王宏彦，张晓峰

（武汉市规划设计有限公司，湖北武汉 430014）

1 概述

1996年首次全国城市市政公用设施普查,运行的城市排污管网总长度 119 738.65 km,其中有70%以上的是 20世纪80年代以前铺设的。其主要材质是混凝土管、铸铁管、陶土管以及用砖石砌成的暗渠,目前大多已年久失修,管道腐烂，接头渗漏极为严重,管道破损、塌陷、堵塞时有发生。过去在埋地排水领域多采用传统的钢筋混凝土管，由于钢筋混凝土管为刚性管，基础也是刚性的，当地基较差或处理不当时，极易造成管道和接头的损坏，出现枯水期管道内的水往外渗、丰水期地下水及雨水往管道里渗的现象，对周边环境造成影响。据统计,我国 90%以上的城市水环境恶化,95%以上的城市地下水不符合水质标准,排污管道的渗漏是最大的污染源之一。

随着新材料的开发与推广应用,越来越多的城市排水系统应用了 HDPE 管等新型材料,这些材料的粗糙系数一般远小于传统的钢筋混凝土管,不仅减小了水头损失、增加了排水能力,同时也增加了管道的输送能力。另外,这类管子具有重量轻、耐腐蚀、耐低温和耐磨性好等优点,可以缩短施工周期、降低工程造价和提高管道系统的安全性。

2004年建设部发表公告明确要求在市政工程公用管网中给水和排水领域推广使用塑料管材,上海市有关部门率先于 1998年作出了“推广市政埋地排水塑料管,淘汰水泥排水管”的规定,广州市2003年6月1日起在全市污水管网工程中推广使用塑料管材。现在,HDPE 双壁波纹管等塑料管材被广泛应用于市政排水工程中。

本文分析 HDPE 双壁波纹管等塑料管材在市政排水中的应用效果，对其过流能力和经济性作出评价,供同行参考。

2 HDPE 管的特点

2.1 HDPE 双壁波纹管的优势

高密度聚乙烯(HDPE)双壁波纹管是以 HDPE为主要原料加入必要的添加剂,经挤出成型方式加工而成的具有波纹结构的管材。其管壁截面为双层结构,内壁表面光滑,外壁为等距排列的环形中空波纹结构的管材。以下为 HDPE 管具的特点或优点。

（1）环形波纹结构,具有刚柔兼备的优良力学性能,环刚度大,柔韧性好,抗压、耐冲击。

（2）管道内壁平滑,流体摩阻小,输流量大。输送液体时摩擦阻力明显小于混凝土管，在同等使用条件下输水量可比同内径的混凝土管提高40%，因此可用小口径 HDPE 缠绕管替代大口径水泥管。

（3）中空肋骨结构,重量轻,运输、施工便捷,降低施工费。直径 l 000 mm、环刚度 8 kN/mz 的HDPE 管才约 90 kg/m，是混凝土管的 1/8，便于搬运和施工，不需要搬运吊装设备。

（4）连接方便,接头密封性好,长期运行质量可靠,无泄漏。安全可靠，采用电热熔带或热收缩带连接技术，施工快捷，连接质量高，接头强度大，可确保管内污水不外漏，减少施工时间和费用。

（5）化学性质稳定,耐腐蚀,无毒无污染,属环保管材。耐化学药品性、耐老化能力强，管材以惰性HDPE 制成，化学性质稳定，耐酸、碱、盐能力强，耐污水、废水、化学药品及土壤中腐烂物质的腐蚀，无锈蚀，在输送腐蚀流体或者在腐蚀性土壤中敷设时无须防腐处理。

（6）耐低温,耐磨性好,埋地使用寿命可长，在不受阳光紫外线直射的条件下，使用年限可达 50 a以上。

（7）具有较好的柔韧性，抗沉降性能好。HDPE为高聚物属于黏塑性材料，其柔韧性能较好地顺应地基的不均匀沉降，从而提高管道的抗震能力，不会像刚性混凝土管那样产生脱节断裂现象。适当的挠曲度,可不用管件直接将管材铺设于略弯的沟槽内。

（8）施工几乎不受季节、气温的影响，在-20℃～40℃温度范围内可正常操作。

（9）可回收利用。HDPE 为无毒性材料对土地无害，不结垢，不繁殖微生物，并可再生使用，生产过程中的冷却水可循环使用，无污染物产生，是环保型绿色产品。

基于上述特点，在同等条件下使用 HDPE 管的工程综合造价较其它管材要低，特别是在非开挖牵引管工程中其造价远远低于其它管材，而且其工程质量及可靠性较之钢筋混凝土管都可以得到保证。HDPE 管的使用范围十分广泛，由于HDPE 管独特的结构特性，又使之特别适合地下水位较高、软弱地基、易发生不均匀沉降等地质条件及需要赶抢工期的工程的施工。

2.2 HDPE 管施工的技术要求

2.2.1 HDPE 管的连接

HDPE 管的连接方式一般为热收缩套连接、电热熔带连接。

（1）热收缩套连接将两根管材对直成直线，清除管材表面杂物、水分后，用一块热收缩带缠紧管材接头处，用火焰喷枪稍微烘烤一下使热收缩带与管材粘合在一起，再用另一块热收缩带包在第一块热收缩带上，并用夹片固定好热收缩带，最后再用火焰喷枪从热收缩带中心部分上下均匀加热，再左右向外进行加热，使热收缩带完全收缩包裹在管材上。

（2）电热熔带连接将两根管材对直成直线，清除管材表面杂物、水分后，用一块电热熔带包紧管材接头处并用扣带扣紧，接上电热熔机开机，设定加热时间及电流强度，在热熔过程完成后，再次扣紧扣带，待冷却一定时间(一般冷却时间为冬季 l 0 min,夏季 20 min)后才可松开扣带。不同口径管材的通电电流、加热时间见表1。

表1 不同口径管材的通电电流、加热时间

2.2.2 HDPE 管与检查井的连接

HDPE 管从管沟伸入井内，管道受到从硬到软及从软到硬两种不同的支撑，因而需要采取措施防止井、管之间的渗漏，使管道得到均匀的支撑，防止剪切或集中荷载的发生。管道与井壁间连接的方法有下列两种。

（1）检查井采用砖砌、混凝土浇筑而成，可在管材与井壁衔接部位的外表，用聚氯乙烯粘结剂均匀地涂抹一遍，而后在上面撒一层精砂，再用水泥砂浆砌入检查井井壁内。

（2）管道处于软土地基或低洼、沼泽、地下水位高的地段，可以用一节 0.5～0.8 m 长的 HDPE 缠绕管材套上止水圈，先与检查井用砂浆连接砌筑，再与整根 HDPE 缠绕管连接。成槽快，回填快，也可以事先回填部分好土压住 HDPE 缠绕管，防止HDPE 缠绕管漂移，如时间不允许，也可以用沙包压住。

2.2.3 安装 HDPE 管时的注意事项

（1）开挖沟槽，应严格控制基底高程，如基础承载力较好，可利用原状土通过适当的处理直接作为管道基础，但发生超挖或扰动则必须用砂或好土回填夯实后再行敷设 HDPE 缠绕管。

（2）下沟槽安装 HDPE 管时，要保证沟槽排水畅通，严禁泡槽，防止电热熔时发生触电事故。

（3）雨季施工时，应尽可能缩短开槽长度，尽量做到早成槽、早回填。

（4）吊装 HDPE 管时采用非金属绳索两点搬运，严禁串心吊装。

（5）在 HDPE 管接口处可以超挖一定深度或预留空位，以方便 HDPE 管熔接，在连接完成后，应对此处重点夯实，这是管道中薄弱的地方。

（6）连接 HDPE 管时，按照操作规程调控好加热时间及电流强度进行连接，否则会导致管道接口处密封性差。

（7）回填过程中，应清除回填材料中的杂物，特别是大颗粒的硬物，防止砸坏 HDPE 缠绕管。

（8）HDPE 管应直线敷设，需利用柔性接口折线敷设时，一般情况下 HDPE 缠绕管每个承接口处的相对转角不得大于 2°。

（9）管区位置的密实度要达到设计要求，做到分层压实，且沿着 HDPE 缠绕管中线进行对称夯实，才能降低管道的变形量。

3 HDPE 双壁波纹管与钢筋混凝土管的比较

3.1 技术性能比较

3.1.1 强度和刚度

受外压负荷时,柔性管在受压破坏之前有较大的变形,而刚性管则不明显。钢筋混凝土管属于刚性管,通常被视为一个独立的承力结构,强度上须承受全部的内、外力;同样外压负荷下,HDPE 双壁波纹管柔性管管壁内的应力较小,它和周围的回填土共同承受负载,即管道与回填土之间由于力的相互传递,以及变形的互相协调,使二者结合成一个高度有机的整体结构,但必须保证回填土的密实度大于 85%。因此,埋地 HDPE 双壁波纹管不需要和钢筋混凝土管一样的强度和刚度,在合理的刚度下,完全可以达到使用要求。此外由于 HDPE 双壁波纹管具有柔韧性,当发生地震等突发性的地质灾害时,也能将管道的破坏损失降为最小,提高了市政排水管道抗震、减灾的能力。

3.1.2 过流能力

HDPE 管和传统钢筋混凝土圆管的过流能力采用有关的水力计算公式,包括满管流和非满管流两种情况。

（1）参数选择

由于高密度聚乙烯双壁波纹管内壁平滑,流体摩擦阻力小,管壁的粗糙系数一般为 n=0.009;考虑到接头及管件连接处的水力损失,系统水力损失计算采用粗糙系数 n=0.010。钢筋混凝土圆管满流时的粗糙系数取 n=0.013,非满流时粗糙系数取n=0.014。HDPE 管的比较公称内径范围在 300～1 000 mm 之间,依次为 Φ300、Φ400、Φ500、Φ600、Φ800 和 Φ1 000。

（2）计算公式

满流和非满流情况下的水力计算公式见《室外排水设计规范》。

（3）水力计算

计算采用相应管径常用流速,Φ300、Φ400 管内流速以 0.7 m/s 为参照,Φ500、Φ600 以 0.8 m/s为参照,Φ800 以 1.0 m/s 为参照,Φ1 000 以上以1.2 m/s 为参照,计算钢筋混凝土圆管的水力坡度和过流量。对应管径的 HDPE 管取与钢筋混凝土管相同的水力坡度,计算其流速和过流量。钢筋混凝土圆管和 HDPE 管相应管径的流量对比见表2、表3。

表2 满流时不同管材的过流能力对照表

表3 非满流时不同管材的过流能力对照表

可以看出,满管流和非满管流时 HDPE 管的过流能力均比传统钢筋混凝土圆管大 40%左右。

3.1.3 管道的铺设安装

（1）HDPE 双壁波纹管施工流程:开挖沟槽→砂垫层 (根据地质情况而定)→下管→接口→砖砌检查井→闭水→回填土。

（2）钢筋混凝土管施工流程:开挖沟槽→碎石砂垫层→支基础模板→捣基础→养护→下管→稳管→接口→养护→砖砌检查井→闭水→回填土。

从上面施工流程中可看出钢筋混凝土管比HDPE 双壁波纹管多几道工序,而且钢筋混凝土管还要等到其混凝土基础强度达到设计强度的 70%后才能进行下道工序,这样必然延长了施工周期,从而延缓了施工进度。

3.1.4 接口的密封性

HDPE 双壁波纹管部分采用橡胶密封圈承插或热熔焊接方式连接,接头的强度高于管道本体的强度,可确保污水不外漏,并可适应地基不均匀沉降。钢筋混凝土管的接口形式为刚性连接,管道稍有位移(如土壤不均匀沉降),连接处就可能被破坏,形成渗漏。同时 HDPE 双壁波纹管每根管长可达10 m 以上,接口少,发生渗漏的机率也少。

3.1.5 使用寿命和耐腐蚀性

市政排水管道输送的是雨水和污水,雨水在流经路面时常常成酸性或碱性,生产污水往往是具有强腐蚀性的工业排水,这样就要求排水管材必须有一定的耐腐蚀性。HDPE 双壁波纹管是以惰性高密度聚乙烯制成,除少数强氧化剂外,可耐多种化学介质的侵蚀,土壤中存在的化学物质不会对管道造成任何降解作用;聚乙烯是电的绝缘体,因此不会发生腐烂、生锈或电化学腐蚀现象;此外,它也不会促进藻类细菌或真菌生长;同时,它还具有很好的耐磨性,它与钢管的耐磨性对比试验表明,HEPE 管道的耐磨性为钢管的 4 倍。钢筋混凝土管属碱性材料,必然会受到污水中酸性物质的腐蚀,从而影响其使用寿命。再者，HDPE 双壁波纹管有良好的低温抗冲性,因此聚乙烯的低温脆化温度极低,方便冬季施工,可在-60℃～+60℃范围内安全使用。国外的一些实践证明,埋地 HDPE 双壁波纹管的寿命,可长达 50 a。

3.2 经济分析

管道铺设单价比较,采用湖北省市政工程预算定额及当前武汉市材料价格信息,另外,引入另一类塑料管 UPVC 管和玻璃钢夹砂管作为参照,横向比较其管道铺设单价。

3.2.1 Φ300 管道铺设单价比较

图1所示,当管径为Φ300 时,若埋深小于 2.5 m,HDPE 管和 UPVC 管的铺设单价都稍高于传统钢筋混凝土管，而当埋深大于 2.5 m 时,铺设单价 混凝土管>UPVC 管>HDPE 管。

3.2.2 Φ600 管道铺设单价比较

图2所示,对Φ600 的管道来说,在任一埋深下HDPE 管的铺设单价都要比其它两种管材低。埋深小于 3 m 时,玻璃钢夹砂管>混凝土管>HDPE 管,其中后两者的差别较小,仅 3%左右;埋深不小于 3 m时,混凝土管>玻璃钢夹砂管>HDPE 管,混凝土管比 HDPE 管的铺设单价高 10%左右。玻璃钢夹砂管比 HDPE 管铺设单价高 6%～10%,且随着埋深增加差别变小。

3.2.3 Φ800 管道铺设单价比较

图1 Φ300 管道铺设单价比较

图2 Φ600 管道铺设单价比较

图3 Φ800 管道铺设单价比较

如图3所示，对Φ800 的管道来说,埋深小于3 m 时,玻璃钢夹砂管>HDPE 管>混凝土管,玻璃钢夹砂管单价比 HDPE 管高 12%左右,而混凝土管反而比 HDPE 管低 4%～5%;埋深不小于 3 m 时,玻璃钢夹砂管>混凝土管>HDPE 管,混凝土管比HDPE 管单价高 5%～7%,而玻璃钢夹砂管要比HDPE 管高 8%～10%。

3.2.4 Φ1 000 管道铺设单价比较

如图4所示，Φ1 000 管道铺设单价与前面几种管径有较大不同。任一埋深下铺设单价:玻璃钢夹砂管>HDPE 管>混凝土管。前两者的差价在8%～12%之间,后两者的差价在 9%～22%之间,且随着埋深的增加差价减小。

4 结语

通过对 HDPE 管和传统钢筋混凝土圆管的比较可以得出以下结论。

图4 Φ1 000 管道铺设单价比较

（1）在相同管径下,HDPE 管的过流能力比传统钢筋混凝土圆管的过流能力高 40%左右。

（2）在满流情况下,Φ500 的 HDPE 管过流能力达到Φ600 的传统钢筋混凝土圆管的 98%以上。

（3）在非满流情况下,Φ500 HDPE 管的过流能力达到Φ600 钢筋混凝土管过流能力的 95%～99%。适当调整水力坡降,相应 HDPE 管就可以替代大一规格的钢筋混凝土圆管。

（4）管径不大于 800 时,若埋深小于 2.5 m,大多数情况下(Φ600 例外)混凝土管的铺设单价要比HDPE 管低;若埋深大于 2.5 m,则混凝土管的铺设单价增长加快,比 HDPE 管要高出 5%～22%。管径大于 800 时,任一埋深 HDPE 管的铺设单价都比混凝土管高得多,此时需综合考虑其它因素,决定是否用 HDPE 管代替传统管材。

《国务院关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知》指出:2010年所有城市的污水处理率应不低于 60%(目前要达到 50%),直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅游城市的污水处理率不低于 70%。《国家化学建材产业“十五”计划和 2010年发展规划纲要》指出:2010年我国埋地排水管道中,塑料管的使用量要达到 30%，“十五”期间国家将投资 1 200 亿元左右用于城市排水，建设我国城市排水管网,平均每年新增管道长度约 1 万 km,每年新增塑排水管道 3 000 km 以上。另一方面,旧有市政排水管道需要更新改造。由此可见,HDPE 双壁波纹管以其质量轻、施工快速、输水能力强、抗震性好、综合造价低、无渗漏、使用寿命长等特点,将在市政排水工程中广泛使用。