从排水管网生命周期看排水管材的选择
摘要：“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。排水管道工程面临的问题较多，涉及面较广，管材的选择也是工程的关键环节之一。本文观点是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。
关键词：排水管网 生命周期 管材选择
1排水管材的选择
目前我国市政排水管网上使用的管材主要有：钢筋混凝土管、球墨铸铁管、PE双壁波纹管和玻璃钢夹砂管等。我国排水管材出现的问题比较多，从源头上来说，我国排水管材的各类技术标准和规范都有待提高。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，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相关标准。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。
每种管材都有自己的优劣势，应当根据工程条件，并结合管材特性来选择合适的管材，用以保证管线安全、长期、稳定的运行：
中心商业区（维修允许程度）
雨污水压力管或重力管
管线埋设深度
地质复杂程度
施工方式
综合管廊内雨污水管线
明装雨污水管线
土壤腐蚀程度
在保证管线安全、长期、稳定的前提下，再根据全生命周期的管材综合成本确定最终的管材：
在保证管材结构安全的基础上，尽量选择经济性的管材。GB50788 《城镇给水排水技术规范》的6.1.2条款的规定：“城镇给水排水设施中主要建筑物的主体结构和地下干管道，其结构的设计使用年限不应低于50年；安全等级不应低于二级。”
从全生命周期的角度考虑管材的经济性。
建立管材的评估体系，将管材成本、施工成本、维修次数与费用等全部纳入评估体系。
将管材分级，根据工程条件确定使用相应的管材。利用管材评估体系，进行如下管材综合成本的计算：
2结构安全
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。
虽然各类管材的结构设计方法不同，但都是根据材料力学性能做出的，所以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。我国排水管材质量不达标的情况还是比较严重，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。
管材的结构设计应当满足以下两个原则：
外荷载的要求：管线的埋深≤管材的最大允许埋深；
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。
对于刚性管道（这里主要指钢筋混凝土管），其钢筋混凝土结构构建在组合作用下，计算截面的受力状态处于轴线受拉或小偏心受拉时，截面设计应按不允许裂缝出现控制。结构设计比较复杂，工艺生产时受控环节较多，厂家应提供结构计算说明书，用户单位适当采取驻厂监造的方式，根据计算说明书对材料和工艺进行质量检查，以保证管材合格。
柔性管材包括塑料管、球墨铸铁管、钢管和玻璃钢夹砂管等，其结构设计主要是强度计算和变形控制，变形控制更为关键。柔性管材的变形控制理论通常采用Spangle公式，即外荷载作用条件下，管土共同作用抵御管道变形，见下列计算公式:
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
虽然是管土共同作用，材料本身的环刚度依然非常重要。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。
3接口性能
GB50014《室外排水设计标准》中的5.3.4条规定：当管道穿过粉砂、细砂层并在最高地下水位以下，或在地震设防烈度为 度及以上设防区时，应采用柔性接口。要保证柔性接口完全密封，还应当具备下列条件：
承插口应保证足够的环刚度，以抵御内外荷载；
胶圈应得到充分的压缩，以保证密封；
接口应能在热胀冷缩的变化下，保证密封；
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，可以保证接口的密封性能，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场内进行，或者在厂家现场并在第三方权威机构鉴定下进行。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。
4管材防腐及老化
金属管材存在腐蚀问题，预应力混凝土管或多或少也存在腐蚀问题，应当做好防腐；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。
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，即蠕变和应力松弛的问题。随着时间的延长，塑料的性能指标会按照一定的斜率下降。所以，厂家应当提供权威部门鉴定的长期性能试验报告。
5管材的生命周期
如同人的生老病死，管材也有自己的生命周期。
例如，上海市的污水主干管网自1970开始陆续建成，管材为钢筋混凝土管，口径为DN2000及以上，生命周期30年至50年不等，钢筋腐蚀严重，面临报废的危险，正在寻求更换方案。
据德国的有关资料，德国的排水管网以钢筋混凝土管和陶土管为主，管材的生命周期估算为42年，平均的病害长度为6.15米/处，平均维修费用为812欧元/米。
自上世纪六十年代球墨铸铁管在全世界范围内推广使用，七十年代开始成为发达国家供水管网上的主流管材，至今管网运行稳定，预估生命周期超过百年。由于雨污水腐蚀性高于自来水，排水球墨铸铁管采用了防腐更优的铝酸盐水泥内衬，预估生命周期也可以达到百年。
世界上玻璃纤维生产先导者荷兰Ameron公司，仅建议玻璃钢夹砂管使用寿命30年的。
排水管材的生命周期不仅涉及材料本身，还与敷设地质条件，水质条件以及运维管理相关，建立和完善自己管网的评估体系，才能更加科学地评估自己管网的经济性。
6结束语
排水管材的选择应当关乎于两个方面，一是管材技术性，管材本身的性能——荷载作用下的结构稳定，地质沉降下的接口密封及长期运行下的防腐或老化性能均应该与排水管线的工程条件相适应；二是管材经济性，不可以仅关注管材的价格，更应当从管材的生命周期来衡量综合成本，即全部的建设成本，管理成本以及运行维护成本等全部成本以管材生命周期折算出来的综合成本。
参考文献
[1] 上海市住房和城乡建设委员会. GB50014《室外排水设计标准》[S].
[2] American Water Works Association. MANUAL M9 Concrete Pressure Pipe [S].
[3] American Water Works Association. MANUAL M41 Ductile Iron Pipe and Fitting [S].
