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價管材的經(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(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都有待提高。管道工程涉及四個環(huán)節(jié)：產(chǎn)品、設(shè)計、施工和驗收。如果這四個環(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、施工、驗收四個環(huán)節(jié)的聯(lián)動顯得非常重要。產(chǎn)品方面要與設(shè)計有互動，廠家應(yīng)該要將與設(shè)計有關(guān)的設(shè)計參數(shù)和計算方法提供給設(shè)計人員，設(shè)計人員應(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)計人員就沒辦法計算，這就是產(chǎn)品與設(shè)計之間的聯(lián)動。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。最后是驗收，就是對產(chǎn)品、設(shè)計、施工三個方面進(jìn)行全面綜合的考量，來驗證工程質(zhì)量是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。所以這四個環(huán)節(jié)應(yīng)該都是聯(lián)動的，每個細(xì)節(jié)的把握好壞都關(guān)系到整個工程的成敗。
每種管材都有自己的優(yōu)劣勢，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程條件，并結(jié)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(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)計使用年限不應(yīng)低于50年；安全等級不應(yīng)低于二級。”
Ø 從全生命周期的角度考慮管材的經(jīng)濟(jì)性。
Ø 建立管材的評估體系，將管材成本、施工成本、維修次數(shù)與費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，其他都無從談起�，F(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)計應(yīng)當(dāng)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(nèi)水壓的要求：雨水或污水最大流量時產(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)計應(yīng)按不允許裂縫出現(xiàn)控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，工藝生產(chǎn)時受控環(huán)節(jié)較多，廠家應(yīng)提供結(jié)構(gòu)計算說明書，用戶單位適當(dāng)采取駐廠監(jiān)造的方式，根據(jù)計算說明書對材料和工藝進(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)計主要是強(qiáng)度計算和變形控制，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，并建議針對環(huán)剛度進(jìn)行現(xiàn)場抽檢。
3 接口性能
GB50014《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的5.3.4條規(guī)定：當(dāng)管道穿過粉砂、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，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)牡鼗两登闆r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報告作為接口保障措施，該試驗可以在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的試驗場內(nèi)進(jìn)行，或者在廠家現(xiàn)場并在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定下進(jìn)行。保證性試驗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題，預(yù)應(yīng)力混凝土管或多或少也存在腐蝕問題，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(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，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(yīng)力松弛的問題。隨著時間的延長，塑料的性能指標(biāo)會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(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，面臨報廢的危險，正在尋求更換方案。
據(jù)德國的有關(guān)資料，德國的排水管網(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，平均的病害長度為6.15米/處，平均維修費用為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(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)的評估體系，才能更加科學(xué)地評估自己管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。
6 結(jié)束語
排水管材的選擇應(yīng)當(dāng)關(guān)乎于兩個方面，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)注管材的價格，更應(yīng)當(dāng)從管材的生命周期來衡量綜合成本，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的綜合成本。
參考文獻(xiàn)
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