山地城市排水管材比選研究

姜麗

（太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院 山西 太原 030002）

0 引言

排水工程在城市建設(shè)中占有很大的比例，是指收集和排出人類生活、生產(chǎn)污水、多余地表水等的工程。山地城市是指大部分土地分布于山地區(qū)域的城市，其地形結(jié)構(gòu)繁雜、生態(tài)完善多樣[1]。山地城市最大的特點(diǎn)就是城市構(gòu)造復(fù)雜，具有明顯的坡度和起伏度，具備充分利用地形的高差來組織排水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，然而由于山地城市溝谷丘陵、陡坎梯道多，又會(huì)導(dǎo)致其排水系統(tǒng)復(fù)雜，管道坡度大，工程建設(shè)難度高，這就需要設(shè)計(jì)人員在使用排水管道時(shí)，能通過多方面的必選，更好發(fā)揮各種排水管材的特性，從而為山地城市排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和管理維護(hù)提供指導(dǎo)。

1 中國(guó)城市排水管道及設(shè)計(jì)流速現(xiàn)狀

1.1 排水管道

建國(guó)初期，中國(guó)城市排水管道基本采用磚砌或石砌排水渠道。之后，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，開始使用混凝土排水管道，其不但可以加快排水工程施工速度，還降低了排水工程成本?，F(xiàn)階段，隨著國(guó)內(nèi)外各種新技術(shù)的不斷突破以及新材料的不斷出現(xiàn)，中國(guó)市政排水管材種類繁多，如鋼筋混凝土管或金屬管等，尤其以塑料管和復(fù)合管為代表的新型管材使用較多，同時(shí)管材的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)也得到發(fā)展和完善。

1.2 設(shè)計(jì)流速

中國(guó)2016 版的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，金屬管道最大設(shè)計(jì)流速為10m/s，非金屬管道為5.0m/s，但非金屬管道經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證在安全的前提下可適當(dāng)予以提高。同時(shí)，實(shí)踐證明在污水管渠中計(jì)算得到的設(shè)計(jì)流速超過規(guī)范規(guī)定時(shí)，非金屬管渠仍然可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。根據(jù)塑料管道試驗(yàn)結(jié)果，顯示聚乙烯管的耐磨性優(yōu)于鋼管，因此，也有專家建議將山地城市非金屬排水管的最大設(shè)計(jì)流速增加。

2 山地城市排水特點(diǎn)及排水管道存在問題

2.1 山地城市排水特點(diǎn)

山地城市的城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境與平原城市不同，其最大的特點(diǎn)就是城市構(gòu)造復(fù)雜，具有明顯的坡度和起伏度。對(duì)于排水而言，山地城市排水與平原城市相比存在明顯的差異[2]：

（1） 城市的空間結(jié)構(gòu)受地形的嚴(yán)重影響，需合理利用有限的山地資源，導(dǎo)致城市道路縱向坡度大排水管道具有很大的落差，排水管道敷設(shè)方式變化多樣，且以架空及埋深較大敷設(shè)為主；

（2） 城市的空間布局在原有的基礎(chǔ)上需依據(jù)地形的自然起伏修建，而地質(zhì)條件變化明顯，導(dǎo)致排水管道的縱向穩(wěn)定較差，容易發(fā)生不均勻沉降。

2.2 山地排水管道存在問題

城市中排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般會(huì)在充分調(diào)研城市地形地貌的基礎(chǔ)上，因地制宜設(shè)計(jì)，如利用天然的地形落差組織排水，以通過重力形成的勢(shì)能降低排水成本。

然而，在山地城市排水管道敷設(shè)時(shí)，因陡坎梯道較多，地質(zhì)條件復(fù)雜，總得來說存在以下問題：

（1） 依據(jù)地面鋪設(shè)管道導(dǎo)致管道坡度過大形成的沖刷磨損；

（2） 山地城市溝谷丘陵交錯(cuò)使排水管道安全穩(wěn)定要求提高；

（3） 為了滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致排水管施工工程量大；

（4） 受地形限制導(dǎo)致排水管網(wǎng)整體性差且集中困難；

（5） 地形起伏過大沉降不均導(dǎo)致排水管道的連接處出現(xiàn)接口錯(cuò)位；

（6） 城市建設(shè)的快速發(fā)展使排水管道斷面尺寸已不能適應(yīng)新形勢(shì)等。

3 山地城市排水管材比選分析

市政排水管道一般都是沿著市政道路或是人行道進(jìn)行鋪設(shè)，車輛、行人、水流等外界因素的長(zhǎng)期影響極易造成管道破壞。為此，相關(guān)人員在選擇市政排水管材是應(yīng)該全方面的綜合考慮。

3.1 排水管道選用依據(jù)

3.1.1 選用原則

為了保證市政排水管道在后期使用過程中堅(jiān)固可靠，有較長(zhǎng)的使用壽命，從宏觀來講，需要遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、外觀標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)以及回收利用標(biāo)準(zhǔn)等。其中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指遵循國(guó)家相關(guān)部門制定的建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；外觀標(biāo)準(zhǔn)指需要選擇外觀光滑平整，沒有明顯凹凸起的管材；質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是排水管道選用過程中最核心的部分之一，對(duì)排水管道材料選用時(shí)一定要嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)指應(yīng)該選用通過環(huán)保的工藝生產(chǎn)出來的排水管材；經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)指選擇性價(jià)比高的管材，消耗最少的資金獲取最好的管材；回收利用標(biāo)準(zhǔn)指應(yīng)盡量考慮可以重復(fù)利用的管材材料。

3.1.2 影響因素

因山地城市特殊的地形及構(gòu)造，其排水管道選用時(shí)還要考慮如下4 點(diǎn)：

（1） 施工環(huán)境與深度。一般而言，管道埋設(shè)深淺程度以及施工的難易程度都會(huì)影響工程造價(jià)，如在常年氣溫在0~40℃之間的山地城市，在土壤干燥的環(huán)境時(shí)污水管道最大埋深不超過8m。

（2） 接口形式與物理性能。市政排水管網(wǎng)一般布置在道路下面，且有較長(zhǎng)的使用年限，因此對(duì)管道密封性要求較高，不能漏水、滲水，管道的內(nèi)壁面應(yīng)整齊光滑，且管材要具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，同時(shí)不同的排水管材要采用不同的連接方式，以保障排水管道的密封性，并不易被破壞。

（3） 施工技術(shù)。在施工條件較差的情況下，建議采用單根排水管道較長(zhǎng)的管材有效減少管段接頭，施工方法包括維護(hù)開挖、大開挖等。在地基承載力差的環(huán)境下，可以采用帶有一定韌性排水管材。

（4） 其他因素。在山地城市等一些特殊的地區(qū)由于地形等因素的影響，要充分考慮其運(yùn)輸安裝的成本，盡可能就近就地取材。

3.2 常用排水管材及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 初選管材

目前，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土以及金屬排水管道抗腐蝕性差等缺陷逐漸凸顯，塑料管和復(fù)合管等新型管材得到大力的推廣與應(yīng)用。然而，由于材料本身與技術(shù)性能的差異以及價(jià)格的差異，在山地城市排水管選材時(shí)也需對(duì)以下常用6 種管材進(jìn)行初選。

（1） 鋼筋混凝土管。此類管具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、硬性較強(qiáng)、抗壓性較好、使用壽命長(zhǎng)以及有利于資源的反復(fù)利用（可以利用一些固體廢棄物進(jìn)行加工） 等優(yōu)勢(shì)，但也存在接口多、施工難度大及抗侵蝕、抗?jié)B性能差等缺陷，且管道內(nèi)壁的糙率系數(shù)大，在使用一段時(shí)間后，因細(xì)菌的滋生繁殖使其實(shí)際可用內(nèi)徑逐漸縮小，同時(shí)受到腐蝕等損壞導(dǎo)致其后期的維護(hù)費(fèi)用很高。因此，在地質(zhì)條件不佳以及排放液體含有強(qiáng)腐蝕性地區(qū)謹(jǐn)慎使用，以免因不適用而返工造成較大的損失。

（2） 鋼管。鋼管屬于金屬管的一種，大致可分為不銹鋼管、無縫鋼管、焊接鋼管。鋼管的抗壓、抗震、抗?jié)B透性好，對(duì)內(nèi)部通過的水流阻力小，但是抗腐蝕性能差，成本遠(yuǎn)高于混凝土管，且金屬離子會(huì)有一定的析出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)污染周圍的環(huán)境。因此，鋼管應(yīng)避免在強(qiáng)酸或者是強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕地區(qū)使用，而只會(huì)在管道承受高壓或?qū)B漏有要求等特殊地段使用。

（3） PE 管。PE 管屬于塑料管的一種，在專門的管道制造及其中經(jīng)特殊工藝和手段擠壓加工而成。PE 管具有耐腐蝕性強(qiáng)、質(zhì)量輕、外形多變、運(yùn)輸方便，同時(shí)管道與管道的連接處密封性很好，安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但其不能承受較大的沖擊，剛性、平直性較差，且在燃燒的過程中會(huì)釋放大量污染環(huán)境的有害氣體和煙霧。因此，可以利用其良好的韌性在軟土地基地區(qū)使用，而要避免在極冷和極熱的環(huán)境下使用。

（4） 雙壁波紋管。雙壁波紋管也屬于塑料管的一種，其具有塑料管的所有優(yōu)勢(shì)，且在原材料上更加經(jīng)濟(jì)，力學(xué)性能更加良好，不容易受周邊環(huán)境變化和管道內(nèi)介質(zhì)的影響。因此，其在大多數(shù)條件下均可使用。

（5） 玻璃鋼夾砂管。玻璃鋼夾砂管是在排水管行業(yè)新出現(xiàn)的主力軍，屬于一種非金屬柔性復(fù)合管材。此類管主要原材料是玻璃纖維以及其制品，具有耐侵蝕性好、自重小、水利條件好等優(yōu)勢(shì)，但是價(jià)格較高，且低溫時(shí)易變脆，強(qiáng)度減小。因此，目前廣泛適用于大、中口徑污水排放、城市給水等領(lǐng)域，但在寒冷的地區(qū)要謹(jǐn)慎使用以及保溫措施。

（6） 鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管。作為近年來發(fā)展起來的一種HDPE 與鋼帶熔融復(fù)合的新型高密度塑料埋地排水管，鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管以高密度聚乙烯(PE)為基體，結(jié)合鋼材的高鋼度、高強(qiáng)度和PE 的柔韌、耐腐、耐磨，具有抗折與抗扭曲能力強(qiáng)，韌性、水力特性、抗震性能好，重量輕、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于市政管道工程。

3.2.2 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

按照技術(shù)性能劃分，排水管道可以劃分為柔性管和剛性管兩類。排水管道在使用中因使用環(huán)境不同或者管道本身材料不同，在對(duì)市政排水管道的選用時(shí)就應(yīng)該全方面的考慮，但是又不可能同時(shí)考慮到所有的設(shè)計(jì)參數(shù)都達(dá)到最優(yōu)的工況，因此為了保證管道在使用過程中不會(huì)出現(xiàn)安全性等問題，則必須將管材的各技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，從而在選材時(shí)以必須著重考慮一些重要的使用參數(shù)為原則。通過對(duì)常用幾種排水管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能對(duì)比可知，從技術(shù)性能來看，技術(shù)性能由好到次排序依次為：鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管>PE 管及雙壁波紋管>玻璃鋼夾砂管>混凝土管和鋼管；對(duì)綜合造價(jià)而言，綜合造價(jià)由低到高排序依次為：混凝土管

4 山地城市排水管材應(yīng)用對(duì)策

排水管道的鋪設(shè)一般是沿著市政道路或者是根據(jù)地形就勢(shì)。在排水系統(tǒng)方面，與平原城市相比，由于山地城市特殊的地形落差大造成了管道內(nèi)的流速過大，故而便有了山地城市管道鋪設(shè)與設(shè)計(jì)流速二者之間的博弈。

而通常情況下，在山地城市排水管道設(shè)計(jì)及施工中，為了降低管道內(nèi)水流流速就得增加開挖量或是設(shè)置跌水井，但是這樣會(huì)大大增加工程的難度及造價(jià)，為此，可選擇設(shè)計(jì)流速較大的金屬管道，但是值得注意的是，金屬管道成本很高，為防止造成適得其反的效果，需避免大面積使用。目前，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及大量新材料新工藝的出現(xiàn)，為適應(yīng)復(fù)雜情況的市政排水管材提供了更廣闊的選擇空間，尤其在環(huán)保資源可循環(huán)利用的大前提下，塑料排水管和復(fù)合管等新型管材的應(yīng)用越發(fā)廣泛。而且，現(xiàn)階段已開發(fā)出了塑料排水系統(tǒng)檢查井，并已通過大量的實(shí)踐驗(yàn)證，通過其能有效解決新型管材與檢查井的連接問題。為此，在排水系統(tǒng)方面，基于工程總造價(jià)和設(shè)計(jì)流速過大的問題，山地城市可以較多的運(yùn)用塑料排水管和復(fù)合管等新型管材，同時(shí)要將相關(guān)的規(guī)范以及監(jiān)管措施到位防止出現(xiàn)市場(chǎng)的混亂。

5 結(jié)語

綜上所述，山地城市最大的特點(diǎn)就是城市構(gòu)造復(fù)雜，具有明顯的坡度和起伏度。相較于傳統(tǒng)的排水管材，鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管、雙壁波紋管及PE 管和玻璃鋼夾砂管有較強(qiáng)的抗沖刷能力，適合于山地城市的排水。同時(shí)，基于工程總造價(jià)和設(shè)計(jì)流速過大的問題，山地城市可以較多的運(yùn)用塑料排水管和復(fù)合管等新型管材，且要將相關(guān)的規(guī)范以及監(jiān)管措施到位防止出現(xiàn)市場(chǎng)的混亂。