HDPE雙壁波紋管在市政排水工程中的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

王宏彥，張曉峰

（武漢市規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢 430014）

1 概述

1996年首次全國城市市政公用設(shè)施普查,運(yùn)行的城市排污管網(wǎng)總長度 119 738.65 km,其中有70%以上的是 20世紀(jì)80年代以前鋪設(shè)的。其主要材質(zhì)是混凝土管、鑄鐵管、陶土管以及用磚石砌成的暗渠,目前大多已年久失修,管道腐爛，接頭滲漏極為嚴(yán)重,管道破損、塌陷、堵塞時(shí)有發(fā)生。過去在埋地排水領(lǐng)域多采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管，由于鋼筋混凝土管為剛性管，基礎(chǔ)也是剛性的，當(dāng)?shù)鼗^差或處理不當(dāng)時(shí)，極易造成管道和接頭的損壞，出現(xiàn)枯水期管道內(nèi)的水往外滲、豐水期地下水及雨水往管道里滲的現(xiàn)象，對周邊環(huán)境造成影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國 90%以上的城市水環(huán)境惡化,95%以上的城市地下水不符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),排污管道的滲漏是最大的污染源之一。

隨著新材料的開發(fā)與推廣應(yīng)用,越來越多的城市排水系統(tǒng)應(yīng)用了 HDPE 管等新型材料,這些材料的粗糙系數(shù)一般遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管,不僅減小了水頭損失、增加了排水能力,同時(shí)也增加了管道的輸送能力。另外,這類管子具有重量輕、耐腐蝕、耐低溫和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn),可以縮短施工周期、降低工程造價(jià)和提高管道系統(tǒng)的安全性。

2004年建設(shè)部發(fā)表公告明確要求在市政工程公用管網(wǎng)中給水和排水領(lǐng)域推廣使用塑料管材,上海市有關(guān)部門率先于 1998年作出了“推廣市政埋地排水塑料管,淘汰水泥排水管”的規(guī)定,廣州市2003年6月1日起在全市污水管網(wǎng)工程中推廣使用塑料管材?，F(xiàn)在,HDPE 雙壁波紋管等塑料管材被廣泛應(yīng)用于市政排水工程中。

本文分析 HDPE 雙壁波紋管等塑料管材在市政排水中的應(yīng)用效果，對其過流能力和經(jīng)濟(jì)性作出評價(jià),供同行參考。

2 HDPE 管的特點(diǎn)

2.1 HDPE 雙壁波紋管的優(yōu)勢

高密度聚乙烯(HDPE)雙壁波紋管是以 HDPE為主要原料加入必要的添加劑,經(jīng)擠出成型方式加工而成的具有波紋結(jié)構(gòu)的管材。其管壁截面為雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)壁表面光滑,外壁為等距排列的環(huán)形中空波紋結(jié)構(gòu)的管材。以下為 HDPE 管具的特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。

（1）環(huán)形波紋結(jié)構(gòu),具有剛?cè)峒鎮(zhèn)涞膬?yōu)良力學(xué)性能,環(huán)剛度大,柔韌性好,抗壓、耐沖擊。

（2）管道內(nèi)壁平滑,流體摩阻小,輸流量大。輸送液體時(shí)摩擦阻力明顯小于混凝土管，在同等使用條件下輸水量可比同內(nèi)徑的混凝土管提高40%，因此可用小口徑 HDPE 纏繞管替代大口徑水泥管。

（3）中空肋骨結(jié)構(gòu),重量輕,運(yùn)輸、施工便捷,降低施工費(fèi)。直徑 l 000 mm、環(huán)剛度 8 kN/mz 的HDPE 管才約 90 kg/m，是混凝土管的 1/8，便于搬運(yùn)和施工，不需要搬運(yùn)吊裝設(shè)備。

（4）連接方便,接頭密封性好,長期運(yùn)行質(zhì)量可靠,無泄漏。安全可靠，采用電熱熔帶或熱收縮帶連接技術(shù)，施工快捷，連接質(zhì)量高，接頭強(qiáng)度大，可確保管內(nèi)污水不外漏，減少施工時(shí)間和費(fèi)用。

（5）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,耐腐蝕,無毒無污染,屬環(huán)保管材。耐化學(xué)藥品性、耐老化能力強(qiáng)，管材以惰性HDPE 制成，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸、堿、鹽能力強(qiáng)，耐污水、廢水、化學(xué)藥品及土壤中腐爛物質(zhì)的腐蝕，無銹蝕，在輸送腐蝕流體或者在腐蝕性土壤中敷設(shè)時(shí)無須防腐處理。

（6）耐低溫,耐磨性好,埋地使用壽命可長，在不受陽光紫外線直射的條件下，使用年限可達(dá) 50 a以上。

（7）具有較好的柔韌性，抗沉降性能好。HDPE為高聚物屬于黏塑性材料，其柔韌性能較好地順應(yīng)地基的不均勻沉降，從而提高管道的抗震能力，不會像剛性混凝土管那樣產(chǎn)生脫節(jié)斷裂現(xiàn)象。適當(dāng)?shù)膿锨?可不用管件直接將管材鋪設(shè)于略彎的溝槽內(nèi)。

（8）施工幾乎不受季節(jié)、氣溫的影響，在-20℃～40℃溫度范圍內(nèi)可正常操作。

（9）可回收利用。HDPE 為無毒性材料對土地?zé)o害，不結(jié)垢，不繁殖微生物，并可再生使用，生產(chǎn)過程中的冷卻水可循環(huán)使用，無污染物產(chǎn)生，是環(huán)保型綠色產(chǎn)品。

基于上述特點(diǎn)，在同等條件下使用 HDPE 管的工程綜合造價(jià)較其它管材要低，特別是在非開挖牽引管工程中其造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它管材，而且其工程質(zhì)量及可靠性較之鋼筋混凝土管都可以得到保證。HDPE 管的使用范圍十分廣泛，由于HDPE 管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，又使之特別適合地下水位較高、軟弱地基、易發(fā)生不均勻沉降等地質(zhì)條件及需要趕搶工期的工程的施工。

2.2 HDPE 管施工的技術(shù)要求

2.2.1 HDPE 管的連接

HDPE 管的連接方式一般為熱收縮套連接、電熱熔帶連接。

（1）熱收縮套連接將兩根管材對直成直線，清除管材表面雜物、水分后，用一塊熱收縮帶纏緊管材接頭處，用火焰噴槍稍微烘烤一下使熱收縮帶與管材粘合在一起，再用另一塊熱收縮帶包在第一塊熱收縮帶上，并用夾片固定好熱收縮帶，最后再用火焰噴槍從熱收縮帶中心部分上下均勻加熱，再左右向外進(jìn)行加熱，使熱收縮帶完全收縮包裹在管材上。

（2）電熱熔帶連接將兩根管材對直成直線，清除管材表面雜物、水分后，用一塊電熱熔帶包緊管材接頭處并用扣帶扣緊，接上電熱熔機(jī)開機(jī)，設(shè)定加熱時(shí)間及電流強(qiáng)度，在熱熔過程完成后，再次扣緊扣帶，待冷卻一定時(shí)間(一般冷卻時(shí)間為冬季 l 0 min,夏季 20 min)后才可松開扣帶。不同口徑管材的通電電流、加熱時(shí)間見表1。

表1 不同口徑管材的通電電流、加熱時(shí)間

2.2.2 HDPE 管與檢查井的連接

HDPE 管從管溝伸入井內(nèi)，管道受到從硬到軟及從軟到硬兩種不同的支撐，因而需要采取措施防止井、管之間的滲漏，使管道得到均勻的支撐，防止剪切或集中荷載的發(fā)生。管道與井壁間連接的方法有下列兩種。

（1）檢查井采用磚砌、混凝土澆筑而成，可在管材與井壁銜接部位的外表，用聚氯乙烯粘結(jié)劑均勻地涂抹一遍，而后在上面撒一層精砂，再用水泥砂漿砌入檢查井井壁內(nèi)。

（2）管道處于軟土地基或低洼、沼澤、地下水位高的地段，可以用一節(jié) 0.5～0.8 m 長的 HDPE 纏繞管材套上止水圈，先與檢查井用砂漿連接砌筑，再與整根 HDPE 纏繞管連接。成槽快，回填快，也可以事先回填部分好土壓住 HDPE 纏繞管，防止HDPE 纏繞管漂移，如時(shí)間不允許，也可以用沙包壓住。

2.2.3 安裝 HDPE 管時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）開挖溝槽，應(yīng)嚴(yán)格控制基底高程，如基礎(chǔ)承載力較好，可利用原狀土通過適當(dāng)?shù)奶幚碇苯幼鳛楣艿阑A(chǔ)，但發(fā)生超挖或擾動則必須用砂或好土回填夯實(shí)后再行敷設(shè) HDPE 纏繞管。

（2）下溝槽安裝 HDPE 管時(shí)，要保證溝槽排水暢通，嚴(yán)禁泡槽，防止電熱熔時(shí)發(fā)生觸電事故。

（3）雨季施工時(shí)，應(yīng)盡可能縮短開槽長度，盡量做到早成槽、早回填。

（4）吊裝 HDPE 管時(shí)采用非金屬繩索兩點(diǎn)搬運(yùn)，嚴(yán)禁串心吊裝。

（5）在 HDPE 管接口處可以超挖一定深度或預(yù)留空位，以方便 HDPE 管熔接，在連接完成后，應(yīng)對此處重點(diǎn)夯實(shí)，這是管道中薄弱的地方。

（6）連接 HDPE 管時(shí)，按照操作規(guī)程調(diào)控好加熱時(shí)間及電流強(qiáng)度進(jìn)行連接，否則會導(dǎo)致管道接口處密封性差。

（7）回填過程中，應(yīng)清除回填材料中的雜物，特別是大顆粒的硬物，防止砸壞 HDPE 纏繞管。

（8）HDPE 管應(yīng)直線敷設(shè)，需利用柔性接口折線敷設(shè)時(shí)，一般情況下 HDPE 纏繞管每個(gè)承接口處的相對轉(zhuǎn)角不得大于 2°。

（9）管區(qū)位置的密實(shí)度要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，做到分層壓實(shí)，且沿著 HDPE 纏繞管中線進(jìn)行對稱夯實(shí)，才能降低管道的變形量。

3 HDPE 雙壁波紋管與鋼筋混凝土管的比較

3.1 技術(shù)性能比較

3.1.1 強(qiáng)度和剛度

受外壓負(fù)荷時(shí),柔性管在受壓破壞之前有較大的變形,而剛性管則不明顯。鋼筋混凝土管屬于剛性管,通常被視為一個(gè)獨(dú)立的承力結(jié)構(gòu),強(qiáng)度上須承受全部的內(nèi)、外力;同樣外壓負(fù)荷下,HDPE 雙壁波紋管柔性管管壁內(nèi)的應(yīng)力較小,它和周圍的回填土共同承受負(fù)載,即管道與回填土之間由于力的相互傳遞,以及變形的互相協(xié)調(diào),使二者結(jié)合成一個(gè)高度有機(jī)的整體結(jié)構(gòu),但必須保證回填土的密實(shí)度大于 85%。因此,埋地 HDPE 雙壁波紋管不需要和鋼筋混凝土管一樣的強(qiáng)度和剛度,在合理的剛度下,完全可以達(dá)到使用要求。此外由于 HDPE 雙壁波紋管具有柔韌性,當(dāng)發(fā)生地震等突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害時(shí),也能將管道的破壞損失降為最小,提高了市政排水管道抗震、減災(zāi)的能力。

3.1.2 過流能力

HDPE 管和傳統(tǒng)鋼筋混凝土圓管的過流能力采用有關(guān)的水力計(jì)算公式,包括滿管流和非滿管流兩種情況。

（1）參數(shù)選擇

由于高密度聚乙烯雙壁波紋管內(nèi)壁平滑,流體摩擦阻力小,管壁的粗糙系數(shù)一般為 n=0.009;考慮到接頭及管件連接處的水力損失,系統(tǒng)水力損失計(jì)算采用粗糙系數(shù) n=0.010。鋼筋混凝土圓管滿流時(shí)的粗糙系數(shù)取 n=0.013,非滿流時(shí)粗糙系數(shù)取n=0.014。HDPE 管的比較公稱內(nèi)徑范圍在 300～1 000 mm 之間,依次為 Φ300、Φ400、Φ500、Φ600、Φ800 和 Φ1 000。

（2）計(jì)算公式

滿流和非滿流情況下的水力計(jì)算公式見《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》。

（3）水力計(jì)算

計(jì)算采用相應(yīng)管徑常用流速,Φ300、Φ400 管內(nèi)流速以 0.7 m/s 為參照,Φ500、Φ600 以 0.8 m/s為參照,Φ800 以 1.0 m/s 為參照,Φ1 000 以上以1.2 m/s 為參照,計(jì)算鋼筋混凝土圓管的水力坡度和過流量。對應(yīng)管徑的 HDPE 管取與鋼筋混凝土管相同的水力坡度,計(jì)算其流速和過流量。鋼筋混凝土圓管和 HDPE 管相應(yīng)管徑的流量對比見表2、表3。

表2 滿流時(shí)不同管材的過流能力對照表

表3 非滿流時(shí)不同管材的過流能力對照表

可以看出,滿管流和非滿管流時(shí) HDPE 管的過流能力均比傳統(tǒng)鋼筋混凝土圓管大 40%左右。

3.1.3 管道的鋪設(shè)安裝

（1）HDPE 雙壁波紋管施工流程:開挖溝槽→砂墊層 (根據(jù)地質(zhì)情況而定)→下管→接口→磚砌檢查井→閉水→回填土。

（2）鋼筋混凝土管施工流程:開挖溝槽→碎石砂墊層→支基礎(chǔ)模板→搗基礎(chǔ)→養(yǎng)護(hù)→下管→穩(wěn)管→接口→養(yǎng)護(hù)→磚砌檢查井→閉水→回填土。

從上面施工流程中可看出鋼筋混凝土管比HDPE 雙壁波紋管多幾道工序,而且鋼筋混凝土管還要等到其混凝土基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 70%后才能進(jìn)行下道工序,這樣必然延長了施工周期,從而延緩了施工進(jìn)度。

3.1.4 接口的密封性

HDPE 雙壁波紋管部分采用橡膠密封圈承插或熱熔焊接方式連接,接頭的強(qiáng)度高于管道本體的強(qiáng)度,可確保污水不外漏,并可適應(yīng)地基不均勻沉降。鋼筋混凝土管的接口形式為剛性連接,管道稍有位移(如土壤不均勻沉降),連接處就可能被破壞,形成滲漏。同時(shí) HDPE 雙壁波紋管每根管長可達(dá)10 m 以上,接口少,發(fā)生滲漏的機(jī)率也少。

3.1.5 使用壽命和耐腐蝕性

市政排水管道輸送的是雨水和污水,雨水在流經(jīng)路面時(shí)常常成酸性或堿性,生產(chǎn)污水往往是具有強(qiáng)腐蝕性的工業(yè)排水,這樣就要求排水管材必須有一定的耐腐蝕性。HDPE 雙壁波紋管是以惰性高密度聚乙烯制成,除少數(shù)強(qiáng)氧化劑外,可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕,土壤中存在的化學(xué)物質(zhì)不會對管道造成任何降解作用;聚乙烯是電的絕緣體,因此不會發(fā)生腐爛、生銹或電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象;此外,它也不會促進(jìn)藻類細(xì)菌或真菌生長;同時(shí),它還具有很好的耐磨性,它與鋼管的耐磨性對比試驗(yàn)表明,HEPE 管道的耐磨性為鋼管的 4 倍。鋼筋混凝土管屬堿性材料,必然會受到污水中酸性物質(zhì)的腐蝕,從而影響其使用壽命。再者，HDPE 雙壁波紋管有良好的低溫抗沖性,因此聚乙烯的低溫脆化溫度極低,方便冬季施工,可在-60℃～+60℃范圍內(nèi)安全使用。國外的一些實(shí)踐證明,埋地 HDPE 雙壁波紋管的壽命,可長達(dá) 50 a。

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

管道鋪設(shè)單價(jià)比較,采用湖北省市政工程預(yù)算定額及當(dāng)前武漢市材料價(jià)格信息,另外,引入另一類塑料管 UPVC 管和玻璃鋼夾砂管作為參照,橫向比較其管道鋪設(shè)單價(jià)。

3.2.1 Φ300 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

圖1所示,當(dāng)管徑為Φ300 時(shí),若埋深小于 2.5 m,HDPE 管和 UPVC 管的鋪設(shè)單價(jià)都稍高于傳統(tǒng)鋼筋混凝土管，而當(dāng)埋深大于 2.5 m 時(shí),鋪設(shè)單價(jià) 混凝土管>UPVC 管>HDPE 管。

3.2.2 Φ600 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

圖2所示,對Φ600 的管道來說,在任一埋深下HDPE 管的鋪設(shè)單價(jià)都要比其它兩種管材低。埋深小于 3 m 時(shí),玻璃鋼夾砂管>混凝土管>HDPE 管,其中后兩者的差別較小,僅 3%左右;埋深不小于 3 m時(shí),混凝土管>玻璃鋼夾砂管>HDPE 管,混凝土管比 HDPE 管的鋪設(shè)單價(jià)高 10%左右。玻璃鋼夾砂管比 HDPE 管鋪設(shè)單價(jià)高 6%～10%,且隨著埋深增加差別變小。

3.2.3 Φ800 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

圖1 Φ300 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

圖2 Φ600 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

圖3 Φ800 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

如圖3所示，對Φ800 的管道來說,埋深小于3 m 時(shí),玻璃鋼夾砂管>HDPE 管>混凝土管,玻璃鋼夾砂管單價(jià)比 HDPE 管高 12%左右,而混凝土管反而比 HDPE 管低 4%～5%;埋深不小于 3 m 時(shí),玻璃鋼夾砂管>混凝土管>HDPE 管,混凝土管比HDPE 管單價(jià)高 5%～7%,而玻璃鋼夾砂管要比HDPE 管高 8%～10%。

3.2.4 Φ1 000 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

如圖4所示，Φ1 000 管道鋪設(shè)單價(jià)與前面幾種管徑有較大不同。任一埋深下鋪設(shè)單價(jià):玻璃鋼夾砂管>HDPE 管>混凝土管。前兩者的差價(jià)在8%～12%之間,后兩者的差價(jià)在 9%～22%之間,且隨著埋深的增加差價(jià)減小。

4 結(jié)語

通過對 HDPE 管和傳統(tǒng)鋼筋混凝土圓管的比較可以得出以下結(jié)論。

圖4 Φ1 000 管道鋪設(shè)單價(jià)比較

（1）在相同管徑下,HDPE 管的過流能力比傳統(tǒng)鋼筋混凝土圓管的過流能力高 40%左右。

（2）在滿流情況下,Φ500 的 HDPE 管過流能力達(dá)到Φ600 的傳統(tǒng)鋼筋混凝土圓管的 98%以上。

（3）在非滿流情況下,Φ500 HDPE 管的過流能力達(dá)到Φ600 鋼筋混凝土管過流能力的 95%～99%。適當(dāng)調(diào)整水力坡降,相應(yīng) HDPE 管就可以替代大一規(guī)格的鋼筋混凝土圓管。

（4）管徑不大于 800 時(shí),若埋深小于 2.5 m,大多數(shù)情況下(Φ600 例外)混凝土管的鋪設(shè)單價(jià)要比HDPE 管低;若埋深大于 2.5 m,則混凝土管的鋪設(shè)單價(jià)增長加快,比 HDPE 管要高出 5%～22%。管徑大于 800 時(shí),任一埋深 HDPE 管的鋪設(shè)單價(jià)都比混凝土管高得多,此時(shí)需綜合考慮其它因素,決定是否用 HDPE 管代替?zhèn)鹘y(tǒng)管材。

《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)城市供水節(jié)水和水污染防治工作的通知》指出:2010年所有城市的污水處理率應(yīng)不低于 60%(目前要達(dá)到 50%),直轄市、省會城市、計(jì)劃單列市以及重點(diǎn)風(fēng)景旅游城市的污水處理率不低于 70%。《國家化學(xué)建材產(chǎn)業(yè)“十五”計(jì)劃和 2010年發(fā)展規(guī)劃綱要》指出:2010年我國埋地排水管道中,塑料管的使用量要達(dá)到 30%，“十五”期間國家將投資 1 200 億元左右用于城市排水，建設(shè)我國城市排水管網(wǎng),平均每年新增管道長度約 1 萬 km,每年新增塑排水管道 3 000 km 以上。另一方面,舊有市政排水管道需要更新改造。由此可見,HDPE 雙壁波紋管以其質(zhì)量輕、施工快速、輸水能力強(qiáng)、抗震性好、綜合造價(jià)低、無滲漏、使用壽命長等特點(diǎn),將在市政排水工程中廣泛使用。