具有软弱地层以及地下水位高等不利施工条件的地区。

　　四、管道设计关键——环刚度选择

　　环刚度是塑料埋地排水管（新型管材均可认为是塑料排水管）抗外压负载能力的综合参数，为了保证塑料埋地排水管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。

　　外压负载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静负载，以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂，因为塑料管属于柔性管，在外压负载下管材和周围的土壤（回填材料）产生‘管土共同作用’。换句话说，是管材和周围土壤（回填材料）共同来承受外压负载。决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的，‘负载’、‘管材’和‘土壤（回填）’三个参数都很重要，而且相互影响。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤（回填材料）的情况。根据世界各国的经验，塑料埋地排水管在外压负载下是否能够安全使用的因素中，铺设情况是最主要的。如果铺设情况比较好，环刚度较低的管材也不会有很大变形；反之，如果铺设情况不好，即使用环刚度比较高的管材也可能变形过大和出现压屈失稳。但是，要保证铺设情况良好并不是都能做到的事，同时也是需要成本的。

　　结合以往施工及设计经验，我们建议在设计塑料埋地排水管时尽量选择较高的环刚度。

　　直径在500毫米以下塑料埋地排水管：一般要选择环刚度8KN/m²的，只有在地质条件好又没有运输车辆负载的采用环刚度4KN/m²的。

　　直径在500-1200毫米的塑料埋地排水管：尽量选择环刚度8KN/m²的，如果选择环刚度8KN/m²以下的要经过结构设计计算（变形验算，压屈失稳计算）并严格控制铺设施工的质量（管道基础、回填材料、分层夯实等）。

　　直径800毫米以上的塑料埋地排水管：重要工程推荐使用环刚度较高（环刚度8KN/m2、以上的）的金属增强复合缠绕管和玻璃钢夹砂管。如果使用环刚度较低（环刚度8KN/m²以下）的热塑性塑料管，务必要经过结构设计计算（变形验算，压屈失稳计算）并严格控制铺设施工的质量（管道基础、回填材料、分层夯实等）。

　　同时，施工必须确保回填质量，回填土密实应符合下列规定：主管区的回填土密实度不应小于95%（按轻型击实标准，下同）；管道宽度以外次管区的回填土密实不应小于90%。

　　五、结语

　　 综上所述，只要设计合理，新型管材运用在市政排水管网中是有一定优势的，随着科技水平的提高，新型管材的成本将进一步降低，全面替代传统管材将指日可待！

　　参考文献

　　1． 张玉川．塑料埋地排水管的关键性能--环刚度．北京塑料工业协会资料，2004。

　　2．埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程．

　　CECS 129：2001， 2001。