新型管材在市政排水管網中的設計及運用
簡介： 本文通過對幾種新型管材從技術、經濟等方面的綜合比較，列舉了各種管材各自的優勢及局限性，并明確了設計的關鍵參數——環剛度的選擇，供今后在市政排水管網設計時參考。
關鍵字：新型管材 排水管網 綜合比較 環剛度
一、引言
隨著我國國民經濟持續快速的發展，市政建設的規模也在不斷擴大。作為城市重要的基礎設施——市政排水管網，也得到了政府部門的大力支持、建設和完善。傳統的排水管材由于其本身固有的一些缺點，已經難以適應城市快速發展的需要。因此，近年來出現了許多新型管材，這些管材無論是性能還是施工難易程度都優于傳統管材，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、金屬內增強聚乙烯（HDPE）螺旋波紋管以及玻璃鋼夾砂管）從技術、經濟角度進行綜合比較，以便今后設計在管材選擇方面參考。
二、新型管材綜述
市政排水管網較一般排水管網來說管徑相對較大，（一般都在DN400以上），市場上出現的大口徑新型管材根據材質的不同，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、熱穩定性也差，生產大口徑管材是相當困難的，大口徑聚氯乙烯管的連接問題也困難，目前國內生產的UPVC排水管管徑絕大部分在DN600以下，比較適合在小區等排水管管徑不大的地區使用，而不適合在市政排水管網（相對管徑較大）上使用，故本文不對該型管材進行論述比較。
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，以其優異的耐腐蝕性能、輕質高強、輸送流量大、安裝方便、工期短和綜合投資低等優點，廣泛的應用于化工企業腐蝕性介質輸送以及城市給排水工程等諸多領域。隨著玻璃鋼管的普及應用，又出現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任意調整管線的方向。
HDPE管是一種具有環狀波紋結構外壁和平滑內壁的新型塑料管材，由于管道規格不同，管壁結構也有差別。根據管壁結構的不同，HDPE管可分為雙壁波紋管和纏繞增強管兩種類型。目前在生產工藝和使用技術上已經十分成熟，在歐美等發達國家已經得到了極大的推廣和應用。
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壁一次熔結擠壓成型的，管壁截面為雙層結構，其內壁光滑平整，外壁為等矩排列的具有梯形中空結構的管材。具有優異的環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構設計，使得該管在同樣直徑和達到同樣環剛度的條件下，用料（HDPE）最省。但受到生產工藝限制，目前國內能生產的最大口徑也只有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為原料生產矩形管坯，經纏繞焊接成型的一種管材。由于其獨特的成型工藝，可生產口徑達3000mm的大口徑管材，這是其他生產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到同樣環剛度下，一般要比直接擠出的雙壁波紋管耗費更多的原材料，因此，其生產成本較高。
3．金屬內增強聚乙烯（HDPE）螺旋波紋管
它是以聚乙烯為主要原料，經過特殊的擠出纏繞成型工藝加工而成的結構壁管，產品由內層為PE層、中間層為經涂塑處理的金屬鋼帶層、外層為PE層的三層特殊結構構成。經涂塑處理的鋼帶與內、外聚乙烯層在熔融狀態下復合，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）。該管的最大優勢在于可以達到其他塑料管材不能達到的環剛度（可達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。
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三、綜合造價比較
本文以深圳地區為例，對上述新型管材進行綜合造價比較。為使比較更符合實際，并能充分發揮各種管材自身優點，比較中考慮了二次搬運、地下水抽排、溝槽支護、管道基礎以及管溝回填等諸多方面因素，管道埋深統一按4m計算；由于新型管材內壁光滑，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）
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從上述比較中可以看出，部分管材的綜合造價已經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。
四、管道設計關鍵——環剛度選擇
環剛度是塑料埋地排水管（新型管材均可認為是塑料排水管）抗外壓負載能力的綜合參數，為了保證塑料埋地排水管在外壓負載下安全工作，環剛度的選擇是設計中的關鍵之一。如果管材的環剛度太小，管材可能發生過大變形或出現壓屈失穩破壞。反之，如果環剛度選擇得太高，必然采用過大的截面慣性矩，將造成用材料太多，成本過高。
外壓負載比較復雜，主要包括土壤重量和地面產生的靜負載，以及運輸車輛經過時產生的動負載。塑料埋地排水管承受負載的機理也比較復雜，因為塑料管屬于柔性管，在外壓負載下管材和周圍的土壤（回填材料）產生‘管土共同作用’。換句話說，是管材和周圍土壤（回填材料）共同來承受外壓負載。決定塑料埋地排水管鋪設后能否正常工作的，‘負載’、‘管材’和‘土壤（回填）’三個參數都很重要，而且相互影響。所以環剛度的選擇不僅取決于外壓負載的情況還取決于鋪設后管道周圍土壤（回填材料）的情況。根據世界各國的經驗，塑料埋地排水管在外壓負載下是否能夠安全使用的因素中，鋪設情況是最主要的。如果鋪設情況比較好，環剛度較低的管材也不會有很大變形；反之，如果鋪設情況不好，即使用環剛度比較高的管材也可能變形過大和出現壓屈失穩。但是，要保證鋪設情況良好并不是都能做到的事，同時也是需要成本的。
結合以往施工及設計經驗，我們建議在設計塑料埋地排水管時盡量選擇較高的環剛度。
直徑在500毫米以下塑料埋地排水管：一般要選擇環剛度8KN/m2的，只有在地質條件好又沒有運輸車輛負載的采用環剛度4KN/m2的。
直徑在500-1200毫米的塑料埋地排水管：盡量選擇環剛度8KN/m2的，如果選擇環剛度8KN/m2以下的要經過結構設計計算（變形驗算，壓屈失穩計算）并嚴格控制鋪設施工的質量（管道基礎、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剛度較高（環剛度8KN/m2、以上的）的金屬增強復合纏繞管和玻璃鋼夾砂管。如果使用環剛度較低（環剛度8KN/m2以下）的熱塑性塑料管，務必要經過結構設計計算（變形驗算，壓屈失穩計算）并嚴格控制鋪設施工的質量（管道基礎、回填材料、分層夯實等）。
同時，施工必須確保回填質量，回填土密實應符合下列規定：主管區的回填土密實度不應小于95%（按輕型擊實標準，下同）；管道寬度以外次管區的回填土密實不應小于90%。
五、結語
綜上所述，只要設計合理，新型管材運用在市政排水管網中是有一定優勢的，隨著科技水平的提高，新型管材的成本將進一步降低，全面替代傳統管材將指日可待！
參考文獻
1． 張玉川．塑料埋地排水管的關鍵性能--環剛度．北京塑料工業協會資料，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程．
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