塑料管在市政排水工程中的可行性應(yīng)用研究

郭鵬

(太原市市政工程設(shè)計研究院，山西太原030002)

0 引言

水是人類維系生命的基本物質(zhì)。然而，近年來隨著人口的膨脹、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，水資源及水環(huán)境污染日益加劇。根據(jù)自然界中的水處于不斷的循環(huán)運動之中的原理可知，人類產(chǎn)生的生活污水和工業(yè)廢水最終是要排入自然水體的，其二者是形成水污染的主要根源。因此，為了降低人類生產(chǎn)、生活廢水對自然水體的污染及影響，在排入自然水體前，對廢水進(jìn)行無害化處理的研究意義重大?，F(xiàn)階段，市政排水工程中的排水管網(wǎng)系統(tǒng)對廢水的處理是排除人類生產(chǎn)、生活中各種廢水的主要手段。排水管網(wǎng)系統(tǒng)一般由廢水收集系統(tǒng)、排水管網(wǎng)等組成，其中管網(wǎng)投資占總投資的比例較大，而且管網(wǎng)管材質(zhì)量的好壞是影響廢水收集、處理與排放的主要因素。同時，據(jù)研究和報道顯示，根據(jù)不同管材使用的特定條件，開發(fā)和使用無滲漏、使用壽命長的排水管已被廣泛關(guān)注。為此，本文主要選取具有阻力小、耐腐蝕和施工安裝方便等優(yōu)點的塑料管在市政排水工程中的可行性應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 塑料管及其特點與應(yīng)用

塑料管是以合成樹脂(聚酯)為原料，以“塑”的方法在制管機(jī)內(nèi)經(jīng)擠壓加工而成。塑料管具有重量輕、阻力小、耐腐蝕和施工安裝方便等優(yōu)點。塑料管一般分為熱塑性塑料管和熱固性塑料管兩大類。目前，在管道排水工程中得到了廣泛應(yīng)用的常用塑料管管材屬于熱塑性塑料管，主要有普通聚氯乙烯管、聚乙(丙)烯管、雙壁波紋管等。

市政排水工程中的管網(wǎng)系統(tǒng)一般埋于地下，以達(dá)到不影響交通和減緩老化速度的雙重目的。按材質(zhì)，塑料埋地排水管可分為硬聚氯乙烯、聚乙烯和玻璃鋼夾砂管，其中，前兩類在我國市政室外排水管道中應(yīng)用較多，尤其硬聚氯乙烯(UPVC)管因在地埋下使用壽命均不小于20年，并能適應(yīng)一定的不均勻沉陷而被廣泛應(yīng)用[1]。

2 塑料管和混凝土管物理性能比較

混凝土管有預(yù)(自)應(yīng)力鋼筋混凝土管、素混凝土管等，其中，預(yù)應(yīng)力、自應(yīng)力鋼筋混凝土管具有良好的耐久性和抗?jié)B性，素混凝土管的主要特點是價格低廉?；炷凉芄餐瑑?yōu)點是耐腐蝕、使用壽命長，性能的主要特點是強度較大，但存在性脆易斷、管壁厚、重量大、運輸安裝不便等缺陷。

一般埋地管分為柔性和剛性管道，柔性管道起碼能變形2%而結(jié)構(gòu)無損，其設(shè)計則需要考慮管剛度能否抵抗變形或壓曲；剛性管質(zhì)變性會引起結(jié)構(gòu)性破壞，其設(shè)計中管壁強度是承載能力的關(guān)鍵條件。塑料管屬于柔性管道，混凝土管屬于剛性管道。柔性管(塑料管)和剛性管(混凝土)管物理性能比較如下。

2.1 強度和剛度

混凝土管和塑料管承受負(fù)載荷的機(jī)理不同。一般在同樣外壓載荷作用下，混凝土管在受外壓破壞之前不可能產(chǎn)生較大變形，因此管壁的彎矩和應(yīng)力急劇加大，故混凝土管常常需要增加鋼筋，以增加其承受外載荷的能力，其強度和剛度相對較大。反之，塑料管在受壓破壞之前，可以產(chǎn)生較大的變形，因此管壁內(nèi)的應(yīng)力較小，不需和剛性混凝土管一樣的強度和剛度，便可以達(dá)到使用要求，其強度和剛度相對較小。

2.2 水力特性比較

塑料管的內(nèi)壁粗糙系數(shù)為0.01，而混凝土管為0.014，塑料管內(nèi)壁光滑而混凝土管內(nèi)壁相對粗糙，因此塑料管的水力特性比混凝土管要好[2]。且實踐證明，由于在輸送液體時塑料管比摩阻更小，因此在相同坡度時，在達(dá)到要求的流量的前提下，塑料埋地排水管直徑更小，可以減少鋪設(shè)工程費。換言之，在相同管徑下，塑料管可以在更小的坡度下達(dá)到要求的流量。

2.3 密封性

混凝土排水管在保證密封性方面是比較難的。據(jù)了解，國內(nèi)大多數(shù)混凝土排水管接頭使用的是剛性連接的平接口，如因土壤不均勻沉降導(dǎo)致的移動弱，極易導(dǎo)致連接處滲漏。相對而言，塑料管的接頭采用柔性連接，抗不均勻沉降性強及能適應(yīng)較大角度變位，可有效消除不均勻沉降對管道接口的不利影響，因此，塑料管密封性能比混凝土管更可靠。

2.4 耐腐蝕、耐磨損性、使用壽命

埋地排水管輸送的雨水、生活污水尤其工業(yè)廢水常常有腐蝕性，但是塑料埋地排水管因其是采用高科技現(xiàn)代合成樹脂為原料，并加入穩(wěn)定劑、潤滑劑、增塑劑等，因此其耐腐蝕性遠(yuǎn)勝于混凝土管。同時，根據(jù)不同管材的磨耗試驗結(jié)果顯示，塑料管的耐磨損性能遠(yuǎn)比鋼筋混凝土管要好。塑料管因具有更好耐腐蝕性、耐磨性，因此其比傳統(tǒng)混凝土管具有更長的使用壽命，正常情況下使用壽命一般可達(dá)30年～50年(傳統(tǒng)混凝土管使用壽命一般最多僅為10年～20年)。

3 塑料管與混凝土管的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 工程造價影響分析

工程造價影響分為施工前、中、后的影響[3]。1)施工前影響主要有運輸成本和管材價格。對于運輸成本來說，混凝土管自重大，運輸成本也大，反之，塑料管運輸成本很低。對于管材價格而言，塑料排水管材的價格一般要高于混凝土管，尤其大口徑塑料管材價格更高。2)施工中的影響主要有開挖土石方量、基礎(chǔ)的支出、下管的費用、接口造價等，因塑料管具有重量輕、長度大(接頭少)，對于溝槽和基礎(chǔ)的要求低，連接方便，施工快捷等優(yōu)點，因此滿足同等要求下，塑料管施工中造價更低。3)對于排水管施工后的維護(hù)來說，塑料管因使用壽命長、水力條件好、埋深較淺等優(yōu)點，因此從動態(tài)成本分析來說，塑料管的造價也會相應(yīng)的降低。

3.2 其他造價影響分析

1)在管徑、埋深、土壤類別相同的條件下，塑料管的造價更高，而且隨著管徑的增大，塑料管的造價增長的更快。2)在一定相同流量條件下，塑料管的造價相對較低。3)與混凝土管管道基礎(chǔ)造價相比，塑料管管道基礎(chǔ)用細(xì)砂石墊底即可，操作簡單，不需養(yǎng)護(hù)，其造價更低。4)相同管徑的塑料管與混凝土管比較，開挖、回填的土石方量更少，造價更低。5)混凝土管的接口一般為水泥砂漿抹帶剛性接口，易滲漏，且造價較高，而塑料管為柔性接口，造價低，抗?jié)B漏強，且不需養(yǎng)護(hù)。6)在機(jī)械設(shè)備的使用方面，由于混凝土管比較重，故機(jī)械設(shè)備的使用費用較高。7)由于混凝土管要做基礎(chǔ)及其養(yǎng)護(hù)，因此工期也比塑料管長得多，也大大增加管道綜合造價成本。

通過綜合分析可知，對于小管徑來說，使用塑料管綜合造價較低；反之，使用混凝土管綜合造價較低。但是，在一定相同流量條件下，塑料管的造價相對較低，所以在較大不是特大管徑的管材選用中，塑料管依然有綜合造價優(yōu)勢。

4 塑料管在市政排水工程中的可行性應(yīng)用研究

4.1 物理化學(xué)條件較優(yōu)

由前文可知，塑料管具有環(huán)剛度較低、耐腐蝕性強、耐久性久、使用壽命較長、重量較輕等物理化學(xué)優(yōu)勢，可以滿足市政排水工程排水管網(wǎng)系統(tǒng)對排水管質(zhì)量等的要求，因此可以應(yīng)用于市政排水工程的排水管。

4.2 水力條件較優(yōu)

相比于傳統(tǒng)混凝土管材，塑料管具有內(nèi)壁光滑，水流阻力小，不易結(jié)垢等優(yōu)勢，所以在等流量下塑料管管徑要小，且水流速度要大，因此塑料管可以完全滿足市政排水工程排水管網(wǎng)系統(tǒng)對排水管水力條件的要求，故可以應(yīng)用于市政排水工程的排水管。

4.3 施工安裝條件較優(yōu)

塑料管具有重量輕，開挖、填埋土石方量小，用料省，不需養(yǎng)護(hù)，對于溝槽和基礎(chǔ)的要求低，連接方便，施工快捷，同時在管材接口密封方面連接比較可靠等優(yōu)勢，可以滿足市政排水工程排水管網(wǎng)系統(tǒng)對排水管施工安裝條件的要求，故可以應(yīng)用于市政排水工程的排水管。

4.4 綜合造價較低

相比于傳統(tǒng)的混凝土排水管而言，塑料管人工、機(jī)械費較低，小口徑時材料費也較低，可以滿足市政排水工程排水管網(wǎng)系統(tǒng)對排水管綜合造價的要求，故可以應(yīng)用于市政排水工程的排水管。

4.5 基于層次分析法的塑料管綜合評估

“層次分析法”是將與決策總是有關(guān)的元素分解成多個層次，進(jìn)而進(jìn)行定性與定量分析相結(jié)合的多因素決策分析方法。設(shè)綜合比較以I表示，由塑料管與混凝土管不同管徑下的I值比較分析可知，當(dāng)管徑比較小(≤500 mm)時，塑料管綜合造價較小，當(dāng)管徑比較大(>500 mm)時，塑料管綜合造價要大[4]。

5 結(jié)論與展望

通過對目前塑料管及混凝土管的物理力學(xué)性能、水力條件、施工安裝條件及綜合造價等進(jìn)行比較，得出塑料管道在各方面均具有優(yōu)越性，可以滿足市政排水工程排水管網(wǎng)系統(tǒng)對排水管質(zhì)量、水力條件、施工安裝條件、綜合造價等要求，可以應(yīng)用于市政排水工程的排水管。值得注意的是，通過基于層次分析法的塑料管綜合評估可知，當(dāng)管徑比較小(≤500 mm)時，塑料管可以在市政工程排水管網(wǎng)系統(tǒng)中代替混凝土管，而當(dāng)管徑比較大(>500 mm)時，填用塑料管代替混凝土管。然而隨著塑料管業(yè)技術(shù)的提高及價格的下降，在未來的市政排水系統(tǒng)中，塑料管材完全代替混凝土管材還是有很大優(yōu)越性的。