山地城市排水管材比选研究

姜丽

（太原市市政工程设计研究院 山西 太原 030002）

0 引言

排水工程在城市建设中占有很大的比例，是指收集和排出人类生活、生产污水、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区域的城市，其地形结构繁杂、生态完善多样[1]。山地城市最大的特点就是城市构造复杂，具有明显的坡度和起伏度，具备充分利用地形的高差来组织排水系统的优势，然而由于山地城市沟谷丘陵、陡坎梯道多，又会导致其排水系统复杂，管道坡度大，工程建设难度高，这就需要设计人员在使用排水管道时，能通过多方面的必选，更好发挥各种排水管材的特性，从而为山地城市排水系统的优化设计和管理维护提供指导。

1 中国城市排水管道及设计流速现状

1.1 排水管道

建国初期，中国城市排水管道基本采用砖砌或石砌排水渠道。之后，随着中国经济的发展，开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，还降低了排水工程成本。现阶段，随着国内外各种新技术的不断突破以及新材料的不断出现，中国市政排水管材种类繁多，如钢筋混凝土管或金属管等，尤其以塑料管和复合管为代表的新型管材使用较多，同时管材的设计理论和施工技术也得到发展和完善。

1.2 设计流速

中国2016 版的《室外排水设计规范》规定，金属管道最大设计流速为10m/s，非金属管道为5.0m/s，但非金属管道经过试验验证在安全的前提下可适当予以提高。同时，实践证明在污水管渠中计算得到的设计流速超过规范规定时，非金属管渠仍然可以长期稳定工作。根据塑料管道试验结果，显示聚乙烯管的耐磨性优于钢管，因此，也有专家建议将山地城市非金属排水管的最大设计流速增加。

2 山地城市排水特点及排水管道存在问题

2.1 山地城市排水特点

山地城市的城市形态与生态环境与平原城市不同，其最大的特点就是城市构造复杂，具有明显的坡度和起伏度。对于排水而言，山地城市排水与平原城市相比存在明显的差异[2]：

（1） 城市的空间结构受地形的严重影响，需合理利用有限的山地资源，导致城市道路纵向坡度大排水管道具有很大的落差，排水管道敷设方式变化多样，且以架空及埋深较大敷设为主；

（2） 城市的空间布局在原有的基础上需依据地形的自然起伏修建，而地质条件变化明显，导致排水管道的纵向稳定较差，容易发生不均匀沉降。

2.2 山地排水管道存在问题

城市中排水系统的设计一般会在充分调研城市地形地貌的基础上，因地制宜设计，如利用天然的地形落差组织排水，以通过重力形成的势能降低排水成本。

然而，在山地城市排水管道敷设时，因陡坎梯道较多，地质条件复杂，总得来说存在以下问题：

（1） 依据地面铺设管道导致管道坡度过大形成的冲刷磨损；

（2） 山地城市沟谷丘陵交错使排水管道安全稳定要求提高；

（3） 为了满足规范设计要求导致排水管施工工程量大；

（4） 受地形限制导致排水管网整体性差且集中困难；

（5） 地形起伏过大沉降不均导致排水管道的连接处出现接口错位；

（6） 城市建设的快速发展使排水管道断面尺寸已不能适应新形势等。

3 山地城市排水管材比选分析

市政排水管道一般都是沿着市政道路或是人行道进行铺设，车辆、行人、水流等外界因素的长期影响极易造成管道破坏。为此，相关人员在选择市政排水管材是应该全方面的综合考虑。

3.1 排水管道选用依据

3.1.1 选用原则

为了保证市政排水管道在后期使用过程中坚固可靠，有较长的使用寿命，从宏观来讲，需要遵循国家标准、外观标准、质量标准、环保标准、经济性标准以及回收利用标准等。其中，国家标准指遵循国家相关部门制定的建筑行业标准；外观标准指需要选择外观光滑平整，没有明显凹凸起的管材；质量标准是排水管道选用过程中最核心的部分之一，对排水管道材料选用时一定要严格依据相关的质量标准；环保标准指应该选用通过环保的工艺生产出来的排水管材；经济性标准指选择性价比高的管材，消耗最少的资金获取最好的管材；回收利用标准指应尽量考虑可以重复利用的管材材料。

3.1.2 影响因素

因山地城市特殊的地形及构造，其排水管道选用时还要考虑如下4 点：

（1） 施工环境与深度。一般而言，管道埋设深浅程度以及施工的难易程度都会影响工程造价，如在常年气温在0~40℃之间的山地城市，在土壤干燥的环境时污水管道最大埋深不超过8m。

（2） 接口形式与物理性能。市政排水管网一般布置在道路下面，且有较长的使用年限，因此对管道密封性要求较高，不能漏水、渗水，管道的内壁面应整齐光滑，且管材要具有较强的抗腐蚀性，同时不同的排水管材要采用不同的连接方式，以保障排水管道的密封性，并不易被破坏。

（3） 施工技术。在施工条件较差的情况下，建议采用单根排水管道较长的管材有效减少管段接头，施工方法包括维护开挖、大开挖等。在地基承载力差的环境下，可以采用带有一定韧性排水管材。

（4） 其他因素。在山地城市等一些特殊的地区由于地形等因素的影响，要充分考虑其运输安装的成本，尽可能就近就地取材。

3.2 常用排水管材及评判标准

3.2.1 初选管材

目前，随着社会的不断发展进步，传统的钢筋混凝土以及金属排水管道抗腐蚀性差等缺陷逐渐凸显，塑料管和复合管等新型管材得到大力的推广与应用。然而，由于材料本身与技术性能的差异以及价格的差异，在山地城市排水管选材时也需对以下常用6 种管材进行初选。

（1） 钢筋混凝土管。此类管具有生产工艺简单、硬性较强、抗压性较好、使用寿命长以及有利于资源的反复利用（可以利用一些固体废弃物进行加工） 等优势，但也存在接口多、施工难度大及抗侵蚀、抗渗性能差等缺陷，且管道内壁的糙率系数大，在使用一段时间后，因细菌的滋生繁殖使其实际可用内径逐渐缩小，同时受到腐蚀等损坏导致其后期的维护费用很高。因此，在地质条件不佳以及排放液体含有强腐蚀性地区谨慎使用，以免因不适用而返工造成较大的损失。

（2） 钢管。钢管属于金属管的一种，大致可分为不锈钢管、无缝钢管、焊接钢管。钢管的抗压、抗震、抗渗透性好，对内部通过的水流阻力小，但是抗腐蚀性能差，成本远高于混凝土管，且金属离子会有一定的析出，严重时会污染周围的环境。因此，钢管应避免在强酸或者是强碱等强腐蚀地区使用，而只会在管道承受高压或对渗漏有要求等特殊地段使用。

（3） PE 管。PE 管属于塑料管的一种，在专门的管道制造及其中经特殊工艺和手段挤压加工而成。PE 管具有耐腐蚀性强、质量轻、外形多变、运输方便，同时管道与管道的连接处密封性很好，安装简单等特点，但其不能承受较大的冲击，刚性、平直性较差，且在燃烧的过程中会释放大量污染环境的有害气体和烟雾。因此，可以利用其良好的韧性在软土地基地区使用，而要避免在极冷和极热的环境下使用。

（4） 双壁波纹管。双壁波纹管也属于塑料管的一种，其具有塑料管的所有优势，且在原材料上更加经济，力学性能更加良好，不容易受周边环境变化和管道内介质的影响。因此，其在大多数条件下均可使用。

（5） 玻璃钢夹砂管。玻璃钢夹砂管是在排水管行业新出现的主力军，属于一种非金属柔性复合管材。此类管主要原材料是玻璃纤维以及其制品，具有耐侵蚀性好、自重小、水利条件好等优势，但是价格较高，且低温时易变脆，强度减小。因此，目前广泛适用于大、中口径污水排放、城市给水等领域，但在寒冷的地区要谨慎使用以及保温措施。

（6） 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管。作为近年来发展起来的一种HDPE 与钢带熔融复合的新型高密度塑料埋地排水管，钢带增强聚乙烯螺旋波纹管以高密度聚乙烯(PE)为基体，结合钢材的高钢度、高强度和PE 的柔韧、耐腐、耐磨，具有抗折与抗扭曲能力强，韧性、水力特性、抗震性能好，重量轻、耐化学腐蚀等优点，被广泛应用于市政管道工程。

3.2.2 评判标准

按照技术性能划分，排水管道可以划分为柔性管和刚性管两类。排水管道在使用中因使用环境不同或者管道本身材料不同，在对市政排水管道的选用时就应该全方面的考虑，但是又不可能同时考虑到所有的设计参数都达到最优的工况，因此为了保证管道在使用过程中不会出现安全性等问题，则必须将管材的各技术性能指标进行重要性排序，从而在选材时以必须着重考虑一些重要的使用参数为原则。通过对常用几种排水管材经济技术性能对比可知，从技术性能来看，技术性能由好到次排序依次为：钢带增强聚乙烯螺旋波纹管>PE 管及双壁波纹管>玻璃钢夹砂管>混凝土管和钢管；对综合造价而言，综合造价由低到高排序依次为：混凝土管

4 山地城市排水管材应用对策

排水管道的铺设一般是沿着市政道路或者是根据地形就势。在排水系统方面，与平原城市相比，由于山地城市特殊的地形落差大造成了管道内的流速过大，故而便有了山地城市管道铺设与设计流速二者之间的博弈。

而通常情况下，在山地城市排水管道设计及施工中，为了降低管道内水流流速就得增加开挖量或是设置跌水井，但是这样会大大增加工程的难度及造价，为此，可选择设计流速较大的金属管道，但是值得注意的是，金属管道成本很高，为防止造成适得其反的效果，需避免大面积使用。目前，随着工业技术的发展以及大量新材料新工艺的出现，为适应复杂情况的市政排水管材提供了更广阔的选择空间，尤其在环保资源可循环利用的大前提下，塑料排水管和复合管等新型管材的应用越发广泛。而且，现阶段已开发出了塑料排水系统检查井，并已通过大量的实践验证，通过其能有效解决新型管材与检查井的连接问题。为此，在排水系统方面，基于工程总造价和设计流速过大的问题，山地城市可以较多的运用塑料排水管和复合管等新型管材，同时要将相关的规范以及监管措施到位防止出现市场的混乱。

5 结语

综上所述，山地城市最大的特点就是城市构造复杂，具有明显的坡度和起伏度。相较于传统的排水管材，钢带增强聚乙烯螺旋波纹管、双壁波纹管及PE 管和玻璃钢夹砂管有较强的抗冲刷能力，适合于山地城市的排水。同时，基于工程总造价和设计流速过大的问题，山地城市可以较多的运用塑料排水管和复合管等新型管材，且要将相关的规范以及监管措施到位防止出现市场的混乱。