山地城市排水管材比選研究

姜麗

（太原市市政工程設計研究院 山西 太原 030002）

0 引言

排水工程在城市建設中占有很大的比例，是指收集和排出人類生活、生產污水、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域的城市，其地形結構繁雜、生態完善多樣[1]。山地城市最大的特點就是城市構造復雜，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的優勢，然而由于山地城市溝谷丘陵、陡坎梯道多，又會導致其排水系統復雜，管道坡度大，工程建設難度高，這就需要設計人員在使用排水管道時，能通過多方面的必選，更好發揮各種排水管材的特性，從而為山地城市排水系統的優化設計和管理維護提供指導。

1 中國城市排水管道及設計流速現狀

1.1 排水管道

建國初期，中國城市排水管道基本采用磚砌或石砌排水渠道。之后，隨著中國經濟的發展，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。現階段，隨著國內外各種新技術的不斷突破以及新材料的不斷出現，中國市政排水管材種類繁多，如鋼筋混凝土管或金屬管等，尤其以塑料管和復合管為代表的新型管材使用較多，同時管材的設計理論和施工技術也得到發展和完善。

1.2 設計流速

中國2016 版的《室外排水設計規范》規定，金屬管道最大設計流速為10m/s，非金屬管道為5.0m/s，但非金屬管道經過試驗驗證在安全的前提下可適當予以提高。同時，實踐證明在污水管渠中計算得到的設計流速超過規范規定時，非金屬管渠仍然可以長期穩定工作。根據塑料管道試驗結果，顯示聚乙烯管的耐磨性優于鋼管，因此，也有專家建議將山地城市非金屬排水管的最大設計流速增加。

2 山地城市排水特點及排水管道存在問題

2.1 山地城市排水特點

山地城市的城市形態與生態環境與平原城市不同，其最大的特點就是城市構造復雜，具有明顯的坡度和起伏度。對于排水而言，山地城市排水與平原城市相比存在明顯的差異[2]：

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

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

2.2 山地排水管道存在問題

城市中排水系統的設計一般會在充分調研城市地形地貌的基礎上，因地制宜設計，如利用天然的地形落差組織排水，以通過重力形成的勢能降低排水成本。

然而，在山地城市排水管道敷設時，因陡坎梯道較多，地質條件復雜，總得來說存在以下問題：

（1） 依據地面鋪設管道導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使排水管道安全穩定要求提高；

（3） 為了滿足規范設計要求導致排水管施工工程量大；

（4） 受地形限制導致排水管網整體性差且集中困難；

（5） 地形起伏過大沉降不均導致排水管道的連接處出現接口錯位；

（6） 城市建設的快速發展使排水管道斷面尺寸已不能適應新形勢等。

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行鋪設，車輛、行人、水流等外界因素的長期影響極易造成管道破壞。為此，相關人員在選擇市政排水管材是應該全方面的綜合考慮。

3.1 排水管道選用依據

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固可靠，有較長的使用壽命，從宏觀來講，需要遵循國家標準、外觀標準、質量標準、環保標準、經濟性標準以及回收利用標準等。其中，國家標準指遵循國家相關部門制定的建筑行業標準；外觀標準指需要選擇外觀光滑平整，沒有明顯凹凸起的管材；質量標準是排水管道選用過程中最核心的部分之一，對排水管道材料選用時一定要嚴格依據相關的質量標準；環保標準指應該選用通過環保的工藝生產出來的排水管材；經濟性標準指選擇性價比高的管材，消耗最少的資金獲取最好的管材；回收利用標準指應盡量考慮可以重復利用的管材材料。

3.1.2 影響因素

因山地城市特殊的地形及構造，其排水管道選用時還要考慮如下4 點：

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

（2） 接口形式與物理性能。市政排水管網一般布置在道路下面，且有較長的使用年限，因此對管道密封性要求較高，不能漏水、滲水，管道的內壁面應整齊光滑，且管材要具有較強的抗腐蝕性，同時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。在施工條件較差的情況下，建議采用單根排水管道較長的管材有效減少管段接頭，施工方法包括維護開挖、大開挖等。在地基承載力差的環境下，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由于地形等因素的影響，要充分考慮其運輸安裝的成本，盡可能就近就地取材。

3.2 常用排水管材及評判標準

3.2.1 初選管材

目前，隨著社會的不斷發展進步，傳統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，塑料管和復合管等新型管材得到大力的推廣與應用。然而，由于材料本身與技術性能的差異以及價格的差異，在山地城市排水管選材時也需對以下常用6 種管材進行初選。

（1） 鋼筋混凝土管。此類管具有生產工藝簡單、硬性較強、抗壓性較好、使用壽命長以及有利于資源的反復利用（可以利用一些固體廢棄物進行加工） 等優勢，但也存在接口多、施工難度大及抗侵蝕、抗滲性能差等缺陷，且管道內壁的糙率系數大，在使用一段時間后，因細菌的滋生繁殖使其實際可用內徑逐漸縮小，同時受到腐蝕等損壞導致其后期的維護費用很高。因此，在地質條件不佳以及排放液體含有強腐蝕性地區謹慎使用，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、抗滲透性好，對內部通過的水流阻力小，但是抗腐蝕性能差，成本遠高于混凝土管，且金屬離子會有一定的析出，嚴重時會污染周圍的環境。因此，鋼管應避免在強酸或者是強堿等強腐蝕地區使用，而只會在管道承受高壓或對滲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特殊工藝和手段擠壓加工而成。PE 管具有耐腐蝕性強、質量輕、外形多變、運輸方便，同時管道與管道的連接處密封性很好，安裝簡單等特點，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釋放大量污染環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使用，而要避免在極冷和極熱的環境下使用。

（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勢，且在原材料上更加經濟，力學性能更加良好，不容易受周邊環境變化和管道內介質的影響。因此，其在大多數條件下均可使用。

（5） 玻璃鋼夾砂管。玻璃鋼夾砂管是在排水管行業新出現的主力軍，屬于一種非金屬柔性復合管材。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、水利條件好等優勢，但是價格較高，且低溫時易變脆，強度減小。因此，目前廣泛適用于大、中口徑污水排放、城市給水等領域，但在寒冷的地區要謹慎使用以及保溫措施。

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

3.2.2 評判標準

按照技術性能劃分，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境不同或者管道本身材料不同，在對市政排水管道的選用時就應該全方面的考慮，但是又不可能同時考慮到所有的設計參數都達到最優的工況，因此為了保證管道在使用過程中不會出現安全性等問題，則必須將管材的各技術性能指標進行重要性排序，從而在選材時以必須著重考慮一些重要的使用參數為原則。通過對常用幾種排水管材經濟技術性能對比可知，從技術性能來看，技術性能由好到次排序依次為：鋼帶增強聚乙烯螺旋波紋管>PE 管及雙壁波紋管>玻璃鋼夾砂管>混凝土管和鋼管；對綜合造價而言，綜合造價由低到高排序依次為：混凝土管

4 山地城市排水管材應用對策

排水管道的鋪設一般是沿著市政道路或者是根據地形就勢。在排水系統方面，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的流速過大，故而便有了山地城市管道鋪設與設計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計及施工中，為了降低管道內水流流速就得增加開挖量或是設置跌水井，但是這樣會大大增加工程的難度及造價，為此，可選擇設計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，隨著工業技術的發展以及大量新材料新工藝的出現，為適應復雜情況的市政排水管材提供了更廣闊的選擇空間，尤其在環保資源可循環利用的大前提下，塑料排水管和復合管等新型管材的應用越發廣泛。而且，現階段已開發出了塑料排水系統檢查井，并已通過大量的實踐驗證，通過其能有效解決新型管材與檢查井的連接問題。為此，在排水系統方面，基于工程總造價和設計流速過大的問題，山地城市可以較多的運用塑料排水管和復合管等新型管材，同時要將相關的規范以及監管措施到位防止出現市場的混亂。

5 結語

綜上所述，山地城市最大的特點就是城市構造復雜，具有明顯的坡度和起伏度。相較于傳統的排水管材，鋼帶增強聚乙烯螺旋波紋管、雙壁波紋管及PE 管和玻璃鋼夾砂管有較強的抗沖刷能力，適合于山地城市的排水。同時，基于工程總造價和設計流速過大的問題，山地城市可以較多的運用塑料排水管和復合管等新型管材，且要將相關的規范以及監管措施到位防止出現市場的混亂。