全生命周期下排水管材技术经济分析

唐棋

［知城（广州）建设工程有限公司，广东 广州 510000］

0 引言

城市市政排水管[1]是现代城市发展必不可缺的重要基础设施，市政排水管在地下纵横交错，好像城市生命的脉络，对于城市正常生产生活的保护有着非常重要的意义。广州市作为超大型城市，全市已建排水管道总长度已达12000 多公里，使用年限大都为25 年以上。受不同时期施工技术水平、地面沉降、管材质量及管道腐蚀等诸多不利因素影响，广州市市政排水管道错位、裂缝、脱节甚至坍塌等现象持续增多，促使广州市排水管道的完善、更新工作迫在眉睫。而市政排水管材种类繁多，特别在广州市排水管材选择中，缺乏统一的标准和指导意见，通过对广州市已经使用的排水管道的情况分析，结合技术经济比较分析，为广州地区适应性排水管材的选择提供参考。

1 广州市排水管道建设情况

根据《广州市污水治理总体规划修编》，规划共分为67 个污水处理系统，72 个污水处理厂。以污水总规为指引，全市生活污水处理能力从2008 年的228.6 万t/d 提升至2018 年的548.0 万t/d，已建污水管网总长约12147km。管道建设情况如表1 所示。

表1 管道建设情况

2 广州市排水管材使用情况

由于历史原因，早期缺乏对排水管材材质的统计分析，根据相关管材指标研究，抽取了相关资料并进行统计分析，排水管材使用情况统计如表2 所示。

表2 排水管材使用情况统计 单位：m

3 技术性分析

根据广州市实际使用的排水管材[2]情况，这里仅选择钢筋混凝土管、HDPE 管和球墨铸铁管3 种管材进行技术比较。

3.1 重量

对于埋深小于6m 的浅埋管道，当采用球墨铸铁时，其壁厚一般取管径的1%即可满足要求。若混凝土管壁厚通长为管径的10%，HDPE 管壁厚可取管径的5%。

故管径相同条件下，混凝土管重量约为球墨铸铁管重量的3.16 倍（7.85/2.48），为HDPE 管重量的5 倍（7.85/1.57）。

3.2 地质适应性

球墨铸铁、Ⅱ级混凝土管及HDPE 管都有较强的地质适应性，可广泛适用于填土层、淤泥软弱土层、粉质黏土层、中粗砂层、残积层及全、强、中、微风化岩层。

3.3 地下水位

球墨铸铁管、Ⅱ级混凝土管、HDPE 管都可适应于不同高度的地下水位，几种管材对地下水的适用性差别不大。

3.4 耐久性

球墨铸铁管碳以球状游离石墨存在铁中，化学性质较为稳定，且不易发生脆裂等破坏。内防腐一般采用水泥砂浆，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆，耐腐蚀性能指标好于钢管，可较好抵挡污水及地下腐蚀性水的侵蚀，使用寿命50 年左右。Ⅱ级混凝土管采用高强度混凝土预制而成，性能稳定，同样具有较高的防腐性能。使用寿命50 年左右。HDPE 管化学性能稳定，但不耐热，熔点低，表面硬度小，易刮伤。使用寿命有一定的局限。根据现有的工程经验，在使用20 年后出出现不同程度的变形破坏等问题。当地下水为微、弱、中、强等腐蚀时，球墨铸铁管、Ⅱ级混凝土管及HDPE 管都有较好的防腐性能，三者区别不大。但当球墨铸铁添加微量的特种元素时，防腐性能还可再提高，但造价也较高。

3.5 地基处理

当管基所在持力层地质情况较好时，一般采用天然地基；当局部存在小于2m 厚的较差土质时，可采用换填1：1 粗砂碎石进行处理；当软弱淤泥层较厚时，可采用压填毛石方法，此方法施工周期快，成本相对较低；也可采用搅拌桩或旋喷桩复合地基方法。复合地基处理方法虽然施工周期较长，成本较高，但在控制工后沉降方面要好于压填毛石方法。

对于同一场地的同一埋深，管基所处地层相同。无论是较好的硬塑粉质黏土陈层，还是较厚的软弱淤泥质土层，由于管基埋设前后附加应力不是很大，故是否要做地基处理、选取哪种地基处理方式主要与地质情况有关，与所选管材关系不大。

3.6 管道基础

当采用球墨铸铁管时，一般采用200mm 厚的带状中粗砂基础，压实度不小于0.9；当采用Ⅱ级混凝土管时，则采用90°~180°的C20 素混凝土管基；当采用球墨铸铁管和HDPE 管时，一般采用200mm 厚的带状中粗砂基础，压实度不小于0.9。3 种管道基础作法分别如图1、图2、图3 所示。

图1 球墨铸铁管管道基础大样

图2 Ⅱ级混凝土管管道基础大样

图3 HDPE 管管道基础大样

3.7 开挖宽度

根据《给水排水管道工程施工及验收规范》2 管槽单侧开挖净宽，可算得球墨铸铁管、Ⅱ级混凝土管、HDPE 管的管槽开挖净宽度如表3 所示。

表3 不同管材管径下管槽的开挖宽度

3.8 支护形式

支护形式与场地地质情况及埋深相关，与管材材质无相互关系。

3.9 接口方式

球墨铸铁管管节连接采用承插口形式，自带防水橡胶圈。局部特殊节点采用法兰盘连接。Ⅱ级混凝土管管节连接采用承插口或企口形式，自带防水橡胶圈。特殊情况下也可采用刚性连接方式。HDPE 管采用热熔形式，属柔性连接。

3.10 管道接口渗透性

由江苏某市调研排水接口渗透性数据分析可知，混凝土柔性接口管实际渗水量比刚性接口管低近5倍；混凝土刚性接口管、混凝土柔性接口管、化学建材管及球墨铸铁管闭水试验渗水量依次成倍减少；以DN500管为例，化学建材及球墨铸铁管允许渗水量为混凝土管的1/12，呈数量级变化。

3.11 力学性能

从材料上，球墨铸铁的弹性模量约为2×105MPa。Ⅱ级混凝土的弹性模量约为0.34×105MPa。HDPE 的弹性模量约为0.01×105MPa。

但由于同等管径Ⅱ级混凝土管壁厚约为球墨铸铁管壁厚的10 倍，因此相对来讲Ⅱ级混凝土可承受的外来压力要比球墨铸铁稍大。相比之下，HDPE 管易变形，易发脆，易开裂，可承受的外来压力较差。

一般地，污水管道埋深相对不大，外来压力较小，因此球墨铸铁管、Ⅱ级混凝土相对安全，HDPE 较差。

3.12 对不均匀沉降的适应性

3 种管材都采用承插式柔性接口，都能较好地适应不均匀沉降，减小地基不均匀沉降带来的拉裂。

3.13 后期维修

当球墨铸铁管局部损坏时，由于球墨铸铁焊接性能较差，故一般建议整节替换或在损坏处用钢套箍包裹。当Ⅱ级混凝土管局部损坏时，建议整节替换。当HDPE 管局部损坏时，一般采用整节替换。回收利用率方面，球墨铸铁管回收价值相对较高，HDPE 管相对一般，Ⅱ级混凝土管基本无回收利用价值。

4 全生命周期下经济分析

根据上节基础资料，进行钢筋混凝土管、HDPE 管和球墨铸铁管三种管材的全生命周期[3]下的经济分析。管道埋堔选择具有代表性的3m 和5m，管径选择具有代表性的DN300mm、DN500mm、DN600mm、DN800mm、DN1000mm、DN1200mm、DN1800mm、DN2000mm。

埋深3m 不同管径下的综合单价分析如图4 所示，埋深5m 不同管径下的综合单价分析如图5 所示。从图4 和图5 分析可知，从全生命周期角度来看，球墨铸铁管在3 种管材当中综合单价是最低的，具有巨大的优势。

图4 埋深3m 不同管径下的综合单价分析

图5 埋深5m 不同管径下的综合单价分析

5 结语

通过对混凝土管、HDPE 管和球墨铸铁管三种排水管材的全生命周期下技术经济比较分析，推荐广州地区适宜的排水管材优选顺序依次为排水球墨铸铁管、Ⅱ级混凝土管、HDPE 增强中空壁缠绕管，建议适时推广使用，必将对实现广州地区排水管材高质量发展[4-5]产生巨大的推动作用。