HDPE雙壁波紋管在市政排水工程中的應用及經濟性評價

王宏彥，張曉峰

（武漢市規劃設計有限公司，湖北武漢 430014）

1 概述

1996年首次全國城市市政公用設施普查,運行的城市排污管網總長度 119 738.65 km,其中有70%以上的是 20世紀80年代以前鋪設的。其主要材質是混凝土管、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，接頭滲漏極為嚴重,管道破損、塌陷、堵塞時有發生。過去在埋地排水領域多采用傳統的鋼筋混凝土管，由于鋼筋混凝土管為剛性管，基礎也是剛性的，當地基較差或處理不當時，極易造成管道和接頭的損壞，出現枯水期管道內的水往外滲、豐水期地下水及雨水往管道里滲的現象，對周邊環境造成影響。據統計,我國 90%以上的城市水環境惡化,95%以上的城市地下水不符合水質標準,排污管道的滲漏是最大的污染源之一。

隨著新材料的開發與推廣應用,越來越多的城市排水系統應用了 HDPE 管等新型材料,這些材料的粗糙系數一般遠小于傳統的鋼筋混凝土管,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點,可以縮短施工周期、降低工程造價和提高管道系統的安全性。

2004年建設部發表公告明確要求在市政工程公用管網中給水和排水領域推廣使用塑料管材,上海市有關部門率先于 1998年作出了“推廣市政埋地排水塑料管,淘汰水泥排水管”的規定,廣州市2003年6月1日起在全市污水管網工程中推廣使用塑料管材。現在,HDPE 雙壁波紋管等塑料管材被廣泛應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用效果，對其過流能力和經濟性作出評價,供同行參考。

2 HDPE 管的特點

2.1 HDPE 雙壁波紋管的優勢

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,經擠出成型方式加工而成的具有波紋結構的管材。其管壁截面為雙層結構,內壁表面光滑,外壁為等距排列的環形中空波紋結構的管材。以下為 HDPE 管具的特點或優點。

（1）環形波紋結構,具有剛柔兼備的優良力學性能,環剛度大,柔韌性好,抗壓、耐沖擊。

（2）管道內壁平滑,流體摩阻小,輸流量大。輸送液體時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）中空肋骨結構,重量輕,運輸、施工便捷,降低施工費。直徑 l 000 mm、環剛度 8 kN/mz 的HDPE 管才約 90 kg/m，是混凝土管的 1/8，便于搬運和施工，不需要搬運吊裝設備。

（4）連接方便,接頭密封性好,長期運行質量可靠,無泄漏。安全可靠，采用電熱熔帶或熱收縮帶連接技術，施工快捷，連接質量高，接頭強度大，可確保管內污水不外漏，減少施工時間和費用。

（5）化學性質穩定,耐腐蝕,無毒無污染,屬環保管材。耐化學藥品性、耐老化能力強，管材以惰性HDPE 制成，化學性質穩定，耐酸、堿、鹽能力強，耐污水、廢水、化學藥品及土壤中腐爛物質的腐蝕，無銹蝕，在輸送腐蝕流體或者在腐蝕性土壤中敷設時無須防腐處理。

（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 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生脫節斷裂現象。適當的撓曲度,可不用管件直接將管材鋪設于略彎的溝槽內。

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

（9）可回收利用。HDPE 為無毒性材料對土地無害，不結垢，不繁殖微生物，并可再生使用，生產過程中的冷卻水可循環使用，無污染物產生，是環保型綠色產品。

基于上述特點，在同等條件下使用 HDPE 管的工程綜合造價較其它管材要低，特別是在非開挖牽引管工程中其造價遠遠低于其它管材，而且其工程質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 管獨特的結構特性，又使之特別適合地下水位較高、軟弱地基、易發生不均勻沉降等地質條件及需要趕搶工期的工程的施工。

2.2 HDPE 管施工的技術要求

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，接上電熱熔機開機，設定加熱時間及電流強度，在熱熔過程完成后，再次扣緊扣帶，待冷卻一定時間(一般冷卻時間為冬季 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、加熱時間見表1。

表1 不同口徑管材的通電電流、加熱時間

2.2.2 HDPE 管與檢查井的連接

HDPE 管從管溝伸入井內，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。

（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 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，如時間不允許，也可以用沙包壓住。

2.2.3 安裝 HDPE 管時的注意事項

（1）開挖溝槽，應嚴格控制基底高程，如基礎承載力較好，可利用原狀土通過適當的處理直接作為管道基礎，但發生超挖或擾動則必須用砂或好土回填夯實后再行敷設 HDPE 纏繞管。

（2）下溝槽安裝 HDPE 管時，要保證溝槽排水暢通，嚴禁泡槽，防止電熱熔時發生觸電事故。

（3）雨季施工時，應盡可能縮短開槽長度，盡量做到早成槽、早回填。

（4）吊裝 HDPE 管時采用非金屬繩索兩點搬運，嚴禁串心吊裝。

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

（6）連接 HDPE 管時，按照操作規程調控好加熱時間及電流強度進行連接，否則會導致管道接口處密封性差。

（7）回填過程中，應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 管應直線敷設，需利用柔性接口折線敷設時，一般情況下 HDPE 纏繞管每個承接口處的相對轉角不得大于 2°。

（9）管區位置的密實度要達到設計要求，做到分層壓實，且沿著 HDPE 纏繞管中線進行對稱夯實，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 技術性能比較

3.1.1 強度和剛度

受外壓負荷時,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,通常被視為一個獨立的承力結構,強度上須承受全部的內、外力;同樣外壓負荷下,HDPE 雙壁波紋管柔性管管壁內的應力較小,它和周圍的回填土共同承受負載,即管道與回填土之間由于力的相互傳遞,以及變形的互相協調,使二者結合成一個高度有機的整體結構,但必須保證回填土的密實度大于 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度和剛度,在合理的剛度下,完全可以達到使用要求。此外由于 HDPE 雙壁波紋管具有柔韌性,當發生地震等突發性的地質災害時,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、減災的能力。

3.1.2 過流能力

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

（1）參數選擇

由于高密度聚乙烯雙壁波紋管內壁平滑,流體摩擦阻力小,管壁的粗糙系數一般為 n=0.009;考慮到接頭及管件連接處的水力損失,系統水力損失計算采用粗糙系數 n=0.010。鋼筋混凝土圓管滿流時的粗糙系數取 n=0.013,非滿流時粗糙系數取n=0.014。HDPE 管的比較公稱內徑范圍在 300～1 000 mm 之間,依次為 Φ300、Φ400、Φ500、Φ600、Φ800 和 Φ1 000。

（2）計算公式

滿流和非滿流情況下的水力計算公式見《室外排水設計規范》。

（3）水力計算

計算采用相應管徑常用流速,Φ300、Φ400 管內流速以 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,計算鋼筋混凝土圓管的水力坡度和過流量。對應管徑的 HDPE 管取與鋼筋混凝土管相同的水力坡度,計算其流速和過流量。鋼筋混凝土圓管和 HDPE 管相應管徑的流量對比見表2、表3。

表2 滿流時不同管材的過流能力對照表

表3 非滿流時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 HDPE 管的過流能力均比傳統鋼筋混凝土圓管大 40%左右。

3.1.3 管道的鋪設安裝

（1）HDPE 雙壁波紋管施工流程:開挖溝槽→砂墊層 (根據地質情況而定)→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→支基礎模板→搗基礎→養護→下管→穩管→接口→養護→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強度達到設計強度的 70%后才能進行下道工序,這樣必然延長了施工周期,從而延緩了施工進度。

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,接頭的強度高于管道本體的強度,可確保污水不外漏,并可適應地基不均勻沉降。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 HDPE 雙壁波紋管每根管長可達10 m 以上,接口少,發生滲漏的機率也少。

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,雨水在流經路面時常常成酸性或堿性,生產污水往往是具有強腐蝕性的工業排水,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,除少數強氧化劑外,可耐多種化學介質的侵蝕,土壤中存在的化學物質不會對管道造成任何降解作用;聚乙烯是電的絕緣體,因此不會發生腐爛、生銹或電化學腐蝕現象;此外,它也不會促進藻類細菌或真菌生長;同時,它還具有很好的耐磨性,它與鋼管的耐磨性對比試驗表明,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℃范圍內安全使用。國外的一些實踐證明,埋地 HDPE 雙壁波紋管的壽命,可長達 50 a。

3.2 經濟分析

管道鋪設單價比較,采用湖北省市政工程預算定額及當前武漢市材料價格信息,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單價。

3.2.1 Φ300 管道鋪設單價比較

圖1所示,當管徑為Φ300 時,若埋深小于 2.5 m,HDPE 管和 UPVC 管的鋪設單價都稍高于傳統鋼筋混凝土管，而當埋深大于 2.5 m 時,鋪設單價 混凝土管>UPVC 管>HDPE 管。

3.2.2 Φ600 管道鋪設單價比較

圖2所示,對Φ600 的管道來說,在任一埋深下HDPE 管的鋪設單價都要比其它兩種管材低。埋深小于 3 m 時,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,混凝土管>玻璃鋼夾砂管>HDPE 管,混凝土管比 HDPE 管的鋪設單價高 10%左右。玻璃鋼夾砂管比 HDPE 管鋪設單價高 6%～10%,且隨著埋深增加差別變小。

3.2.3 Φ800 管道鋪設單價比較

圖1 Φ300 管道鋪設單價比較

圖2 Φ600 管道鋪設單價比較

圖3 Φ800 管道鋪設單價比較

如圖3所示，對Φ800 的管道來說,埋深小于3 m 時,玻璃鋼夾砂管>HDPE 管>混凝土管,玻璃鋼夾砂管單價比 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,玻璃鋼夾砂管>混凝土管>HDPE 管,混凝土管比HDPE 管單價高 5%～7%,而玻璃鋼夾砂管要比HDPE 管高 8%～10%。

3.2.4 Φ1 000 管道鋪設單價比較

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

4 結語

通過對 HDPE 管和傳統鋼筋混凝土圓管的比較可以得出以下結論。

圖4 Φ1 000 管道鋪設單價比較

（1）在相同管徑下,HDPE 管的過流能力比傳統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 管過流能力達到Φ600 的傳統鋼筋混凝土圓管的 98%以上。

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

（4）管徑不大于 800 時,若埋深小于 2.5 m,大多數情況下(Φ600 例外)混凝土管的鋪設單價要比HDPE 管低;若埋深大于 2.5 m,則混凝土管的鋪設單價增長加快,比 HDPE 管要高出 5%～22%。管徑大于 800 時,任一埋深 HDPE 管的鋪設單價都比混凝土管高得多,此時需綜合考慮其它因素,決定是否用 HDPE 管代替傳統管材。

《國務院關于加強城市供水節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不低于 60%(目前要達到 50%),直轄市、省會城市、計劃單列市以及重點風景旅游城市的污水處理率不低于 70%。《國家化學建材產業“十五”計劃和 2010年發展規劃綱要》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，建設我國城市排水管網,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 雙壁波紋管以其質量輕、施工快速、輸水能力強、抗震性好、綜合造價低、無滲漏、使用壽命長等特點,將在市政排水工程中廣泛使用。