曹妃甸工業(yè)區(qū)排水管道選材初探

金 朝

(唐山市古冶區(qū)城市防汛排水辦公室，河北 唐山 063100)

曹妃甸工業(yè)區(qū)排水管道選材初探

金 朝

(唐山市古冶區(qū)城市防汛排水辦公室，河北 唐山 063100)

結(jié)合曹妃甸工業(yè)區(qū)市政排水管道的實(shí)際案例，對(duì)鋼筋混凝土管、鋼筋混凝土方溝、鋼塑復(fù)合排水管三種常用的排水管材進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，并從水力條件、管道荷載能力、施工難易程度等方面研究了適合于該工程的管材，以供參考。

排水管材，鋼筋混凝土管，荷載能力

1 概述

地處唐山南部，位于京唐港與天津港之間的“渤海明珠”——曹妃甸，以其得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件、極具開(kāi)發(fā)價(jià)值的潛力，成為了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的領(lǐng)頭羊、探路者，被譽(yù)為“河北省一號(hào)工程”。

曹妃甸，一座新城，基礎(chǔ)設(shè)施從無(wú)到有的過(guò)程為其今后的騰飛奠定了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有深遠(yuǎn)意義。如今很多外表光鮮的現(xiàn)代化城市，大多金玉其外敗絮其中，因而城市的地下設(shè)施——排水管道的設(shè)計(jì)、建設(shè)，猶如樹(shù)木之根基，唯有強(qiáng)大有力的根，才有參天的木葉。

合理的選用排水管材，對(duì)于提高市政排水工程質(zhì)量、降低工程總體造價(jià)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等有重要意義。

2 曹妃甸工業(yè)區(qū)常用排水管材

在曹妃甸工業(yè)區(qū)的市政排水管道實(shí)際工程中，根據(jù)管道的材料的不同，常用的排水管道主要有：鋼筋混凝土管、鋼筋混凝土方溝和HDPE鋼塑復(fù)合排水管等。

2.1 鋼筋混凝土管

鋼筋混凝土管，常用作重力流排水管道以及倒虹吸管或泵站的壓力管。其主要優(yōu)點(diǎn)：便于就地取材，制造方便；可以根據(jù)不同的使用壓力需求，制作成預(yù)應(yīng)力管、無(wú)壓管及低壓管。其主要缺點(diǎn)：水力性能差，抗酸及抗堿的侵蝕以及抗?jié)B性能較差，管節(jié)短而接頭多，且大管徑的鋼筋混凝土管道其自身重量大，不便于運(yùn)輸，施工難度較大。鋼筋混凝土管道不宜敷設(shè)在如下地區(qū)：地震強(qiáng)度大于8度的地區(qū)，淤泥及淤泥土質(zhì)、飽和松砂、沖填土和雜填土等土質(zhì)的地區(qū)。

2.2 鋼筋混凝土方溝

預(yù)制的排水管道，其管徑一般小于2 000，而在實(shí)際工程中，如在大區(qū)域排水系統(tǒng)的終端，管徑2 000的排水管道有時(shí)不能滿足排水量的要求，通常這種情況下，在現(xiàn)場(chǎng)砌筑排水方溝。排水方溝常用的材料主要為鋼筋混凝土塊和鋼筋混凝土等。在曹妃甸工業(yè)區(qū)實(shí)際工程中，以鋼筋混凝土現(xiàn)澆方溝最為常用。

鋼筋混凝土方溝的優(yōu)點(diǎn)是：相同通過(guò)流量下，管道斷面高度相對(duì)圓形管道較低，在區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，能降低管頂覆土，減少整個(gè)區(qū)域的排水系統(tǒng)的埋深；方溝經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，有更為靈活的承載能力；在排水系統(tǒng)終端，水量較大時(shí)，圓形管道難以滿足過(guò)流能力，而方溝能夠設(shè)計(jì)出滿足大流量情況的斷面結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是：水力性能較差，抗侵蝕(酸、堿的侵蝕)性能及抗?jié)B性能較差；斷面高度相對(duì)降低的同時(shí)導(dǎo)致斷面寬度更寬，在具體施工圖設(shè)計(jì)中，可能影響其他市政設(shè)施的布置；每延米的工程造價(jià)相對(duì)同樣流量的圓形管道造價(jià)要高；需在施工現(xiàn)場(chǎng)支模板進(jìn)行澆筑，而且在曹妃甸工業(yè)區(qū)，由于地下水為海水環(huán)境，方溝內(nèi)外均需做防腐處理，鋼筋需涂阻銹劑，因而施工工藝更為復(fù)雜。

2.3 HDPE鋼塑復(fù)合排水管

在曹妃甸工業(yè)區(qū)的市政排水管道工程中，常用的塑料埋地排水管為HDPE鋼塑復(fù)合排水管(本文以下簡(jiǎn)稱鋼塑復(fù)合排水管)。

鋼塑復(fù)合排水管，用鋼帶作為管道的骨架，內(nèi)外壁均為HDPE材料，因而得名。其優(yōu)點(diǎn)如下：具有較好的韌性(在低溫環(huán)境中的抗沖擊性能較好，對(duì)于施工環(huán)境和外界氣溫的要求不高)；水力性能好；較強(qiáng)的抗腐蝕性；密封性能及環(huán)保性能好；生產(chǎn)場(chǎng)地的選定較為靈活且重量較輕，運(yùn)輸成本低且方便安裝；耐磨性強(qiáng)；安全無(wú)毒性，綠色環(huán)保；工程總體造價(jià)低。在強(qiáng)度和剛度上，由于鋼塑復(fù)合排水管是與管道周圍土壤共同承受負(fù)載的(見(jiàn)式(1))，因而在合理的設(shè)計(jì)及施工后，其管道荷載能力能夠滿足工程實(shí)際需求。

3 工程實(shí)例

曹妃甸工業(yè)區(qū)裝備二道雨水管道工程管材比較方案。

裝備制造區(qū)位于曹妃甸工業(yè)區(qū)東側(cè)，緊鄰曹妃甸工業(yè)起步區(qū)的北區(qū)，占地面積為36.37 km2，將建成重要的臨港加工制造基地。

裝備二道工程，在道路兩側(cè)距路中11 m處布置雨水管道，雨水分別自起點(diǎn)、終點(diǎn)流向K1+618.393處雨水排水口，全線雨水管道最終排至B4河。沿線主管道規(guī)格為d800～d2 200，管線設(shè)計(jì)里程2.226 km。

根據(jù)區(qū)域雨水規(guī)劃，A段落K0+150～K0+500段雨水管道，管道直徑1 200，坡度i=0.000 8；B段落K1+000～K1+600段雨水管道，2.4 m×1.4 m方溝，坡度i=0.000 4。初步設(shè)計(jì)中，對(duì)裝備二道A，B兩段落管道形式進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比所選管材為曹妃甸工業(yè)區(qū)工程實(shí)際中常用的管材：鋼塑復(fù)合排水管、鋼筋混凝土管及鋼筋混凝土方溝。

市政排水管道工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要根據(jù)排水的水質(zhì)、所需管道斷面尺寸、管道水力條件、回填土土質(zhì)、地下水水位(地下水侵蝕)、管內(nèi)外所受壓力以及施工現(xiàn)場(chǎng)條件、施工方法、工程造價(jià)等因素綜合考慮，選用合適的排水管材。對(duì)比內(nèi)容如下。

3.1 水力條件及管道荷載能力

A段落水力條件及管道荷載能力對(duì)比見(jiàn)表1，B段落水力條件及管道荷載能力對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 管道水力條件及荷載對(duì)比(一)

表2 管道水力條件及荷載對(duì)比(二)

表1，表2中管道水力條件參數(shù)均查自《給排水手冊(cè)第一冊(cè)常用資料》；鋼筋混凝土管的荷載能力查自規(guī)范GB/T 11836-2009混凝土和鋼筋混凝土排水管；鋼筋混凝土方溝荷載能力為結(jié)構(gòu)專業(yè)計(jì)算值；鋼塑復(fù)合排水管荷載能力的計(jì)算見(jiàn)下：

不同環(huán)剛度鋼塑復(fù)合排水管荷載極限值的確定：

根據(jù)《埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程》，鋼塑復(fù)合排水管在外力作用下，管道的豎向直徑變形量的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Wd,max——管道在荷載準(zhǔn)永久組合作用下的最大豎向變形量，m；

D1——變形滯后效應(yīng)系數(shù)，可根據(jù)管道胸腔回填密實(shí)度取1.2～1.5；

Kd——管道變形系數(shù)，根據(jù)管道敷設(shè)基礎(chǔ)中心角2α按表3選用；

Fsv,k——每延米管道上管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；

ψq——可變荷載準(zhǔn)永久系數(shù)，取0.5；

qvk——地面車輛荷載傳至管頂單位面積上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；

D——管道外徑，m；

Sp——管材環(huán)剛度,kN/m2；

Ed——管側(cè)土的綜合變形模量，kN/m2。

由試驗(yàn)確定，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，可按《埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程》附錄D采用。

規(guī)程要求，鋼塑復(fù)合排水管在外力的作用下，其豎向直徑變形率應(yīng)小于管道直徑允許變形率5%。

由表1及表2不難看出，在相同管徑、坡度下，鋼塑復(fù)合管具有更為良好的水力條件；在相近過(guò)水?dāng)嗝婷娣e下，圓形管道有更好的水力條件；鋼塑復(fù)合管具有合適的荷載能力(按要求進(jìn)行溝槽回填后)；鋼筋混凝土管(方溝)水力條件差，但具有較好(靈活)的荷載能力。

3.2 管道溝槽回填斷面對(duì)比

管道溝槽回填斷面見(jiàn)圖1，圖2。

表3 管道溝槽回填斷面對(duì)比

管材管道規(guī)格回填斷面面積/m2每延米換填土方量/m3砂礫墊層砂礫墊層砂礫墊層鋼筋混凝土方溝2.4m×1.4m42.54.16—16.72鋼筋混凝土管d200042.001.953.8915.91鋼塑復(fù)合排水管d200038.871.823.4313.67

依照?qǐng)D1及圖2，得出表3中數(shù)據(jù)。由表3不難看出，在管頂覆土一定且管道尺寸面積相近的情況下，方溝的開(kāi)挖及回填量都是最大的。圓形管道中，由于鋼塑復(fù)合排水管相比鋼筋混凝土管道有較小的壁厚，因而在相同管徑情況下，塑料管道的開(kāi)挖、回填量較少。

3.3 施工難易對(duì)比

市政排水管道工程的施工過(guò)程大致為：溝槽開(kāi)挖→墊層施工→管道施工→回填施工。

1)相較鋼塑復(fù)合排水管，鋼筋混凝土管下管時(shí)，由于質(zhì)量較大，需使用大型吊裝設(shè)備，因而增加了施工難度及成本。

2)鋼塑復(fù)合排水管在管道施工過(guò)程中，需要更多的注意管道的保護(hù)，防止管道變形；管道安裝就位后，必須在其內(nèi)部增加豎向支撐，或采取預(yù)變形等預(yù)控措施，以保證管道工況正常；回填施工時(shí)，對(duì)回填質(zhì)量的控制要求更高(前已述及，回填密實(shí)度是塑料管道荷載能力的關(guān)鍵，因此在回填過(guò)程中，需對(duì)管道豎向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管道豎向變形率控制在5%以下)；在進(jìn)行管道敷設(shè)及覆土回填之前，必須排除地下水對(duì)工程的影響，且確保管道基礎(chǔ)強(qiáng)度及管道抗浮均達(dá)到要求；在管道溝槽經(jīng)過(guò)降排水后，需在槽底敷設(shè)防水土工布，防止地下水進(jìn)入。

3)矩形埋地鋼筋混凝土方溝在管道施工這一項(xiàng)中，由于方溝底板和溝壁采用現(xiàn)澆施工，蓋板為預(yù)制，施工工藝較為復(fù)雜。

圓形管道的敷設(shè)為直接下管，其施工難度較現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方溝更為簡(jiǎn)單；圓形管道中鋼塑復(fù)合排水管的施工工藝要求較多、較嚴(yán)，但其質(zhì)量較輕，方便安裝，使其施工難度較小；鋼筋混凝土管道施工工藝要求較鋼塑復(fù)合排水管少很多，但其質(zhì)量較大，給施工帶來(lái)較大難度。因此，施工難度：鋼塑復(fù)合排水管≤鋼筋混凝土管<鋼筋混凝土方溝。

3.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

不同管材技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 不同管材技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

鋼塑復(fù)合排水管由于質(zhì)量輕，使其安裝、運(yùn)輸費(fèi)用都相對(duì)較低，因而在綜合造價(jià)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。廠家資料中稱鋼塑復(fù)合排水管使用壽命能在50年以上，但目前并沒(méi)有運(yùn)行50年的鋼塑復(fù)合排水管的工程實(shí)例。

3.5 分析及總結(jié)

綜合上述各項(xiàng)對(duì)比，鋼塑復(fù)合排水管優(yōu)勢(shì)明顯。而結(jié)合目前曹妃甸工程實(shí)際來(lái)看，由于施工質(zhì)量良莠不齊，鋼塑復(fù)合排水管的溝槽回填密實(shí)度難以保證，其使用質(zhì)量(尤其采用大管徑時(shí))有待時(shí)間檢驗(yàn)。

大管徑管道中，鋼筋混凝土方溝結(jié)構(gòu)安全可靠，但水力條件較差，且造價(jià)、施工難度都較高，在本工程中無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)；而鋼筋混凝土管道在具有良好荷載能力的同時(shí)，管材價(jià)格低廉，優(yōu)勢(shì)較為明顯。

因此，出于安全考慮，綜合管道材料購(gòu)買時(shí)較統(tǒng)一的管材更方便采購(gòu)，本工程市政排水管道管徑不大于1 500時(shí)，采用鋼塑復(fù)合排水管，埋深不大于4 m時(shí)，要求管材環(huán)剛度不小于10 kN/m2，埋深不小于4 m時(shí)，要求管材環(huán)剛度不得小于12.5 kN/m2；排水管道管徑大于1 500時(shí)，采用Ⅱ級(jí)鋼筋混凝土管。

4 結(jié)語(yǔ)

在曹妃甸工業(yè)區(qū)裝備二道排水工程中，通過(guò)上述分析，最終確定了管材的選用。在排水管道工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)地情況，結(jié)合管材自身優(yōu)勢(shì)，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及其他方面的因素來(lái)確定管材。希望本文的分析可為曹妃甸工業(yè)區(qū)類似工程提供參考。

[1] 孫慧修.排水工程(上冊(cè))[M].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999:131-136.

[2] 吳曉春.市政排水管道新型管材應(yīng)用比較研究[D].南京：河海大學(xué)，2005:32-40.

Preliminary discussion on choosing drainage pipe materials in Caofeidian industry zone

JIN Zhao

(UrbanFloodControlandDrainageOfficeofGuyeDistrictofTangshanCity,Tangshan063100，China)

Combining with the factual cases of the municipal drainage pipelines at Caofeidian district, the paper has the analysis of advantages and disadvantages on the three common drainage pipeline materials, including the reinforced concrete pipe, reinforced concrete box drain, and steel-plastic drainage pipeline, and researches the pipeline materials for the projects from the hydropower condition, pipeline loading capacity, and construction difficulties, so as to provide some reference.

drainage pipe material, reinforced concrete pipe, loading capacity

1009-6825(2014)35-0153-04

2014-10-10

金 朝(1987- )，男，助理工程師

TU992.23

A