从排水管网生命周期看雨污水管材选择
2018-05-21 15:35:03“城市水体黑臭在水里，根源在岸上，关键在排口，核心在管网。”管网在黑臭水体治理方面的核心作用已被普遍认同。新兴铸管股份有限公司，肩负起央企的责任，一直关注我国供排水事业的发展，并将多年研究出的新型适用管材——排水用球墨铸铁管推向市场，致力于解决我国黑臭水体的治理问题。
在第四届长三角（苏浙沪）排水与污水处理研讨会上，新兴铸管股份有限公司市场部技术总监李华成从雨污水管道工程四个环节——产品、设计、施工和验收进行全面阐述，分析问题所在，给出确实可行的方法；以管道结构安全为基础，从管道全生命周期的角度评价管材的经济性。相信读者在读罢此文后，将会对排水管材的选用有更深的理解和新的收获。
目前我国市政排水管网上使用的管材主要有：预应力混凝土管、球墨铸铁管、PE双壁波纹管和玻璃钢管。我国排水管材出现的问题比较多，并最终导致了黑臭水体，从源头上来说，我国排水管材的技术标准和规范有待提高。管道工程涉及四个环节：产品、设计、施工和验收。如果这四个环节不能完全协调好，最后的工程质量就难以得到保证，所以，产品、设计、施工、验收四个环节的联动显得非常重要。产品方面要与设计有互动，产品的厂家应该要将与设计有关的设计参数和计算方法提供给设计人员，设计人员应该根据管线的工程条件和产品本身的技术参数来进行计算。比如，对排水管来说，最重要的是在设定埋深的情况下，对覆土荷载和交通荷载进行结构安全的核算。如果没有设定参数，设计人员就没办法计算，这就是产品与设计之间的联动。还有施工方面，应该要对产品进行抽检，要看产品是否达到设计要求，然后再按照我国规定的施工规范进行施工，或者是按厂家提供的技术手册进行施工。最后是验收，就是对产品、设计、施工三个方面进行全面综合的考量，来验证工程质量是否达到运行标准。所以这四个环节应该都是联动的，每个细节的把握好坏都关系到整个工程的成败。
管材选择有着基本原则，并根据管材综合成本确定最终的管材：
Ø 在保证管材结构安全的基础上，尽量保证管材的经济性；
Ø 在全生命周期的时间范围内，考虑管材的经济性；
Ø 建立管材的评估体系，将管材成本、施工成本、管材的破损程度、维修次数与费用等全部纳入评估体系；
Ø 将管材分级，根据工程条件确定使用相应的管材。
管材选择时，应根据管材特性及工程条件确定合适的管材：
Ø 中心商业区（维修允许程度）
Ø 雨污水压力管或重力管
Ø 管线埋设深度
Ø ≥DN1000雨污水管线
Ø 地质复杂区域
Ø 非开挖施工地段
Ø 综合管廊内雨污水管线
Ø 明装雨污水管线
Ø 土壤腐蚀程度
Ø … …
材料力学性能是管材最基本的参数，也是判断管材质量合格与否的最直接指标。用户单位应当在施工现场随机取样，并送检到第三方权威机构，不合格的管材应当拒收。中央电视台分别在2015年和2018年两次报道了塑料管材掺加回收料的问题。白居易有诗云：“商人重利轻别离”。但也不能完全责怪商人，我们的用户单位也应该加强对所用材料的管理。GB/T19472.1《埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统 第1部分 聚乙烯双壁波纹管材》附录A的表格中规定管材的拉伸强度为20.7MPa，而在GB/T13663《给水用聚乙烯PE管材》中的PE管原材料性能表中规定PE100最小要求强度为10MPa，这两个标准对于材料强度表述是矛盾的，与国际标准比对后，可以确定GB/T19472.1中PE的拉伸强度是错误的。如果标准都是错的，那么管材的质量又如何能得到保证呢？
预应力混凝土管的预应力钢丝检验非常重要。CECS140《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》中提到：预应力钢丝应采用高强度碳素钢丝，直径不得小于4mm，其物理力学性能指标除应符合现行国家标准《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223的规定外，尚应满足下列抗扭试验的规定：
采用由钢丝盘卷端直接剪下的钢丝作为试样。试样在扭转机和两夹具间的长度为200mm。在相当于0.5％～2.0％的钢丝最低断裂强度的轴向力作用下，测试试样断裂时的扭转圈数，对直径为4mm、5mm的钢丝不应少于8圈，对直径为6mm、7mm的钢丝不应少于6圈。试样的扭断裂面上不应出现沿试样长度方向延伸的螺旋形（纵向）裂缝。
管材的选择，一定要在保证结构安全的基础之上考虑管材的经济性，如果不能保证结构安全，其他都无从谈起。现在的修复技术，很多都不是结构性的修复，而是工艺类的修复。所以各种管材最重要的基础就是能够保证管道的结构安全。
管材的结构设计应当满足以下两个原则：
Ø 外荷载的要求：管线的埋深≤管材的最大允许埋深；
Ø 内水压的要求：雨水或污水最大流量时产生的压力冲击波≤管材的最大允许工作压力。
式中：
Δ: 管子径向变形
K：变形系数
S：管道环刚度
E’:土壤弹性模量
Pe:土壤荷载
Pt: 交通荷载
柔性管材最重要的指标是环刚度，建议排水管材的环刚度不应低于10KN/m2，并建议针对环刚度进行现场抽检。
预应力混凝土管结构设计比较复杂，可以采用GB50332《给水排水工程管道结构设计规范》和CECS140《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力混凝土管管道结构设计规程》的计算方法，并在下列设定的边界条件下制作结构设计计算书。另外，AWWA MANUAL M9《混凝土压力管》是一本很好的参考书，该资料给出了详细的计算方法和步骤，在设定的边界条件下进行轴向应力、弯矩应力以及剪切应力计算，以检验钢丝配制是否合理。
GB50014《室外排水设计规范》中的4.3.4条规定：管道接口应根据管道材质和地质条件确定，污水和合流污水管道应采用柔性接口。但要保证承插式接口完全密封，还应当具备下列条件：
Ø 承插口应保证足够的环刚度，以抵御内外荷载；
Ø 胶圈应得到充分的压缩，以保证密封；
Ø 接口应能在吸收热胀冷缩的变化下，保证密封；
Ø 接口应能在承受适当的地基沉降情况下，保证密封。
球墨铸铁管的产品标准规定了各种条件下的接口型式试验，保证了接口的密封性能，值得其他管材借鉴。生产厂家应提供接口保证性试验报告作为接口保障措施，该试验可以在第三方权威机构的试验室内安装并完成，或者厂家内安装并在第三方权威机构鉴定下完成。保证性试验方法遵从各类管材的产品标准，但基本条件是应当证明工程最不利条件下接口完好密封。
金属管材存在腐蚀问题，应当做好防腐；但并不是说，塑料管材就可以高枕无忧了，因为塑料管材存在老化问题。
我国的预应力混凝土管腐蚀问题十分严重，防腐技术必须大幅提高。一方面，我国正在推广各类内衬修复方法，另一方面，预应力混凝土管防腐技术依然裹足不前。能否在新建混凝土管道上采用聚酯树脂油毡、玻璃增强聚酯树脂油毡等材料？难道非要亡羊补牢吗？
目前，排水用球墨铸铁管采用的是铝酸盐水泥内衬（俗称高铝水泥），经各类试验以及实际工程检验，在防腐蚀、耐磨损、耐酸碱等方面都表现优异，是很好的经济适用型的防腐材料，这种材料值得在混凝土管上推广。
塑料管材的老化问题应当引起注意，所以应当加强塑料管材的老化试验措施，否则，管材长期的结构安全难以得到保证。例如，长期环向弯曲性能试验就是一个重要的老化检测试验：对一组试样，通过施加不同的恒定外荷载，测出每个试样破坏时间，换算出相应的弯曲应变，再由回归曲线外推至50年后弯曲应变，即为长期弯曲应变。
建立管材评估体系，从而在全生命周期来考察管材的综合成本，才能科学地展现管材经济性。这里以DN1000球墨铸铁管与预应力混凝土管为例，以现有德国排水管材维修费用为依据，来估算管材的综合成本，仅供读者参考。
