1 概述
　　
　　玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管(簡稱玻璃鋼夾砂管RPMP),是一種新型的復合管材。采用飽和聚酯樹脂、玻璃纖維、石英砂三種主要原料繞或離心澆鑄、固化而成。其中,玻璃纖維是一增強材料,它被鑲嵌或包裹在熱固性樹脂中,熱性樹脂經加熱或其它方法固化后變成本質上不的一類塑料。而石英砂作為一種骨料,提高其構剛性。其生產工藝成型方法主要有離心澆鑄和纏繞法。玻璃鋼夾砂管是上世紀70年代在世界上出現的一種新型管道,我國自1988年開始研制和生產,其后又從大利、美國、日本等國引進工藝設備和技術,相關標準和規(guī)范已出版并不斷完善之中。目前玻璃夾砂管的研制開發(fā)應用還沒有得到廣泛的推廣,致使許多應用部門對其性能、質量及應用沒有得到充分認識。另外,國內許多企業(yè)生產能力也未達到飽和,所以玻璃鋼夾砂管在國民經濟中應用市場還有待開拓,尤其在市政排水管道中的應用[1]。
　　
2 性能特點
　　
　　結合鄭州市工程地質及水文地質等特點,針對鄭州市政排水管網工程中大口徑管道較多,管材的輸水能力、能耗、抗外壓負載能力、工程綜合造價,尤其是在舊排水管網改造過程中工期緊、工程量較大的問題等方面對合理選擇管材就顯得尤為重要,選擇一種合適的管材通過其優(yōu)異的耐腐蝕性能、輕質高強、輸送流量大、安裝方便、施工周期短及綜合投資低等優(yōu)點,能夠在市政排水工程廣泛應用,玻璃鋼夾砂管是一種最佳的選擇。
　　2.1玻璃鋼夾砂管質輕、管道安裝快捷
　　玻璃鋼夾砂管材質輕,同管徑同壓力玻璃鋼夾砂管的重量是混凝土管的1/15～1/10,致使運輸、吊裝輕便,在排水管鋪設、安裝施工中容易糾偏,確保了管道軸線、標高定位準確及施工的可靠性。排水管道接口采用承插式“O”型――雙密封圈連接,接頭柔韌拉伸力性能優(yōu)于混凝土,因而對軟弱淤泥層地基適應性強。管道地基處理費用較混凝土管道大幅度降低,無需象混凝土管那樣去安裝鋼模、綁扎鋼筋和澆筑混凝土,減輕了施工勞動強度,較大地縮短了施工工期[2]。
　　2.2玻璃鋼夾砂管剛度高、抗彎強度大、壽命長
　　玻璃鋼夾砂管通過在管壁中間層增加夾砂層來提高剛度,可滿足用戶提出的任何合理的剛度要求。玻璃鋼夾砂管剛度特性的另一優(yōu)點是抗彎變形的能力很強,比如,5000Pa剛度的玻璃鋼夾砂管在變形達20%的情形下,不產生分層損壞,并在卸載后能恢復原狀,而混凝土管由于不能承受較大變形有可能產生斷裂破壞玻璃鋼夾砂管其表觀環(huán)向抗彎強度150MPa～450MPa之間,而混凝土管抗彎強度的抗拉和抗壓部分分別由鋼筋和混凝土承擔,其表觀抗彎強度仍遠低于玻璃鋼夾砂管,僅為玻璃鋼夾砂管的8.5%～26%。一般排水玻璃鋼夾砂管的使用壽命可長達50年以上,是鋼筋混凝土管道等排水管材的2倍以上。
　　2.3玻璃鋼夾砂管具有優(yōu)良的腐蝕性能
　　與傳統(tǒng)管材相比具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性能,可以耐酸、堿、鹽、氧化劑、有機溶劑、各類油脂、污水等。它的內襯采用耐腐蝕的性能優(yōu)良的樹脂作為原材料,所以不需要任何防腐。并經長期使用不結垢,不會被污水中的微生物和雜物沉積而沾污蛀附,以致增大粗糙率而減少過水斷面或堵塞管道。由于玻璃鋼夾砂管的破壞壓力是按工作壓力的4倍以上安全系數進行設計的,有足夠的安全系數。
　　2.4玻璃鋼夾砂管綜合造價低,長期經濟效益好
　　以鋼筋混凝土管道為例,玻璃鋼夾砂管道對于同種相同口徑的管材,玻璃鋼夾砂管道在單位造價上略高,但若考略管道長期使用的維護及檢修費用,并考慮管道的使用年限及運輸能力等因素。玻璃鋼夾砂管道的綜合效益要遠高于鋼筋混凝土管道等排水管材。
　　2.5玻璃鋼夾砂管水力學性能優(yōu)異
　　由于玻璃鋼夾砂管內壁光滑,水流摩阻小,無藻類等水生衍生物附著,可有效地增強輸水能力。玻璃鋼夾砂管等塑料管的管壁粗糙系數n1=0.0084～0.009,鋼筋混凝土管等傳統(tǒng)管材的管壁粗糙系數n2=0.013～0.014。
　　通過水力學中的達西公式Q=AC(Ri)0.5與曼曼寧公式C= 1/n/R1/6的關系,可求得:
　　Q=k/n D 8/3i0.5
　　式中:Q-流量;D-管徑;i-水力坡度;n-管道的粗糙系數;K=(π/4)×( 1/42/3)。
　　(1)當管道輸水流量、水頭損失一定時,則:D2/D1=(n2/n1)3/8;
　　(2)當管道內徑、水頭損失一定時,則:D2/D1=n2/n1;
　　(3)當管道內徑、輸水流量一定時,則:i2/i1=(n2/n1)2;
　　在流量、水頭損失、管徑三參數之其中的兩參數一定時,另一參數的比例關系可根據上述公式計算得到。玻璃鋼夾砂管輸水效率是傳統(tǒng)管材1.4～1.7倍,管道水力損失是傳統(tǒng)管材的0.4～0.5倍,管徑是傳統(tǒng)管材的0.8～0.9倍。
　　
3 玻璃鋼夾砂管的設計與安裝
　　
　　雖然玻璃鋼夾砂管道有著以上優(yōu)點,但要把玻璃鋼夾砂管道應用到城市排水工程中來,還要認真設計、精心施工、達到經濟利益最大化。玻璃鋼夾砂管屬柔性管道,其排水管道施工內容包括:開槽、基礎處理、下管、穩(wěn)管、接口、回填及閉水試驗等主要工序。
　　3.1玻璃鋼夾砂管剛度的選擇
　　由于敷設于城市道路下的無壓排水管道外壓負載比較復雜,主要來自于土壤重量和地面產生的靜負載,以運輸車輛經過時產生的動負載。“負載”、“管材”和“土壤回填”是決定玻璃鋼夾砂管鋪設后能否正常工作的三個重要參數,而且相互影響。剛度是玻璃鋼夾砂管抗外壓負載能力的綜合參數。為保證玻璃鋼夾砂管在外壓負載下安全工作,剛度的選擇是設計中的關鍵之一,其不但取決于外壓負載的情況,還取決于鋪設后管道周圍土壤回填材料的情況。根據世界各國的經驗,玻璃鋼夾砂管在外壓負載下是否能夠安全使用的因素中,鋪設情況是最主要的。常用的玻璃鋼夾砂管可供選擇的剛度等級值可采用1.25、2.5、5、10kN/m四個等級。剛度的確定是先初步選擇,然后按《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結構設計規(guī)程》進行管道結構設計,進行管道強度計算、變形驗算、壓屈失穩(wěn)計算等[3]。如果計算結果不滿足要求就增大剛度重新計算。結合以往的工程經驗,筆者建議在排水管道設計中盡量選擇剛度較高的管材,并嚴格控制管道基礎、回填材料、分層夯實等鋪設工序的施工質量。

3.2玻璃鋼夾砂管管徑的選擇
　　玻璃鋼夾砂管道管徑的選擇,主要取決于本地區(qū)區(qū)域內的排水當量的計算,通過認真計算選擇出正確管徑大小,同時結合玻璃鋼夾砂管道內部表面光滑,粗糙度和摩擦阻力遠小于其他管材,所以在選擇管徑的基礎上,結合以往的經驗,在污水流量相同的前提下,管徑選擇可縮小1至2個等級,這樣就可以節(jié)省施工成本。
　　3.3玻璃鋼夾砂管施工工藝
　　(1)在管道的運輸和布管工作當中應將管道及管件沿已開挖的溝槽順線排開,有時為了減少二次搬運的費用,也可采用運輸和安裝同時進行的方法。擺放時應注意將每根管的承口方向朝向設計水流方向的相反方向。
　　(2)開挖基槽時,應嚴格控制槽底標高和防止擾動槽底原狀土。基槽底超挖部分,必須用砂礫石回填密實。槽底若遇有孤石等堅硬物體時,在清除后,也須用砂、礫石回填處理好。當下道工序與本道工序不連續(xù)施工時,基槽底要預留保護土層不挖,等下道工序開工后,再一起開挖。當管槽基礎為軟土淤泥、粉砂質粘土時,應先采取降水位及換土措施,即清除浮泥、平整管床,后鋪墊碎石、中砂層大于25cm以上。
　　(3)每根管子吊裝必須使用吊裝帶雙點起吊,避免架空放置或放在有尖銳石頭的地面上。裝卸過程中應輕裝輕放,嚴禁摔跌或撞擊嚴禁采用鋼絲繩吊裝管道,以免在吊裝過程中出現滑繩現象,損傷樹脂層而造成廢管。
　　(4)管道的接口采用“O”型-雙密封圈承插連接,需嚴格按廠方提供的操作規(guī)程執(zhí)行。連接時一般應逆水流方向連接,連接前在基礎上對應承插口的位置要挖一個凹槽,承插安裝后,用砂填實。連接時再檢查一遍承口和插口,在承口的內表面均勻涂上潤滑劑非石油產品,如動植物油,然后把兩個“O”型膠圈分別套在插口的凹槽內,并涂上潤滑劑。管道連接時需采用合適的機械輔助設備,對于大口徑管,在插口端應將管道吊離地面,以減少管道與地面的摩擦。
　　(5)在管道的回填過程中應當注意保護管道,免受下落石塊的沖擊、壓實設備的直接碰撞和其他潛在的破壞。玻璃鋼夾砂管是脆性材料,抗沖擊力很小,一旦遭到沖擊的破壞,很容易受損壞,出現內襯部分的裂紋,以致引起泄漏。在管頂覆土50cm以上時,才允許直接使用滾壓設備或重夯,但應取得廠家允許或給出相應的覆土厚度。應在左右對稱的情況下進行管道回填,不對稱的回填,容易導致管道偏移。
　　(6)管道閉水試驗要求參照《給水排水管道施工及驗收規(guī)范》,當滲水量在允許范圍內,即為合格。如不合格,應查找漏水點,重新進行安裝或堵漏后再做試驗,直至合格。
　　3.4玻璃鋼夾砂管基礎及主管區(qū)回填料的選擇
　　由于玻璃鋼夾砂管道軸向拉伸強度較低,一般為55mpa左右(與玻璃鋼夾砂管道成正比),在施工過程中,如果回填不實很容易造成撓曲度變形,致使管道漏水。《埋地給水排水玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管管道工程施工及驗收規(guī)程》中所提到的撓曲度變形值見表1:
　　
　　當管道變形量超過8.0%,應更新管道。參照埋地給水排水玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管管道工程施工及驗收規(guī)程》中的相關內容RPMP管道基礎及主管區(qū)回填的壓實度一定不應小于95%。所以,回填料的選擇是控制整個RPMP管道施工的重點。回填料不僅可以加大土壤阻力,而且能提高土壤的支撐力,是控制管道徑向撓曲度變形的強有力手段。基礎及主管區(qū)回填材料的選擇可根據國家標準《土的分類標準》GBJ145-90、《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007等資料,同時考慮鄭州本地區(qū)的資源優(yōu)勢,選取中粗砂或石沫(粒徑不超過20mm)作為回填材料。
　　
4 結束語
　　
　　隨著國家清潔生產的大力推廣、節(jié)能環(huán)保政策的推進及RPMP管材生產工藝的完善,以及工程應用經驗的不斷積累,在交通擁擠的繁忙施工區(qū)域采用玻璃鋼夾砂管,其施工進度快、對周邊交通、環(huán)境保護負面影響小,為今后的城市管道設計及施工開拓了新的應用領域。從市場預測以及國家加大基礎設施建設來看,玻璃鋼夾砂管以其強度高、耐腐蝕性好、能耗低、流量大、防滲性強,便于運輸和安裝,壽命長、綜合價格便宜而具有較強的市場競爭力和生命力,將是鄭州市政排水工程管材的一個較佳選擇。