從排水管網(wǎng)生命周期看排水管材的選擇

 

趙健1 李華成1

（1 工作單位 新興鑄管股份有限公司 邯鄲056300）

 

摘要：“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。排水管道工程面臨的問(wèn)題較多，涉及面較廣，管材的選擇也是工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文觀點(diǎn)是以管道結(jié)構(gòu)安全為基礎(chǔ)，從管道全生命周期的角度評(píng)價(jià)管材的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng)  生命周期  管材選擇

 

1 排水管材的選擇

目前我國(guó)市政排水管網(wǎng)上使用的管材主要有：鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、PE雙壁波紋管和玻璃鋼夾砂管等。我國(guó)排水管材出現(xiàn)的問(wèn)題比較多，從源頭上來(lái)說(shuō)，我國(guó)排水管材的各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都有待提高。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)，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(lái)進(jìn)行計(jì)算。比如，對(duì)排水管來(lái)說(shuō)，最重要的是在設(shè)定埋深的情況下，對(duì)覆土荷載和交通荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全的核算。如果沒(méi)有設(shè)定參數(shù)，設(shè)計(jì)人員就沒(méi)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(duì)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(guó)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(cè)進(jìn)行施工。最后是驗(yàn)收，就是對(duì)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(lái)驗(yàn)證工程質(zhì)量是否達(dá)到相關(guān)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。

每種管材都有自己的優(yōu)劣勢(shì)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程條件，并結(jié)合管材特性來(lái)選擇合適的管材，用以保證管線安全、長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行：

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 地質(zhì)復(fù)雜程度

Ø 施工方式

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 

在保證管線安全、長(zhǎng)期、穩(wěn)定的前提下，再根據(jù)全生命周期的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，盡量選擇經(jīng)濟(jì)性的管材。GB50788 《城鎮(zhèn)給水排水技術(shù)規(guī)范》的6.1.2條款的規(guī)定：“城鎮(zhèn)給水排水設(shè)施中主要建筑物的主體結(jié)構(gòu)和地下干管道，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)低于50年；安全等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)。”

Ø 從全生命周期的角度考慮管材的經(jīng)濟(jì)性。 

Ø 建立管材的評(píng)估體系，將管材成本、施工成本、維修次數(shù)與費(fèi)用等全部納入評(píng)估體系。

Ø 將管材分級(jí)，根據(jù)工程條件確定使用相應(yīng)的管材。利用管材評(píng)估體系，進(jìn)行如下管材綜合成本的計(jì)算：

 

 

 

2 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(wú)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。

雖然各類管材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不同，但都是根據(jù)材料力學(xué)性能做出的，所以材料力學(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)。我國(guó)排水管材質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況還是比較嚴(yán)重，用戶單位應(yīng)當(dāng)在施工現(xiàn)場(chǎng)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。

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。

對(duì)于剛性管道（這里主要指鋼筋混凝土管），其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)建在組合作用下，計(jì)算截面的受力狀態(tài)處于軸線受拉或小偏心受拉時(shí)，截面設(shè)計(jì)應(yīng)按不允許裂縫出現(xiàn)控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，工藝生產(chǎn)時(shí)受控環(huán)節(jié)較多，廠家應(yīng)提供結(jié)構(gòu)計(jì)算說(shuō)明書，用戶單位適當(dāng)采取駐廠監(jiān)造的方式，根據(jù)計(jì)算說(shuō)明書對(duì)材料和工藝進(jìn)行質(zhì)量檢查，以保證管材合格。

柔性管材包括塑料管、球墨鑄鐵管、鋼管和玻璃鋼夾砂管等，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度計(jì)算和變形控制，變形控制更為關(guān)鍵。柔性管材的變形控制理論通常采用Spangle公式，即外荷載作用條件下，管土共同作用抵御管道變形，見下列計(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

雖然是管土共同作用，材料本身的環(huán)剛度依然非常重要。建議排水管材的環(huán)剛度不應(yīng)低于10KN/m2，并建議針對(duì)環(huán)剛度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽檢。

3 接口性能

GB50014《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的5.3.4條規(guī)定：當(dāng)管道穿過(guò)粉砂、細(xì)砂層并在最高地下水位以下，或在地震設(shè)防烈度為 度及以上設(shè)防區(qū)時(shí)，應(yīng)采用柔性接口。要保證柔性接口完全密封，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，可以保證接口的密封性能，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)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，或者在廠家現(xiàn)場(chǎng)并在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定下進(jìn)行。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。

4 管材防腐及老化

金屬管材存在腐蝕問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力混凝土管或多或少也存在腐蝕問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)做好防腐； 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。

但并不是說(shuō)，塑料管材就可以高枕無(wú)憂了，因?yàn)樗芰瞎懿拇嬖诶匣瘑?wèn)題，即蠕變和應(yīng)力松弛的問(wèn)題。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，塑料的性能指標(biāo)會(huì)按照一定的斜率下降。所以，廠家應(yīng)當(dāng)提供權(quán)威部門鑒定的長(zhǎng)期性能試驗(yàn)報(bào)告。

5 管材的生命周期

如同人的生老病死，管材也有自己的生命周期。

例如，上海市的污水主干管網(wǎng)自1970開始陸續(xù)建成，管材為鋼筋混凝土管，口徑為DN2000及以上，生命周期30年至50年不等，鋼筋腐蝕嚴(yán)重，面臨報(bào)廢的危險(xiǎn)，正在尋求更換方案。

據(jù)德國(guó)的有關(guān)資料，德國(guó)的排水管網(wǎng)以鋼筋混凝土管和陶土管為主，管材的生命周期估算為42年，平均的病害長(zhǎng)度為6.15米/處，平均維修費(fèi)用為812歐元/米。

自上世紀(jì)六十年代球墨鑄鐵管在全世界范圍內(nèi)推廣使用，七十年代開始成為發(fā)達(dá)國(guó)家供水管網(wǎng)上的主流管材，至今管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，預(yù)估生命周期超過(guò)百年。由于雨污水腐蝕性高于自來(lái)水，排水球墨鑄鐵管采用了防腐更優(yōu)的鋁酸鹽水泥內(nèi)襯，預(yù)估生命周期也可以達(dá)到百年。

世界上玻璃纖維生產(chǎn)先導(dǎo)者荷蘭Ameron公司，僅建議玻璃鋼夾砂管使用壽命30年的。

    排水管材的生命周期不僅涉及材料本身，還與敷設(shè)地質(zhì)條件，水質(zhì)條件以及運(yùn)維管理相關(guān)，建立和完善自己管網(wǎng)的評(píng)估體系，才能更加科學(xué)地評(píng)估自己管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

排水管材的選擇應(yīng)當(dāng)關(guān)乎于兩個(gè)方面，一是管材技術(shù)性，管材本身的性能——荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地質(zhì)沉降下的接口密封及長(zhǎng)期運(yùn)行下的防腐或老化性能均應(yīng)該與排水管線的工程條件相適應(yīng)；二是管材經(jīng)濟(jì)性，不可以僅關(guān)注管材的價(jià)格，更應(yīng)當(dāng)從管材的生命周期來(lái)衡量綜合成本，即全部的建設(shè)成本，管理成本以及運(yùn)行維護(hù)成本等全部成本以管材生命周期折算出來(lái)的綜合成本。

 

參考文獻(xiàn)

[1] 上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì). GB50014《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[S].

[2] American Water Works Association. MANUAL M9 Concrete Pressure Pipe [S].

[3] American Water Works Association. MANUAL M41 Ductile Iron Pipe and Fitting [S].