玻璃钢夹砂管在市政工程中的设计及应用

1 概述
　　
　　玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管(简称玻璃钢夹砂管RPMP),是一种新型的复合管材。采用饱和聚酯树脂、玻璃纤维、石英砂三种主要原料绕或离心浇铸、固化而成。其中,玻璃纤维是一增强材料,它被镶嵌或包裹在热固性树脂中,热性树脂经加热或其它方法固化后变成本质上不的一类塑料。而石英砂作为一种骨料,提高其构刚性。其生产工艺成型方法主要有离心浇铸和缠绕法。玻璃钢夹砂管是上世纪70年代在世界上出现的一种新型管道,我国自1988年开始研制和生产,其后又从大利、美国、日本等国引进工艺设备和技术,相关标准和规范已出版并不断完善之中。目前玻璃夹砂管的研制开发应用还没有得到广泛的推广,致使许多应用部门对其性能、质量及应用没有得到充分认识。另外,国内许多企业生产能力也未达到饱和,所以玻璃钢夹砂管在国民经济中应用市场还有待开拓,尤其在市政排水管道中的应用[1]。
　　
2 性能特点
　　
　　结合郑州市工程地质及水文地质等特点,针对郑州市政排水管网工程中大口径管道较多,管材的输水能力、能耗、抗外压负载能力、工程综合造价,尤其是在旧排水管网改造过程中工期紧、工程量较大的问题等方面对合理选择管材就显得尤为重要,选择一种合适的管材通过其优异的耐腐蚀性能、轻质高强、输送流量大、安装方便、施工周期短及综合投资低等优点,能够在市政排水工程广泛应用,玻璃钢夹砂管是一种最佳的选择。
　　2.1玻璃钢夹砂管质轻、管道安装快捷
　　玻璃钢夹砂管材质轻,同管径同压力玻璃钢夹砂管的重量是混凝土管的1/15～1/10,致使运输、吊装轻便,在排水管铺设、安装施工中容易纠偏,确保了管道轴线、标高定位准确及施工的可靠性。排水管道接口采用承插式“O”型――双密封圈连接,接头柔韧拉伸力性能优于混凝土,因而对软弱淤泥层地基适应性强。管道地基处理费用较混凝土管道大幅度降低,无需象混凝土管那样去安装钢模、绑扎钢筋和浇筑混凝土,减轻了施工劳动强度,较大地缩短了施工工期[2]。
　　2.2玻璃钢夹砂管刚度高、抗弯强度大、寿命长
　　玻璃钢夹砂管通过在管壁中间层增加夹砂层来提高刚度,可满足用户提出的任何合理的刚度要求。玻璃钢夹砂管刚度特性的另一优点是抗弯变形的能力很强,比如,5000Pa刚度的玻璃钢夹砂管在变形达20%的情形下,不产生分层损坏,并在卸载后能恢复原状,而混凝土管由于不能承受较大变形有可能产生断裂破坏玻璃钢夹砂管其表观环向抗弯强度150MPa～450MPa之间,而混凝土管抗弯强度的抗拉和抗压部分分别由钢筋和混凝土承担,其表观抗弯强度仍远低于玻璃钢夹砂管,仅为玻璃钢夹砂管的8.5%～26%。一般排水玻璃钢夹砂管的使用寿命可长达50年以上,是钢筋混凝土管道等排水管材的2倍以上。
　　2.3玻璃钢夹砂管具有优良的腐蚀性能
　　与传统管材相比具有优良的耐化学腐蚀性能,可以耐酸、碱、盐、氧化剂、有机溶剂、各类油脂、污水等。它的内衬采用耐腐蚀的性能优良的树脂作为原材料,所以不需要任何防腐。并经长期使用不结垢,不会被污水中的微生物和杂物沉积而沾污蛀附,以致增大粗糙率而减少过水断面或堵塞管道。由于玻璃钢夹砂管的破坏压力是按工作压力的4倍以上安全系数进行设计的,有足够的安全系数。
　　2.4玻璃钢夹砂管综合造价低,长期经济效益好
　　以钢筋混凝土管道为例,玻璃钢夹砂管道对于同种相同口径的管材,玻璃钢夹砂管道在单位造价上略高,但若考略管道长期使用的维护及检修费用,并考虑管道的使用年限及运输能力等因素。玻璃钢夹砂管道的综合效益要远高于钢筋混凝土管道等排水管材。
　　2.5玻璃钢夹砂管水力学性能优异
　　由于玻璃钢夹砂管内壁光滑,水流摩阻小,无藻类等水生衍生物附着,可有效地增强输水能力。玻璃钢夹砂管等塑料管的管壁粗糙系数n1=0.0084～0.009,钢筋混凝土管等传统管材的管壁粗糙系数n2=0.013～0.014。
　　通过水力学中的达西公式Q=AC(Ri)0.5与曼曼宁公式C= 1/n/R1/6的关系,可求得:
　　Q=k/n D 8/3i0.5
　　式中:Q-流量;D-管径;i-水力坡度;n-管道的粗糙系数;K=(π/4)×( 1/42/3)。
　　(1)当管道输水流量、水头损失一定时,则:D2/D1=(n2/n1)3/8;
　　(2)当管道内径、水头损失一定时,则:D2/D1=n2/n1;
　　(3)当管道内径、输水流量一定时,则:i2/i1=(n2/n1)2;
　　在流量、水头损失、管径三参数之其中的两参数一定时,另一参数的比例关系可根据上述公式计算得到。玻璃钢夹砂管输水效率是传统管材1.4～1.7倍,管道水力损失是传统管材的0.4～0.5倍,管径是传统管材的0.8～0.9倍。
　　
3 玻璃钢夹砂管的设计与安装
　　
　　虽然玻璃钢夹砂管道有着以上优点,但要把玻璃钢夹砂管道应用到城市排水工程中来,还要认真设计、精心施工、达到经济利益最大化。玻璃钢夹砂管属柔性管道,其排水管道施工内容包括:开槽、基础处理、下管、稳管、接口、回填及闭水试验等主要工序。
　　3.1玻璃钢夹砂管刚度的选择
　　由于敷设于城市道路下的无压排水管道外压负载比较复杂,主要来自于土壤重量和地面产生的静负载,以运输车辆经过时产生的动负载。“负载”、“管材”和“土壤回填”是决定玻璃钢夹砂管铺设后能否正常工作的三个重要参数,而且相互影响。刚度是玻璃钢夹砂管抗外压负载能力的综合参数。为保证玻璃钢夹砂管在外压负载下安全工作,刚度的选择是设计中的关键之一,其不但取决于外压负载的情况,还取决于铺设后管道周围土壤回填材料的情况。根据世界各国的经验,玻璃钢夹砂管在外压负载下是否能够安全使用的因素中,铺设情况是最主要的。常用的玻璃钢夹砂管可供选择的刚度等级值可采用1.25、2.5、5、10kN/m四个等级。刚度的确定是先初步选择,然后按《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》进行管道结构设计,进行管道强度计算、变形验算、压屈失稳计算等[3]。如果计算结果不满足要求就增大刚度重新计算。结合以往的工程经验,笔者建议在排水管道设计中尽量选择刚度较高的管材,并严格控制管道基础、回填材料、分层夯实等铺设工序的施工质量。

3.2玻璃钢夹砂管管径的选择
　　玻璃钢夹砂管道管径的选择,主要取决于本地区区域内的排水当量的计算,通过认真计算选择出正确管径大小,同时结合玻璃钢夹砂管道内部表面光滑,粗糙度和摩擦阻力远小于其他管材,所以在选择管径的基础上,结合以往的经验,在污水流量相同的前提下,管径选择可缩小1至2个等级,这样就可以节省施工成本。
　　3.3玻璃钢夹砂管施工工艺
　　(1)在管道的运输和布管工作当中应将管道及管件沿已开挖的沟槽顺线排开,有时为了减少二次搬运的费用,也可采用运输和安装同时进行的方法。摆放时应注意将每根管的承口方向朝向设计水流方向的相反方向。
　　(2)开挖基槽时,应严格控制槽底标高和防止扰动槽底原状土。基槽底超挖部分,必须用砂砾石回填密实。槽底若遇有孤石等坚硬物体时,在清除后,也须用砂、砾石回填处理好。当下道工序与本道工序不连续施工时,基槽底要预留保护土层不挖,等下道工序开工后,再一起开挖。当管槽基础为软土淤泥、粉砂质粘土时,应先采取降水位及换土措施,即清除浮泥、平整管床,后铺垫碎石、中砂层大于25cm以上。
　　(3)每根管子吊装必须使用吊装带双点起吊,避免架空放置或放在有尖锐石头的地面上。装卸过程中应轻装轻放,严禁摔跌或撞击严禁采用钢丝绳吊装管道,以免在吊装过程中出现滑绳现象,损伤树脂层而造成废管。
　　(4)管道的接口采用“O”型-双密封圈承插连接,需严格按厂方提供的操作规程执行。连接时一般应逆水流方向连接,连接前在基础上对应承插口的位置要挖一个凹槽,承插安装后,用砂填实。连接时再检查一遍承口和插口,在承口的内表面均匀涂上润滑剂非石油产品,如动植物油,然后把两个“O”型胶圈分别套在插口的凹槽内,并涂上润滑剂。管道连接时需采用合适的机械辅助设备,对于大口径管,在插口端应将管道吊离地面,以减少管道与地面的摩擦。
　　(5)在管道的回填过程中应当注意保护管道,免受下落石块的冲击、压实设备的直接碰撞和其他潜在的破坏。玻璃钢夹砂管是脆性材料,抗冲击力很小,一旦遭到冲击的破坏,很容易受损坏,出现内衬部分的裂纹,以致引起泄漏。在管顶覆土50cm以上时,才允许直接使用滚压设备或重夯,但应取得厂家允许或给出相应的覆土厚度。应在左右对称的情况下进行管道回填,不对称的回填,容易导致管道偏移。
　　(6)管道闭水试验要求参照《给水排水管道施工及验收规范》,当渗水量在允许范围内,即为合格。如不合格,应查找漏水点,重新进行安装或堵漏后再做试验,直至合格。
　　3.4玻璃钢夹砂管基础及主管区回填料的选择
　　由于玻璃钢夹砂管道轴向拉伸强度较低,一般为55mpa左右(与玻璃钢夹砂管道成正比),在施工过程中,如果回填不实很容易造成挠曲度变形,致使管道漏水。《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》中所提到的挠曲度变形值见表1:
　　
　　当管道变形量超过8.0%,应更新管道。参照埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》中的相关内容RPMP管道基础及主管区回填的压实度一定不应小于95%。所以,回填料的选择是控制整个RPMP管道施工的重点。回填料不仅可以加大土壤阻力,而且能提高土壤的支撑力,是控制管道径向挠曲度变形的强有力手段。基础及主管区回填材料的选择可根据国家标准《土的分类标准》GBJ145-90、《建筑地基基础设计规范》GB50007等资料,同时考虑郑州本地区的资源优势,选取中粗砂或石沫(粒径不超过20mm)作为回填材料。
　　
4 结束语
　　
　　随着国家清洁生产的大力推广、节能环保政策的推进及RPMP管材生产工艺的完善,以及工程应用经验的不断积累,在交通拥挤的繁忙施工区域采用玻璃钢夹砂管,其施工进度快、对周边交通、环境保护负面影响小,为今后的城市管道设计及施工开拓了新的应用领域。从市场预测以及国家加大基础设施建设来看,玻璃钢夹砂管以其强度高、耐腐蚀性好、能耗低、流量大、防渗性强,便于运输和安装,寿命长、综合价格便宜而具有较强的市场竞争力和生命力,将是郑州市政排水工程管材的一个较佳选择。