塑料管在市政排水工程中的可行性應用研究

郭鵬

(太原市市政工程設計研究院，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)濟的發(fā)展以及城市化進程的不斷加快，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，對廢水進行無害化處理的研究意義重大。現(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用進行研究。

1 塑料管及其特點與應用

塑料管是以合成樹脂(聚酯)為原料，以“塑”的方法在制管機內(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，并能適應一定的不均勻沉陷而被廣泛應用[1]。

2 塑料管和混凝土管物理性能比較

混凝土管有預(自)應力鋼筋混凝土管、素混凝土管等，其中，預應力、自應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。混凝土管共同優(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，其設計中管壁強度是承載能力的關鍵條件。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載荷的機理不同。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)的應力較小，不需和剛性混凝土管一樣的強度和剛度，便可以達到使用要求，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致的移動弱，極易導致連接處滲漏。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造價相比，塑料管管道基礎用細砂石墊底即可，操作簡單，不需養(yǎng)護，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。6)在機械設備的使用方面，由于混凝土管比較重，故機械設備的使用費用較高。7)由于混凝土管要做基礎及其養(yǎng)護，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用研究

4.1 物理化學條件較優(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，對于溝槽和基礎的要求低，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的元素分解成多個層次，進而進行定性與定量分析相結(jié)合的多因素決策分析方法。設綜合比較以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，當管徑比較小(≤500 mm)時，塑料管綜合造價較小，當管徑比較大(>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性能、水力條件、施工安裝條件及綜合造價等進行比較，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。