城市排水管网管材设计选型分析
摘要：随着习近平总书记“两山论”的深入人心和各地对“生态优先 绿色发展”理念贯彻落实，城市污水管网建设项目日益增多。当前市场排水管材种类很多且差异较大，所以如何制定出满足项目需求、适应当地环境，且能更好平衡各相关方利益诉求的管材选型方案，是保证项目顺利实施的关键。文章拟对管材设计选型各影响因素进行分析，以期为同类型项目管材设计提供借鉴意义。
在国家工业化过程中，城市化进程得到了急速发展。2018年统计数据显示，人口超过千万的城市达13个，人口超过600万的城市达59个。目前城市老旧管网病害严重，人口集聚也给水生态环境带来巨大压力，现亟需对雨污管网进行治理，解决城市黑臭水体顽疾。而排水管道种类很多，且新型管道还再出现。所以城市排水管网设计选型时，如何选择最优管材方案，对保障项目顺利实施具有重要意义。
一、排水管道分类及常见管道类型
排水管道按材质分可分为金属类、非金属类；
金属类排水管分为黑色金属和有色金属管道，常见有镀锌铁管、铸铁管、不锈钢管等。
非金属类管道分为有机型和无机型，混凝土管是常见的无机非金属管道，有机非金属管道主要有塑料管道、玻璃钢管道、橡胶管道、复合材料管道等。
目前城市排水管网主要使用钢筋混凝土管和HDPE管（高密度聚乙烯管），HDPE管又分很多种类。下文通过对钢筋混凝土管和HDPE管性能特点进行分析，综合考虑项目相关方利益诉求和市场、环境因素，总结管材设计选型原则，以期为同类型项目提供参考价值。
二、钢筋混凝土管与HDPE管性能特点
（一）优缺点简述
1、钢筋混凝土管
优点：强度高、刚度大、承载能力强，安全系数高，制造成本低、就地取材。
缺点：生产效率低，内壁粗糙，安装效率低、接头多、密封性差，运输困难、接口易破损，受环保检查影响，价格及供应保障能力不稳定。
2、HDPE塑料管道
优点：重量轻、韧性好、抗震性能好，水力特性好，抗腐蚀能力强、寿命长，生产安装效率高、密封性好。
缺点：成本高、市场混乱，种类多、质量参差不齐。
（二）钢筋混凝土管与HDPE管道主要性能特点比较
1、水力特性
HDPE管内壁光滑，粗糙率为0.009~0.01，钢筋混凝土管粗糙率为0.013~0.014，实验证明，同样坡度下HDPE管排水能力较混凝土管高20%-40%，通过下表得知，直径越小，HDPE管水力特性优势相较于混凝土管越明显。同时混凝土管通水后，内壁易出现长草、积淤现象，有碍正常排水。所以管径较小的情况下，应避免使用钢筋混凝土管。我公司西南地区A市排水管网设计中，600mm及以下管道全部使用HDPE管道。
2、连接方式及密封性
混凝土管常采用橡胶圈密封连接。但因管道表面粗糙，密封性较差。其次，混凝土管重量大，安装较困难，易造成橡胶圈卷曲、撕裂、挤出等情况。另外，钢筋混凝土管每根2m-2.5m（塑料管通常每根6m），接头数量是塑料管道的2.4-3倍，故接头密封失效概率也更高。所以在抗渗要求高、安装条件复杂的工况下，尽量不选取钢筋混凝土管。
3、使用寿命
生活污水和雨水有一定腐蚀性，在60℃内HDPE管材对酸碱都具有很好的抗腐蚀性，而混凝土管的耐腐蚀性相对较弱，长期处于酸性环境时，容易变酥变脆，直至管道破坏。根据我公司西南地区A市项目管网普查情况，混凝土管的寿命一般为15年至20年, 而根据欧美早期使用结果，HDPE管材使用寿命可达50年，优势明显。
4、管道铺设
HDPE管重量轻，安装过程对吊装机械依赖程度低，例如：6米DN600型HDPE管重量约120kg，2-3人即可配合安装，方便省力。其次HDPE管通常每根6m厂，钢筋混凝土管每根2-2.5m，安装接头少、安装效率高。所以在工期紧张或作业面狭窄条件下，应优先选择HDPE管。
5、经济性分析
通过市场调查，HDPE管出厂单价约是钢筋混凝土管的1.5倍-3倍，但前者使用寿命却是后者的2-3倍，前者虽然一次性投入较多，但长远看成本并不高。而且混凝土管道生产厂家通常在城市周边，运输成本也较HDPE管更低，尤其大管径管道，混凝土管性价比更优。
6、力学性能
钢筋混凝土管最大的优势是整体性好、刚度大，承载能力高，在城市主干道管网中占有绝对优势。HDPE管材抗压能较力差，管径较小的情况下，管道与土壤可形成一定的管土共同抗压能力，而随着管径增加，单位截面承载变大，HDPE管易出现变形塌陷等情况。
综合对比看HDPE管各优势明显，但如果设计管径大或管道位于主干道下，钢筋混凝土管优势仍十分明显。例如：我公司在西南地区A市排水管网设计中，综合考虑各项因素后，最终确定800mm及以上规格的管道采用钢筋混凝土管，其余采用HDPE塑料管。
（三）HDPE排水管道类型选取要点
HDPE管多达十余种，如：双壁波纹管、克拉管、钢带增强管、塑钢缠绕管、钢塑复合管、内肋增强管、中空壁塑钢缠绕管等。HDPE管道设计选型时，应着重考虑以下因素：
1、产品竞争程度
HDPE管材类型众多，设计时应首选市场化程度高、供应商资源丰富、竞争充分的产品，这样有利于谈判采购和供应保障，同时应避免使用地域属性强、缺乏有效竞争的产品。
2、管道结构特点
HDPE管按制造工艺可分为挤出成型和缠绕熔接成型，大多数HDPE管属于缠绕熔接；双壁波纹管是挤出成型管代表。
受模具限制双壁波纹管主要是DN600以下规格，该管道生产效率高、安装方便，但综合性能不如缠绕熔接型管道。缠绕熔接型管道环刚度高、纵向抗拉能力强，在局部受压后，外力可通过加强肋传导疏散。同时缠绕型管道波峰状结构增加了与土壤接触面积，提高了管土共同抗压能力，提升了使用稳定性。
所以在设计选型时，在地形复杂、承载力要求高的环境中宜使用增强肋宽大的缠绕型HDPE管道，而在绿化隔离带、人行道、农田等环境中可使用双壁波纹管或其他同类型造价较低的管道。
3、环境适应情况
HDPE管按材料可分为全塑型和钢塑复合型。目前HDPE原材单价12000元/吨，钢带单价5000元/吨，同等环刚度条件下，钢塑复合管成本更低，相同重量条件下，钢塑复合管环刚度更高，抗压能力更强。但由于钢带与管材母体膨胀系数相差较大（PE=0.195mm/m.k , 钢=0.012mm/m.k），温差较大的环境中，钢带容易与管材分离，甚至割断管材母体。
如果在沿海城市或污水污染程度较高的地区，管道裂隙和接口处密封不严均还会导致污水、海水进入钢带与母材裂隙，加速材料腐蚀，破坏管道结构。
所以在沿海城市或污水污染程度较高的地区宜选用全塑料型HDPE管道，以保证特殊环境下管道的耐久性；在内陆常年温差较小的地区，可以选择钢塑复合管，在满足项目功能要求情况下，能进一步降低工程成本。
4、接头连接方式
HDPE管常见连接方式有不锈钢卡箍连接、热缩套连接、电热熔连接、承插式橡胶圈连接等。无论何种连接接头，与管道成本本身相比无足轻重，但却会对工期进度、安装质量产生巨大影响，不同接头方式对比情况如下：
*补充说明*：
1)适用范围：
热缩套几乎适用于所有HDPE排水管连接（管道自带接头结构情况除外，如承插口），适应性最强；不锈钢卡箍组件多，成本较高，较热缩套适用范围小，抗腐蚀能力差；电热熔连接或承插橡胶圈连接方式仅适用带承插式接头的排水管道。
2)自然条件适应性：
承插式橡胶圈密封连接和不锈钢卡箍连接方式适应性最强，不受风雨天气限制；电热熔连接方式雨天不可施工，大风天气下虽然可以施工，但会严重影响热熔速率和安装速度；热缩套连接方式适应性最差，风雨天气下均不能施工。
3)工人素质要求：
以上接头连接方式中，热缩套连接最为复杂。首先热缩套连接需要火焰以合适的温度全部烘烤，其次要把热收缩管与管才间的气体全部排除，使其与管材全部贴合，最重要的是热缩套连接时，需要对管道翻滚以便焊接热缩套下端面，但是管道连接过长或者管道已固定时，接头焊接很容易出现焊接质量问题。所以热缩套连接的每一步对工人技能和责任心都有着较高的要求。
4)接头属性：
电热熔承插连接属于刚性连接，其余三种属于柔性连接。电热熔接头在安装后如有扭动、弯曲等动作，或者承载过大，容易造成开裂开裂、导致密封失效。
所以管材设计选型中，应充分考虑工期要求、项目当地自然条件地质环境以及施工队伍工作整体素质，选择适合的管道接头连接方式。如：A地风雨天气较多、工期紧张，宜选择承插式橡胶圈连接和卡箍连接管道；B地常年干燥炎热，宜选择承插式热熔连接和热缩套连接管道；C地处于地震带，且管道位于主干道下，则不宜选择电热熔承插式连接管道，而应该采用其他柔性连接接头管道。
三、管材设计选型其他影响因素分析
管材设计选型，除满足功能要求外，还应着重考虑以下因素：
（一）各相关方利益诉求
为保证项目顺利开展，减少后期实施阻力，设计阶段还应充分识别项目利益相关方，分析其在管材选择、使用方面的利益构成，综合考虑各相关方影响力和重要性，最大限度平衡利益诉求。
管材设计选型应考虑政府主管部门、建设单位、施工单位，甚至地方企业商会、协会等利益相关方对项目设计或后续使用可能产生的影响，部分利益方不会影响管材设计工作，但会在后期使用中影响保障供应。比如A地区某行业协会，组织控制对行业产品限产限量，搞饥饿营销，给项目造成了巨大损失。所以在设计选型阶段应着重分析可能会给项目带来负面影响的相关方，采取相应措施规避或减少相关风险。
（二）市场供应环境
主要指目标管材潜在供应商分布情况、供货保证能力和竞争情况。设计选定的管材市场应是一个供应充足、竞争充分，受外界环境影响小的产品。比如考虑选择钢筋混凝土管时，应对环保督促期间供应商的实际供应能力进行调研；再如优先选择项目周边一定范围内有较多生产商的产品。总之设计选型要内外兼顾、全面考察调研周边市场供应情况。
结束语
综上所述，城市水环境治理项目在排水管材设计选型中，应本着质量技术可靠、经济适用可行的原则，充分考虑管道质量技术特性、施工进度需求、施工现场条件、相关方利益诉求、产品市场环境，对接城市中远期规划情况，因地制宜选定最优管材选型方案，维护项目整体利益，保障项目顺利实施。
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