污水用球墨鑄鐵管的設計應用

蔣嵐嵐 ，李大成 ，張萬里 ，惠 煒

（1.無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072；2.無錫市排水公司，江蘇無錫 214026）

0 前言

離心球墨鑄鐵管具有密封性好、抗內外壓能力強、管道水力特性良好、施工方便及使用壽命長等特點，在給水工程領域得到了廣泛的應用[1]。近年來，隨著對污水管網抗變形、防滲漏標準的提高及降低綜合造價的要求，使球墨鑄鐵管在污水管網工程中逐步啟用。但是由于其在污水收集系統中的規模化應用剛剛起步，相關設計建造的工程經驗和技術總結很少，本文結合無錫市蘆村污水處理廠進廠第四通道的相關工程經驗，在研究國內外成功案例和技術規范的基礎上，初步總結了污水用離心球墨鑄鐵管的設計要點，為今后的規模化設計應用提供參考。

1 工程概況

為提高無錫市區環太湖地區污水收集能力，2010年初開始，無錫市排水公司建設了蘆村污水處理廠進廠第四通道工程（見圖1）。該工程設計總長20.02 km，總投資2.1億元。

圖1 污水第四通道管線走向圖

其中，環太湖公路是江蘇省公路交通網中一條主要交通干線，道路寬40 m，車流量大，是無錫市重要的交通樞紐之一。由于道路兩側建筑物密集，地下管網縱橫交錯，決定采用壓力管方案以有效減小管徑，降低管道埋深，減少溝槽斷面，提高施工安全和便利性。工程起點為漁港泵站出水，工程終點為香雪路，污水壓力干管由西向東，全長1.675 km，采用了DN800的污水用離心球墨鑄鐵管。

2 污水用離心球墨鑄鐵管的特點

2.1 密封性好，防滲漏能力強

污水管的滲漏問題是影響污水管正常運行的最大問題，證明了污水管在密封性上出現的問題最為嚴重。提高管道密封性包括以下幾方面內容：（1）減少裂縫發生；（2）防止橢圓化變形；（3）防止管道接口錯位。

球墨鑄鐵管是一種半剛性的管道，它克服了完全剛性和完全柔性管道在密封性上的相應弱點。首先，第一，球墨鑄鐵的延展性保證了管道在使用中極少出現裂縫的情況；第二，由于球墨鑄鐵管的平均徑向剛度約為柔性管材的4倍，管道埋地后不易發生橢圓化變形；第三，承插式的連接形式保證了接口的密封性好，抗化學和雜散電流腐蝕能力強；第四，膠圈的柔性接口允許有一定的偏轉角度，保證了管道在允許范圍內的沉降或擾動不會出現接口間的滲漏[2]。

2.2 水力特性好

根據水泥砂漿內襯的金屬管道的壓力流管渠水力計算的基本公式可知，埋地污水壓力管道的水力特性由材料的表面粗糙系數n和水力半徑R所決定。當確定了管徑之后，則主要取決于粗糙系數。由于球墨鑄鐵管內壁的高鋁水泥襯層質地硬，表面平滑，相對于大口徑污水壓力管常用的鋼管、PCCP管和預應力混凝土管而言，表面粗糙系數n略高于鋼管而低于PCCP管和預應力混凝土管。

此外，在管道接口產生的局部損失方面，長管的水力特性優于短管。目前所使用的球墨鑄鐵污水管長度在6～8 m之間，大于PCCP管和預應力混凝土管。

2.3 使用壽命長

污水管的使用壽命取決于管道的耐腐蝕能力、抗磨損性能和材料本身的穩定性能等因素。首先，污水用球墨鑄鐵管通常采用噴鋅+瀝青漆外防腐和高鋁水泥內襯涂層防腐模式，適用于絕大多數類型的土壤，具有良好的抗酸堿性和一定的耐高溫性，使得球墨鑄鐵管的耐腐蝕能力強；其次，高鋁水泥由于富含金屬原子，質地硬，內壁的抗磨損性能優；最后，球墨鑄鐵管具有良好的機械強度，在抗壓、韌性、耐沖擊和耐震動等方面具有很大的優勢，材料的穩定性能好。所以，球墨鑄鐵管的使用壽命長，可達50 a以上。

2.4 施工方便可靠

污水管道在運行中的性能與施工過程的質量控制密切相關。埋地管道承載負荷的能力大多是通過回填材料和基礎來實現的，柔性材料管道主要依賴于管土共同作用來彌補其剛性的不足，而球墨鑄鐵管由于本身較強的機械強度，在大部分的安裝條件下，對基礎和回填的要求很低，可以采用素土基礎并直接用溝槽原狀土回填，施工安裝方便可靠；另一方面，由于采用承插式安裝，在管道允許偏轉角范圍內可適當調整橫向及豎向管位，施工速度快，受天氣和地下水位的影響小，可有效保證施工的進度。

3 工程設計要點及技術要求

3.1 水文地質情況簡介

管道所處地層水文地質狀況變化較大，地下水位偏高。根據管道埋深不同分別位于雜填土層、粉質粘土層、淤泥質粉質粘土層、粉質粘土夾粉土層。大部分位于淤泥質粉質粘土層和粉質粘土夾粉土層，屬于軟弱地基，局部土壤易產生流砂。

3.2 設計要點分析

首先，根據水文地質情況分析，該路段地質條件差，沉降不均勻，管道接口對于地面沉降和變形應有一定的抵抗能力。其次，由于環太湖公路為重要的交通干線，要求盡可能縮短施工周期，同時提高管道密封性，延長使用壽命，減少因管道維修及改建對公路的影響。另外，由于輸送介質為污水泵站壓力出水，要求管道的抗腐蝕性和耐壓性能強。

3.3 管材的確定

通過對上述設計要點的綜合比選，確定采用污水用球墨鑄鐵管。經受力計算分析，工程中采用的球墨鑄鐵管徑向剛度≥16 kN/m2，抗拉強度≥420 MPa，伸長率≥10%，耐壓等級C25，單節管長6 m，壁厚不小于9.6 mm。

3.4 管材技術要求

3.4.1 管材標準

在該工程設計時國內針對污水用球墨鑄鐵管的管材標準正在制訂中，因此只能采用國際標準《Ductile iron products forsewage applications》（ISO7186：1996）作為參考。目前，國家標準《污水用球墨鑄鐵管、管件和附件》（GB/T26081-2010）剛剛于2011年10月1日起實施，新設計管道應采用此國家標準，并應規定徑向剛度、抗拉強度、伸長率、耐壓等級等技術指標。

3.4.2防腐要求

根據使用的內外部條件的腐蝕性特征因素選擇球墨鑄鐵管的內外表面防腐涂層。該工程外防腐選用噴涂金屬鋅+環氧樹脂涂層，噴鋅涂層應符合GB/T17456.1-2009的規定；內防腐采用高鋁水泥砂漿內襯，襯層應符合GB/T17457-2009和GB/T17671-1999的規定。

3.4.3膠圈要求

球墨鑄鐵管承插式接口的密封性膠圈應采用耐油耐腐蝕的污水用膠圈，其材質、硬度、抗拉強度和延伸率應符合GB/T21873-2008的規定，并確保表面平整無明顯裂紋。

3.5 管道平面定線

該工程污水管主要在現狀道路下鋪設，在管道平面定線時需進行綜合平衡。為避讓現狀的地下管線、地上桿線和地面障礙物等，污水管線無法完全順直敷設；另一方面，由于輸送的是有壓力污水，無法設置重力式的檢查井，在轉彎處必須采用彎頭等配件連接。由于球墨鑄鐵管是離心鑄造的，其彎頭角度是特定的，一般僅有 11.25°、22.5°、45°和90°幾種規格，同時為減少彎頭處局部角度大產生的局部損失，在平面設計時應充分利用球墨鑄鐵管接頭處的偏轉角。由于不同管徑的管道有不同角度的偏轉角且實際偏轉角不能大于允許偏轉角，故應在綜合考慮管徑、單節管長、每處接口允許偏轉角等幾方面因素下繪制利用偏轉角借轉管道的大樣圖。當采用偏轉角無法借轉或局部小范圍內必須借轉角度時則根據需要采用標準彎頭。

3.6 附屬構筑物

3.6.1壓力檢修井

為方便運行檢修，在壓力污水管的大角度轉彎處和直線段一定距離處需設置壓力檢修井。壓力檢修井既不同于污水工程的重力式檢查井也不同于給水工程的閥門井，但可參考給水閥門井設置，一般不采用閥門而采用檢修三通管，如圖2所示，上部設密封法蘭蓋板。設計說明中應明確參考的閥門井的規格和檢修三通管的形狀、尺寸和接口類型等。

圖2 球墨鑄鐵檢修三通管示意圖

3.6.2排氣閥

為排除運行時從水中釋出的氣體以及排出管線投產時或檢修后通水時管線內的空氣，以免氣體積在管中減小過水斷面增大水頭損失。一般隨地形起伏敷設，在高處隆起點設排氣閥。該工程結合2處過河橋管設置了DN100雙口排氣閥。

3.6.3泄水井

為排除管中的沉積物以及檢修時放空管道內的存水，在管線的最低點處須設置泄水閥井。泄水閥與泄水管連接，其管徑由所需的排空時間決定。該工程設置2處泄水閥井，采用DN300泄水管。

4 結語

該工程為污水用離心球墨鑄鐵管在無錫市的首次應用，經過8個月的建設，該工程于2011年8月完工，工程質量達到優良。作為一種新型的排污管材，污水用球墨鑄鐵管具有密封性好、水力條件優、施工方便、使用壽命長等優點，其在市政污水工程中將有較廣泛的應用前景。該工程的建成對完善無錫市蘆村污水處理廠排水系統起到了十分重要的作用，同時也為污水用球墨鑄鐵管的應用積累了大量的設計施工經驗。由于相關國家標準剛剛實施，希望對同類型污水收集系統工程建設有一定的借鑒作用。

[1]肖育誠.球墨鑄鐵管與灰口鑄鐵管在給水工程中應用的經濟技術比較[J].給水排水，1997，23(2)：53-54.

[2]戴維生，趙勇，徐海峰.大口徑污水用離心球墨鑄鐵管的工程應用實踐[J].中國給水排水，2011，27(8)：106-108.