1 概述
聚乙烯, 英文名称“ polyethylene”简称PE, 是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂, 具有优良的耐工业用化学品的特性。PE给水管材与传统的金属管和其它塑料管相比, 具有低密度、高强度与质量优、脆给温度化低、韧性好、耐腐蚀绝缘性能好、易着色、易于施工和安装等特点, 现已广泛应用于市政和建筑给排水、燃气、供热采暖、电线电缆穿线、农用节水灌溉和工业排污、矿山矿物输送等领域。与钢管相比, 成本可降12%左右, 工作寿命长, 维护费用低。
根据PE给水管的长期静液压强度对管材及其原料进行了严格的分类, 分为PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五个等级。PE63以下的管道主要用于供热、排污及田间灌溉等, 而PE80和PE100级的中高密度pe管材多用于输送燃气及给水,目前市政供水多采用埋地大口径PE管为中高密度管材, 而在水利工程, 低压倒虹吸管采用大口径PE管也在探索使用。
2 给水工程管材比较分析
水利工程输水渠道流量大, 而渠道跨沟(垭口)的水头多在80m以下, 属中低压水头, 在水头允许的条件下多采用倒虹吸管输水。对管道材质的设计, 主要以钢管和预应力钢筋混凝土管进行比选。预应力钢筋混凝土管由于摩阻大、输送成本高、质量重、安装维修不便, 尤其是接头多漏水量大, 已不能适应节水的要求, 将逐渐被淘汰。目前, 在水利田间工程上大量使用小口径PE管道,而对于高密度大口径PE管, 在水利工程中的使用也在快速增长。现从目前国内长距离输水工程管材选择和运行的实际经验, 选择钢管(SP)和高密聚乙烯给水管(PE)两种管材进行初步分析与比较。
2.1 钢管(SP)
钢管的最大优点是管材强度较高, 耐工作压力大, 施工敷设方便, 接口形式灵活, 管道渗漏较少, 很适合用于地质条件好、地形条件复杂和耐工作压力大以及穿越各种障碍物地段。但其缺点是价格相对较高, 并需对管道的内外壁进行防腐处理, 用于城镇生活供水, 对水质还将存在二次污染的不利因素。
2.2 高密聚乙烯给水管(PE)
高密聚乙烯PE给水管是近几年在国内新兴起的一种给水管材, 目前已大量用作城镇给水管道。其优点是管材密闭性好、使用寿命长、耐腐蚀、重量轻、管道内壁光滑、水头和水量损失小、材质无毒、安全卫生;具有较好的强度、刚度和弹性与韧性, 能有效承受所要求的内压力和外载荷, 且管道接头强度高, 供水安全可靠和维修方便;用于城镇生活供水无二次水质污染;并可在腐蚀性土壤中、地震多发地区和经常结冰地区及山地和沼泽地区铺设使用。目前, 在常用管径内选择的管道造价相对较低, 适应地应力变化和施工方便、工期短。其缺点是管道承受内压的能力稍小。根据《给水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T13663 -2018),现PE100级管材管径均小于dn630, 选择的工作内压不超过1.6MPa;管径在dn630 ～ dn800 选择的工作内压不超过1.25MPa;管径大于dn800 选择的工作内压不超过1.0MPa。
3 不良地质条件下PE给水管的应用
现结合PE管材性能优势, 介绍在不良地质条件下(如泥石流沟、腐蚀性的土壤、经常结冰的地区、滑坡地等)PE管的选择应用。
3.1 优良的物理性能
PE给水管材具有良好的强度、柔韧性和耐蠕变性, 其断裂伸长率超过500%, 弯曲半径可以小到管直径的1/20 ～ 1/25, 在铺设时容易移动, 弯曲和穿插。对大口径PE管道采用热熔对接, 接口处强度高于管材本身, 有利于管道的安装, 熔接接头轴向负荷也不发生渗漏和脱开。因此管道在铺设时, 其接合处和弯曲处不需要进行费用不小的“锚定” , 对管体也不需要支撑结构, 可直接埋置在均匀的土层中, 最主要的优点是管道不会因土壤移动或活载荷的作用而发生断裂。因此它在泥石流、滑坡等不良地质条件下使用, 具有其他材质不可替代的优势。
3.2 耐腐蚀, 使用寿命长
除少数强氧化剂外, PE管可耐多种化学介质的侵蚀;无电化学腐蚀。在我国南方地区, 地下水位偏高, 土地湿度大, 使用钢管必须进行防腐及做安装阳纹外向锤炼, 且使用寿命也只有30年。而PE管可耐多种化学介质的侵蚀, 不需进行防腐处理。此外它也不会促进藻类、细菌或真菌生长, 使用寿命长达50年。因此, PE管很适合在腐蚀性的土壤和不良地质中使用。
3.3 抗震耐冲击性能好
PE给水管具有低的缺口敏感性, 高抗剪切强度的段异的抗痕能力, 耐环境应力性非常突出, 低温脆化温度极低。重物直接压过管道, 也不会导致管道破裂;使用过程中对于管道基础的适应能力较强, 在管基不均匀沉降和错位时也不容易损坏。由此可见, PE管对地基承载力的要求低, 对比钢管和混凝土管, 可节约固定管道所需的大量镇、支墩费用, 管体只须埋置一定的深度即可。
3.4 良好的施工性能
PE给水管管体轻, 搬运方便, 焊接轻易, 焊接口少, 当管线较长时可使用盘管敷设, 其管沟要求远比钢管沟低, 而且当施工条件受限制时, 可采用电熔焊接。另外, 在水底铺设采用管沉入的方法, 可大大降低施工难度和工程费用。因此, PE管在山区交通不便的水利工程中应用也优于其他管材。
4 工程实例
4.1 工程概况
某中型水库输水干渠为满足县城供水必须跨过一条70余米宽的泥石流冲沟, 初步设计根据冲沟周边地形地质条件进行渡槽和倒虹吸管跨越两种方案比较, 决定采用倒虹吸管方案。该倒虹吸管位于输水干渠桩号6 + 516.51m ～ 6 +676.51m, 平距长160m, 设计流量2.65m3 /s, 加大流量3.45m3 /s, 最大水头34.9m。管轴线在泥石流冲沟2#滑坡下游40m处, 分布高程1490m ～1650m, 顺沟向长度400m, 宽度300m。管轴线下游50m为泥石流冲沟3#滑坡, 分布高程在1470m～ 1610m, 顺河向长度450m, 宽度350m。倒虹吸管进口斜坡段局部基岩裸露, 出露基岩为T3x砂、页岩, 上覆土层厚约5m～ 8m, 为块碎石土层。冲沟谷段长度60m, 地表为泥石流堆积物, 成分为孤块碎石土, 厚20m～ 30m, 结构稍密～中密, 下伏T3x砂岩夹炭质页岩。出口段为30°～ 40°的斜坡,长度约40m, 属Q4col+dl崩塌堆积体, 成分为块碎石土具二元结构, 厚度32.97m～ 57.75m, 下伏T3x砂岩夹炭质页岩。
初设阶段选择全钢质双管输水方案, 在两岸坡采用二根16MnR钢管明敷, 钢筋混凝土桩基础固定管身。在跨泥石流冲沟谷宽约70.0m管道,为避开沟中泥石流冲击镇、支墩基础, 确保工程安全运行, 采用埋管形式过沟。经水力学分析, 要求该管径为0.9m(两根), 管壁最大厚度为8mm, 单根管管身全长173m。根据管线的地形地质条件,共布置钢筋混凝土镇墩2个和支墩11个, 镇墩底宽5.1m长7.14m, 支墩底宽3.9m长2.5m, 并采用鞍形滑动支座。沿管槽中间布置检修梯步, 并对管槽两边坡采用M5 浆砌石支护, 以确保管道安全运行。
4.2 管材优化设计
由于整个管槽两岸坡地基的覆盖层厚度为5m～ 57.7m, 泥石流冲沟段的覆盖层厚度也达17.0m, 采用钢管将导致管槽和支撑管体的镇、支墩土石方开挖量大, 且在管槽开挖施工中易出现工程施工滑坡等不可预见的风险。据此在施工图设计中, 再次对管材进行了研究分析之后, 选择了目前发展较快的大口径PE100聚乙烯给水管材。选用的大口径PE给水管外径为900mm, 内径为831.2mm, 在原钢管方案相同输水量条件下, 管内设计流速为2.44m/s, 水头损失仅增加5mm。整个PE管埋于1.6m～ 2.0m以下的稍密实土层中, 并在冲沟床底部两端弯管道处仅各设1个钢筋混凝土重力支墩固定, 取消支撑管体的支墩而将管道埋于原地面以下1.7m。为防止沟水冲刷和阳光暴晒, 在过沟段管身用内径1000mm的预制混凝土管套装,并对两岸岸坡的管槽面采用40cm厚的M5浆砌石覆盖保护
钢管方案和大口径PE给水管方案的工程量和投资对比见表1。
根据对比, 直接建筑投资钢管方案比PE管方案高55.5万元, 而且大口径PE给水管适应地基变形能力强, 对基础处理的工程费用少, 尤其是对泥石流冲沟具有独特的优势。上述比选均按正常的施工方案, 未考虑钢管在高边坡开挖施工过程中地质可能出现的不利因素(如镇墩桩基础加固、高边坡衬护加固等)。由于PE输水管槽开挖最大深度一般不超过2.5m, 适应地基变形能力较强, 对基础处理的工程费用少, 尤其是对泥石流冲沟具有独特的优势,很适用于该倒虹吸管地质条件。据此从安全运行及优化投资和方便施工等因素考虑, 本倒虹吸管选择了大口径(dn900)PE100聚乙烯塑料给水管材。
