從排水管網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，關鍵在排口，核心在管網。”管網在黑臭水體治理方面的核心作用已被普遍認同。排水管道工程面臨的問題較多，涉及面較廣，管材的選擇也是工程的關鍵環(huán)節(jié)之一。本文觀點是以管道結構安全為基礎，從管道全生命周期的角度評價管材的經濟性。

關鍵詞：排水管網  生命周期  管材選擇

1 排水管材的選擇

目前我國市政排水管網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。我國排水管材出現(xiàn)的問題比較多，從源頭上來說，我國排水管材的各類技術標準和規(guī)范都有待提高。管道工程涉及四個環(huán)節(jié)：產品、設計、施工和驗收。如果這四個環(huán)節(jié)不能完全協(xié)調好，最后的工程質量就難以得到保證，所以，產品、設計、施工、驗收四個環(huán)節(jié)的聯(lián)動顯得非常重要。產品方面要與設計有互動，廠家應該要將與設計有關的設計參數和計算方法提供給設計人員，設計人員應該根據管線的工程條件和產品本身的技術參數來進行計算。比如，對排水管來說，最重要的是在設定埋深的情況下，對覆土荷載和交通荷載進行結構安全的核算。如果沒有設定參數，設計人員就沒辦法計算，這就是產品與設計之間的聯(lián)動。還有施工方面，應該要對產品進行抽檢，要看產品是否達到設計要求，然后再按照我國規(guī)定的施工規(guī)范進行施工，或者是按廠家提供的技術手冊進行施工。最后是驗收，就是對產品、設計、施工三個方面進行全面綜合的考量，來驗證工程質量是否達到相關標準。所以這四個環(huán)節(jié)應該都是聯(lián)動的，每個細節(jié)的把握好壞都關系到整個工程的成敗。

每種管材都有自己的優(yōu)劣勢，應當根據工程條件，并結合管材特性來選擇合適的管材，用以保證管線安全、長期、穩(wěn)定的運行：

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 管線埋設深度

Ø 地質復雜程度

Ø 施工方式

Ø 綜合管廊內雨污水管線

Ø 明裝雨污水管線

Ø 土壤腐蝕程度 

在保證管線安全、長期、穩(wěn)定的前提下，再根據全生命周期的管材綜合成本確定最終的管材： 

Ø 在保證管材結構安全的基礎上，盡量選擇經濟性的管材。GB50788 《城鎮(zhèn)給水排水技術規(guī)范》的6.1.2條款的規(guī)定：“城鎮(zhèn)給水排水設施中主要建筑物的主體結構和地下干管道，其結構的設計使用年限不應低于50年；安全等級不應低于二級。”

Ø 從全生命周期的角度考慮管材的經濟性。 

Ø 建立管材的評估體系，將管材成本、施工成本、維修次數與費用等全部納入評估體系。

Ø 將管材分級，根據工程條件確定使用相應的管材。利用管材評估體系，進行如下管材綜合成本的計算：

2 結構安全

管材的選擇，一定要在保證結構安全的基礎之上考慮管材的經濟性，如果不能保證結構安全，其他都無從談起。現(xiàn)在的修復技術，很多都不是結構性的修復，而是工藝類的修復。所以各種管材最重要的基礎就是能夠保證管道的結構安全。

雖然各類管材的結構設計方法不同，但都是根據材料力學性能做出的，所以材料力學性能是管材最基本的參數，也是判斷管材質量合格與否的最直接指標。我國排水管材質量不達標的情況還是比較嚴重，用戶單位應當在施工現(xiàn)場隨機取樣，并送檢到第三方權威機構，不合格的管材應當拒收。

管材的結構設計應當滿足以下兩個原則：

Ø 外荷載的要求：管線的埋深≤管材的最大允許埋深；

Ø 內水壓的要求：雨水或污水最大流量時產生的壓力沖擊波≤管材的最大允許工作壓力。

對于剛性管道（這里主要指鋼筋混凝土管），其鋼筋混凝土結構構建在組合作用下，計算截面的受力狀態(tài)處于軸線受拉或小偏心受拉時，截面設計應按不允許裂縫出現(xiàn)控制。結構設計比較復雜，工藝生產時受控環(huán)節(jié)較多，廠家應提供結構計算說明書，用戶單位適當采取駐廠監(jiān)造的方式，根據計算說明書對材料和工藝進行質量檢查，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，其結構設計主要是強度計算和變形控制，變形控制更為關鍵。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，見下列計算公式:

式中：

Δ: 管子徑向變形 

 K：變形系數 

 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)剛度不應低于10KN/m2，并建議針對環(huán)剛度進行現(xiàn)場抽檢。

3 接口性能

GB50014《室外排水設計標準》中的5.3.4條規(guī)定：當管道穿過粉砂、細砂層并在最高地下水位以下，或在地震設防烈度為 度及以上設防區(qū)時，應采用柔性接口。要保證柔性接口完全密封，還應當具備下列條件：

Ø 承插口應保證足夠的環(huán)剛度，以抵御內外荷載；

Ø 膠圈應得到充分的壓縮，以保證密封；

Ø 接口應能在熱脹冷縮的變化下，保證密封；

Ø 接口應能在承受適當的地基沉降情況下，保證密封。

球墨鑄鐵管的產品標準規(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。生產廠家應提供接口保證性試驗報告作為接口保障措施，該試驗可以在第三方權威機構的試驗場內進行，或者在廠家現(xiàn)場并在第三方權威機構鑒定下進行。保證性試驗方法遵從各類管材的產品標準，但基本條件是應當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題，預應力混凝土管或多或少也存在腐蝕問題，應當做好防腐； 目前，排水用球墨鑄鐵管采用的是鋁酸鹽水泥內襯（俗稱高鋁水泥），經各類試驗以及實際工程檢驗，在防腐蝕、耐磨損、耐酸堿等方面都表現(xiàn)優(yōu)異，是很好的經濟適用型的防腐材料，這種材料值得在混凝土管上推廣。

但并不是說，塑料管材就可以高枕無憂了，因為塑料管材存在老化問題，即蠕變和應力松弛的問題。隨著時間的延長，塑料的性能指標會按照一定的斜率下降。所以，廠家應當提供權威部門鑒定的長期性能試驗報告。

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，鋼筋腐蝕嚴重，面臨報廢的危險，正在尋求更換方案。

據德國的有關資料，德國的排水管網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，平均的病害長度為6.15米/處，平均維修費用為812歐元/米。

自上世紀六十年代球墨鑄鐵管在全世界范圍內推廣使用，七十年代開始成為發(fā)達國家供水管網上的主流管材，至今管網運行穩(wěn)定，預估生命周期超過百年。由于雨污水腐蝕性高于自來水，排水球墨鑄鐵管采用了防腐更優(yōu)的鋁酸鹽水泥內襯，預估生命周期也可以達到百年。

世界上玻璃纖維生產先導者荷蘭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，還與敷設地質條件，水質條件以及運維管理相關，建立和完善自己管網的評估體系，才能更加科學地評估自己管網的經濟性。

6 結束語

排水管材的選擇應當關乎于兩個方面，一是管材技術性，管材本身的性能——荷載作用下的結構穩(wěn)定，地質沉降下的接口密封及長期運行下的防腐或老化性能均應該與排水管線的工程條件相適應；二是管材經濟性，不可以僅關注管材的價格，更應當從管材的生命周期來衡量綜合成本，即全部的建設成本，管理成本以及運行維護成本等全部成本以管材生命周期折算出來的綜合成本。

參考文獻

[1] 上海市住房和城鄉(xiāng)建設委員會. GB50014《室外排水設計標準》[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].