全生命周期下排水管材技術(shù)經(jīng)濟分析

唐棋

［知城（廣州）建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510000］

0 引言

城市市政排水管[1]是現(xiàn)代城市發(fā)展必不可缺的重要基礎(chǔ)設(shè)施，市政排水管在地下縱橫交錯，好像城市生命的脈絡(luò)，對于城市正常生產(chǎn)生活的保護有著非常重要的意義。廣州市作為超大型城市，全市已建排水管道總長度已達12000 多公里，使用年限大都為25 年以上。受不同時期施工技術(shù)水平、地面沉降、管材質(zhì)量及管道腐蝕等諸多不利因素影響，廣州市市政排水管道錯位、裂縫、脫節(jié)甚至坍塌等現(xiàn)象持續(xù)增多，促使廣州市排水管道的完善、更新工作迫在眉睫。而市政排水管材種類繁多，特別在廣州市排水管材選擇中，缺乏統(tǒng)一的標準和指導(dǎo)意見，通過對廣州市已經(jīng)使用的排水管道的情況分析，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟比較分析，為廣州地區(qū)適應(yīng)性排水管材的選擇提供參考。

1 廣州市排水管道建設(shè)情況

根據(jù)《廣州市污水治理總體規(guī)劃修編》，規(guī)劃共分為67 個污水處理系統(tǒng)，72 個污水處理廠。以污水總規(guī)為指引，全市生活污水處理能力從2008 年的228.6 萬t/d 提升至2018 年的548.0 萬t/d，已建污水管網(wǎng)總長約12147km。管道建設(shè)情況如表1 所示。

表1 管道建設(shè)情況

2 廣州市排水管材使用情況

由于歷史原因，早期缺乏對排水管材材質(zhì)的統(tǒng)計分析，根據(jù)相關(guān)管材指標研究，抽取了相關(guān)資料并進行統(tǒng)計分析，排水管材使用情況統(tǒng)計如表2 所示。

表2 排水管材使用情況統(tǒng)計 單位：m

3 技術(shù)性分析

根據(jù)廣州市實際使用的排水管材[2]情況，這里僅選擇鋼筋混凝土管、HDPE 管和球墨鑄鐵管3 種管材進行技術(shù)比較。

3.1 重量

對于埋深小于6m 的淺埋管道，當采用球墨鑄鐵時，其壁厚一般取管徑的1%即可滿足要求。若混凝土管壁厚通長為管徑的10%，HDPE 管壁厚可取管徑的5%。

故管徑相同條件下，混凝土管重量約為球墨鑄鐵管重量的3.16 倍（7.85/2.48），為HDPE 管重量的5 倍（7.85/1.57）。

3.2 地質(zhì)適應(yīng)性

球墨鑄鐵、Ⅱ級混凝土管及HDPE 管都有較強的地質(zhì)適應(yīng)性，可廣泛適用于填土層、淤泥軟弱土層、粉質(zhì)黏土層、中粗砂層、殘積層及全、強、中、微風化巖層。

3.3 地下水位

球墨鑄鐵管、Ⅱ級混凝土管、HDPE 管都可適應(yīng)于不同高度的地下水位，幾種管材對地下水的適用性差別不大。

3.4 耐久性

球墨鑄鐵管碳以球狀游離石墨存在鐵中，化學性質(zhì)較為穩(wěn)定，且不易發(fā)生脆裂等破壞。內(nèi)防腐一般采用水泥砂漿，外防腐采用噴鋅和煤瀝青防腐漆，耐腐蝕性能指標好于鋼管，可較好抵擋污水及地下腐蝕性水的侵蝕，使用壽命50 年左右。Ⅱ級混凝土管采用高強度混凝土預(yù)制而成，性能穩(wěn)定，同樣具有較高的防腐性能。使用壽命50 年左右。HDPE 管化學性能穩(wěn)定，但不耐熱，熔點低，表面硬度小，易刮傷。使用壽命有一定的局限。根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗，在使用20 年后出出現(xiàn)不同程度的變形破壞等問題。當?shù)叵滤疄槲ⅰ⑷酢⒅小姷雀g時，球墨鑄鐵管、Ⅱ級混凝土管及HDPE 管都有較好的防腐性能，三者區(qū)別不大。但當球墨鑄鐵添加微量的特種元素時，防腐性能還可再提高，但造價也較高。

3.5 地基處理

當管基所在持力層地質(zhì)情況較好時，一般采用天然地基；當局部存在小于2m 厚的較差土質(zhì)時，可采用換填1：1 粗砂碎石進行處理；當軟弱淤泥層較厚時，可采用壓填毛石方法，此方法施工周期快，成本相對較低；也可采用攪拌樁或旋噴樁復(fù)合地基方法。復(fù)合地基處理方法雖然施工周期較長，成本較高，但在控制工后沉降方面要好于壓填毛石方法。

對于同一場地的同一埋深，管基所處地層相同。無論是較好的硬塑粉質(zhì)黏土陳層，還是較厚的軟弱淤泥質(zhì)土層，由于管基埋設(shè)前后附加應(yīng)力不是很大，故是否要做地基處理、選取哪種地基處理方式主要與地質(zhì)情況有關(guān)，與所選管材關(guān)系不大。

3.6 管道基礎(chǔ)

當采用球墨鑄鐵管時，一般采用200mm 厚的帶狀中粗砂基礎(chǔ)，壓實度不小于0.9；當采用Ⅱ級混凝土管時，則采用90°~180°的C20 素混凝土管基；當采用球墨鑄鐵管和HDPE 管時，一般采用200mm 厚的帶狀中粗砂基礎(chǔ)，壓實度不小于0.9。3 種管道基礎(chǔ)作法分別如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 球墨鑄鐵管管道基礎(chǔ)大樣

圖2 Ⅱ級混凝土管管道基礎(chǔ)大樣

圖3 HDPE 管管道基礎(chǔ)大樣

3.7 開挖寬度

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》2 管槽單側(cè)開挖凈寬，可算得球墨鑄鐵管、Ⅱ級混凝土管、HDPE 管的管槽開挖凈寬度如表3 所示。

表3 不同管材管徑下管槽的開挖寬度

3.8 支護形式

支護形式與場地地質(zhì)情況及埋深相關(guān)，與管材材質(zhì)無相互關(guān)系。

3.9 接口方式

球墨鑄鐵管管節(jié)連接采用承插口形式，自帶防水橡膠圈。局部特殊節(jié)點采用法蘭盤連接。Ⅱ級混凝土管管節(jié)連接采用承插口或企口形式，自帶防水橡膠圈。特殊情況下也可采用剛性連接方式。HDPE 管采用熱熔形式，屬柔性連接。

3.10 管道接口滲透性

由江蘇某市調(diào)研排水接口滲透性數(shù)據(jù)分析可知，混凝土柔性接口管實際滲水量比剛性接口管低近5倍；混凝土剛性接口管、混凝土柔性接口管、化學建材管及球墨鑄鐵管閉水試驗滲水量依次成倍減少；以DN500管為例，化學建材及球墨鑄鐵管允許滲水量為混凝土管的1/12，呈數(shù)量級變化。

3.11 力學性能

從材料上，球墨鑄鐵的彈性模量約為2×105MPa。Ⅱ級混凝土的彈性模量約為0.34×105MPa。HDPE 的彈性模量約為0.01×105MPa。

但由于同等管徑Ⅱ級混凝土管壁厚約為球墨鑄鐵管壁厚的10 倍，因此相對來講Ⅱ級混凝土可承受的外來壓力要比球墨鑄鐵稍大。相比之下，HDPE 管易變形，易發(fā)脆，易開裂，可承受的外來壓力較差。

一般地，污水管道埋深相對不大，外來壓力較小，因此球墨鑄鐵管、Ⅱ級混凝土相對安全，HDPE 較差。

3.12 對不均勻沉降的適應(yīng)性

3 種管材都采用承插式柔性接口，都能較好地適應(yīng)不均勻沉降，減小地基不均勻沉降帶來的拉裂。

3.13 后期維修

當球墨鑄鐵管局部損壞時，由于球墨鑄鐵焊接性能較差，故一般建議整節(jié)替換或在損壞處用鋼套箍包裹。當Ⅱ級混凝土管局部損壞時，建議整節(jié)替換。當HDPE 管局部損壞時，一般采用整節(jié)替換。回收利用率方面，球墨鑄鐵管回收價值相對較高，HDPE 管相對一般，Ⅱ級混凝土管基本無回收利用價值。

4 全生命周期下經(jīng)濟分析

根據(jù)上節(jié)基礎(chǔ)資料，進行鋼筋混凝土管、HDPE 管和球墨鑄鐵管三種管材的全生命周期[3]下的經(jīng)濟分析。管道埋堔選擇具有代表性的3m 和5m，管徑選擇具有代表性的DN300mm、DN500mm、DN600mm、DN800mm、DN1000mm、DN1200mm、DN1800mm、DN2000mm。

埋深3m 不同管徑下的綜合單價分析如圖4 所示，埋深5m 不同管徑下的綜合單價分析如圖5 所示。從圖4 和圖5 分析可知，從全生命周期角度來看，球墨鑄鐵管在3 種管材當中綜合單價是最低的，具有巨大的優(yōu)勢。

圖4 埋深3m 不同管徑下的綜合單價分析

圖5 埋深5m 不同管徑下的綜合單價分析

5 結(jié)語

通過對混凝土管、HDPE 管和球墨鑄鐵管三種排水管材的全生命周期下技術(shù)經(jīng)濟比較分析，推薦廣州地區(qū)適宜的排水管材優(yōu)選順序依次為排水球墨鑄鐵管、Ⅱ級混凝土管、HDPE 增強中空壁纏繞管，建議適時推廣使用，必將對實現(xiàn)廣州地區(qū)排水管材高質(zhì)量發(fā)展[4-5]產(chǎn)生巨大的推動作用。