題目：從排水管網(wǎng)壽命周期看雨污水管材選擇（2020）

報(bào)告人：新興鑄管股份有限公司  李華成  技術(shù)總監(jiān)

李華成，新興鑄管股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，同時(shí)擔(dān)任中國土木工程學(xué)會水工業(yè)分會機(jī)械設(shè)備專家委員會成員、天津市土木工程學(xué)會給水排水分會理事,中國水協(xié)科學(xué)技術(shù)委員會委員，曾參與多項(xiàng)離心球墨鑄鐵管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的編制和修訂，是國內(nèi)球墨鑄鐵管行業(yè)極具影響力的技術(shù)專家。

從排水管網(wǎng)生命周期看雨污水管材選擇

 “城市水體黑臭在水里，根源在岸上，關(guān)鍵在排口，核心在管網(wǎng)。”管網(wǎng)在黑臭水體治理方面的核心作用已被普遍認(rèn)同。

在第四屆長三角(蘇浙滬)排水與污水處理研討會上，新興鑄管股份有限公司市場部技術(shù)總監(jiān)李華成從雨污水管道工程四個(gè)環(huán)節(jié)——產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收進(jìn)行全面闡述，分析問題所在，給出確實(shí)可行的方法;以管道結(jié)構(gòu)安全為基礎(chǔ)，從管道全生命周期的角度評價(jià)管材的經(jīng)濟(jì)性。相信讀者在讀罷此文后，將會對排水管材的選用有更深的理解和新的收獲。

排水管材

目前我國市政排水管網(wǎng)上使用的管材主要有：預(yù)應(yīng)力混凝土管、球墨鑄鐵管、PE雙壁波紋管和玻璃鋼管。我國排水管材出現(xiàn)的問題比較多，并最終導(dǎo)致了黑臭水體，從源頭上來說，我國排水管材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有待提高。管道工程涉及四個(gè)環(huán)節(jié)：產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收。如果這四個(gè)環(huán)節(jié)不能完全協(xié)調(diào)好，最后的工程質(zhì)量就難以得到保證，所以，產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收四個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)動(dòng)顯得非常重要。產(chǎn)品方面要與設(shè)計(jì)有互動(dòng)，產(chǎn)品的廠家應(yīng)該要將與設(shè)計(jì)有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法提供給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)管線的工程條件和產(chǎn)品本身的技術(shù)參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。比如，對排水管來說，最重要的是在設(shè)定埋深的情況下，對覆土荷載和交通荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全的核算。如果沒有設(shè)定參數(shù)，設(shè)計(jì)人員就沒辦法計(jì)算，這就是產(chǎn)品與設(shè)計(jì)之間的聯(lián)動(dòng)。還有施工方面，應(yīng)該要對產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，要看產(chǎn)品是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后再按照我國規(guī)定的施工規(guī)范進(jìn)行施工，或者是按廠家提供的技術(shù)手冊進(jìn)行施工。最后是驗(yàn)收，就是對產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、施工三個(gè)方面進(jìn)行全面綜合的考量，來驗(yàn)證工程質(zhì)量是否達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。所以這四個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該都是聯(lián)動(dòng)的，每個(gè)細(xì)節(jié)的把握好壞都關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。

管材選擇有著基本原則，并根據(jù)管材綜合成本確定最終的管材：

Ø 在保證管材結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，盡量保證管材的經(jīng)濟(jì)性;

Ø 在全生命周期的時(shí)間范圍內(nèi)，考慮管材的經(jīng)濟(jì)性;

Ø 建立管材的評估體系，將管材成本、施工成本、管材的破損程度、維修次數(shù)與費(fèi)用等全部納入評估體系;

Ø 將管材分級，根據(jù)工程條件確定使用相應(yīng)的管材。

利用管材評估體系，進(jìn)行如下管材綜合成本的計(jì)算，僅供參考：

管材選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)管材特性及工程條件確定合適的管材：

Ø 中心商業(yè)區(qū)(維修允許程度)

Ø 雨污水壓力管或重力管

Ø 管線埋設(shè)深度

Ø ≥DN1000雨污水管線

Ø 地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域

Ø 非開挖施工地段

Ø 綜合管廊內(nèi)雨污水管線

Ø 明裝雨污水管線

Ø 土壤腐蝕程度

Ø … …

材料力學(xué)性能

材料力學(xué)性能是管材最基本的參數(shù)，也是判斷管材質(zhì)量合格與否的最直接指標(biāo)。用戶單位應(yīng)當(dāng)在施工現(xiàn)場隨機(jī)取樣，并送檢到第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)，不合格的管材應(yīng)當(dāng)拒收。中央電視臺分別在2015年和2018年兩次報(bào)道了塑料管材摻加回收料的問題。白居易有詩云：“商人重利輕別離”。但也不能完全責(zé)怪商人，我們的用戶單位也應(yīng)該加強(qiáng)對所用材料的管理。GB/T19472.1《埋地用聚乙烯(PE)結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng)  第1部分  聚乙烯雙壁波紋管材》附錄A的表格中規(guī)定管材的拉伸強(qiáng)度為20.7MPa，而在GB/T13663《給水用聚乙烯PE管材》中的PE管原材料性能表中規(guī)定PE100最小要求強(qiáng)度為10MPa，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對于材料強(qiáng)度表述是矛盾的，與國際標(biāo)準(zhǔn)比對后，可以確定GB/T19472.1中PE的拉伸強(qiáng)度是錯(cuò)誤的。如果標(biāo)準(zhǔn)都是錯(cuò)的，那么管材的質(zhì)量又如何能得到保證呢?

預(yù)應(yīng)力混凝土管的預(yù)應(yīng)力鋼絲檢驗(yàn)非常重要。CECS140《給水排水工程埋地管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中提到：預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)采用高強(qiáng)度碳素鋼絲，直徑不得小于4mm，其物理力學(xué)性能指標(biāo)除應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》GB/T5223的規(guī)定外，尚應(yīng)滿足下列抗扭試驗(yàn)的規(guī)定：

采用由鋼絲盤卷端直接剪下的鋼絲作為試樣。試樣在扭轉(zhuǎn)機(jī)和兩夾具間的長度為200mm。在相當(dāng)于0.5%～2.0%的鋼絲最低斷裂強(qiáng)度的軸向力作用下，測試試樣斷裂時(shí)的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，對直徑為4mm、5mm的鋼絲不應(yīng)少于8圈，對直徑為6mm、7mm的鋼絲不應(yīng)少于6圈。試樣的扭斷裂面上不應(yīng)出現(xiàn)沿試樣長度方向延伸的螺旋形(縱向)裂縫。

結(jié)構(gòu)安全

管材的選擇，一定要在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)之上考慮管材的經(jīng)濟(jì)性，如果不能保證結(jié)構(gòu)安全，其他都無從談起。現(xiàn)在的修復(fù)技術(shù)，很多都不是結(jié)構(gòu)性的修復(fù)，而是工藝類的修復(fù)。所以各種管材最重要的基礎(chǔ)就是能夠保證管道的結(jié)構(gòu)安全。

管材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下兩個(gè)原則：

Ø 外荷載的要求：管線的埋深≤管材的最大允許埋深;

Ø 內(nèi)水壓的要求：雨水或污水最大流量時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊波≤管材的最大允許工作壓力。

柔性管材的外部荷載應(yīng)滿足下列計(jì)算公式:

式中：

Δ: 管子徑向變形

K：變形系數(shù)

S：管道環(huán)剛度

E’:土壤彈性模量

Pe:土壤荷載

Pt: 交通荷載

柔性管材最重要的指標(biāo)是環(huán)剛度，建議排水管材的環(huán)剛度不應(yīng)低于10KN/m2，并建議針對環(huán)剛度進(jìn)行現(xiàn)場抽檢。

預(yù)應(yīng)力混凝土管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，可以采用GB50332《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和CECS140《給水排水工程埋地預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》的計(jì)算方法，并在下列設(shè)定的邊界條件下制作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書。另外，AWWA  MANUAL  M9《混凝土壓力管》是一本很好的參考書，該資料給出了詳細(xì)的計(jì)算方法和步驟，在設(shè)定的邊界條件下進(jìn)行軸向應(yīng)力、彎矩應(yīng)力以及剪切應(yīng)力計(jì)算，以檢驗(yàn)鋼絲配制是否合理。

接口性能

GB50014《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的4.3.4條規(guī)定：管道接口應(yīng)根據(jù)管道材質(zhì)和地質(zhì)條件確定，污水和合流污水管道應(yīng)采用柔性接口。但要保證承插式接口完全密封，還應(yīng)當(dāng)具備下列條件：

Ø 承插口應(yīng)保證足夠的環(huán)剛度，以抵御內(nèi)外荷載;

Ø 膠圈應(yīng)得到充分的壓縮，以保證密封;

Ø 接口應(yīng)能在吸收熱脹冷縮的變化下，保證密封;

Ø 接口應(yīng)能在承受適當(dāng)?shù)牡鼗�沉降情況下，保證密封。

球墨鑄鐵管的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種條件下的接口型式試驗(yàn)，保證了接口的密封性能，值得其他管材借鑒。生產(chǎn)廠家應(yīng)提供接口保證性試驗(yàn)報(bào)告作為接口保障措施，該試驗(yàn)可以在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)室內(nèi)安裝并完成，或者廠家內(nèi)安裝并在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定下完成。保證性試驗(yàn)方法遵從各類管材的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但基本條件是應(yīng)當(dāng)證明工程最不利條件下接口完好密封。

管材防腐及老化

金屬管材存在腐蝕問題，應(yīng)當(dāng)做好防腐;但并不是說，塑料管材就可以高枕無憂了，因?yàn)樗芰瞎懿拇嬖诶匣瘑栴}。

我國的預(yù)應(yīng)力混凝土管腐蝕問題十分嚴(yán)重，防腐技術(shù)必須大幅提高。一方面，我國正在推廣各類內(nèi)襯修復(fù)方法，另一方面，預(yù)應(yīng)力混凝土管防腐技術(shù)依然裹足不前。能否在新建混凝土管道上采用聚酯樹脂油氈、玻璃增強(qiáng)聚酯樹脂油氈等材料?難道非要亡羊補(bǔ)牢嗎?

目前，排水用球墨鑄鐵管采用的是鋁酸鹽水泥內(nèi)襯(俗稱高鋁水泥)，經(jīng)各類試驗(yàn)以及實(shí)際工程檢驗(yàn)，在防腐蝕、耐磨損、耐酸堿等方面都表現(xiàn)優(yōu)異，是很好的經(jīng)濟(jì)適用型的防腐材料，這種材料值得在混凝土管上推廣。

塑料管材的老化問題應(yīng)當(dāng)引起注意，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)塑料管材的老化試驗(yàn)措施，否則，管材長期的結(jié)構(gòu)安全難以得到保證。例如，長期環(huán)向彎曲性能試驗(yàn)就是一個(gè)重要的老化檢測試驗(yàn)：對一組試樣，通過施加不同的恒定外荷載，測出每個(gè)試樣破壞時(shí)間，換算出相應(yīng)的彎曲應(yīng)變，再由回歸曲線外推至50年后彎曲應(yīng)變，即為長期彎曲應(yīng)變。

管材的經(jīng)濟(jì)性

建立管材評估體系，從而在全生命周期來考察管材的綜合成本，才能科學(xué)地展現(xiàn)管材經(jīng)濟(jì)性。這里以DN1000球墨鑄鐵管與預(yù)應(yīng)力混凝土管為例，以現(xiàn)有德國排水管材維修費(fèi)用為依據(jù)，來估算管材的綜合成本，僅供讀者參考。

DN1000球墨鑄鐵管與預(yù)應(yīng)力混凝土管的綜合成本分析 單位：元/米

結(jié)束語

黑臭水體的徹底解決一定要落實(shí)在排水管網(wǎng)上，我們排水行業(yè)的同行要在產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收各個(gè)環(huán)節(jié)上全面提高工程技術(shù)，在總結(jié)西方經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還要勇于突破和創(chuàng)新，那么，我國的排水工程技術(shù)一定會成為世界的典范!

原標(biāo)題:從排水管網(wǎng)生命周期看雨污水管材選擇