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经济性是判定一个工程是否能够实施的前提,是衡量一个工程社会属性、环境效益好坏的标尺。一个工程在满足使用功能、安全性的前提下,通常造价越低,经济性就越好。
就市政给排水管道工程而言,影响造价的环节有许多,比如设计、采购、施工等等。设计环节影响造价的因素主要有如下七个:管网形状、管道材质、管径、埋深、管道综合、地勘物探、水力计算,可以提炼为:形材径深综勘算。
一、形
市政给排水管网形状有枝状、环状及复合状(枝状和环状结合)三类。
环状管网由于管线敷设距离长,附属设备多,从而造价高;但是环状管网可以利用连通管来进行供水、排水,因此可靠性好,检修及维护性也好。环状管网有三角形、四边形、多边形等形状。和环状管网特点相反,枝状管网造价低,但是供水、排水可靠性也低,检修维护不方便。复合状管网特点则介于两者之间。考虑近、远期结合,实际管网大多采用复合状。
具体工程设计时,通常采用方案比选来优化管网形状,从而降低造价,节省投资。如下图1所示,给水管网可以考虑形成A—B—F—E—A环状,与环状A—B—C—D—A比较,可以免去敷设C—D间管道,从而节省800m管道工程费用。
图1
二、材
就材质而言,市政给排水管道有金属管、非金属管之分。金属管包括球墨铸铁管、钢管,非金属管包括塑料管、钢筋混凝土管、玻璃钢管等,塑料管细分又有PE管、UPVC管、HDPE管等。管道材质不同,管道的力学、化学性质就不同,所表现出来的承载力、耐腐蚀能力、使用寿命就不同;此外,管材不同也决定了相应的管道配件不同及施工工艺不同,也间接影响着施工进度等。不同材质管道造价、施工快慢程度、使用寿命等因素都直接间接影响工程的造价。
实际工程设计,通常按不同地质特征、不同荷载形式等因素并结合实际经验来选择管材。以给水管道工程为例,在土质较好地段,通常选用球墨铸铁管,这是因为球磨铸铁管道配件较多、施工敷设较快、后续管道开口也便捷、维修省事,且DN200以上口径球磨管道比塑料给水PE管具有价格优势;在地下水位较高或土壤对金属有腐蚀性地段,则选用PE管,PE管耐腐蚀能力强,使用寿命也长,在该地段使用可以有更长的工程寿命;在过铁路或公路地段则选用经防腐处理过的钢管,因为钢管柔韧性及延展性较好,故能承受相应的外部震动荷载,在该地段使用钢管也会有较长的工程寿命。
三、径
市政给水常用管径(公称直径,下同)范围DN100~DN1200,大的可能到DN1600,比如重力输水管线。排水常用管径范围DN300~DN1800,再大的排水管通常采用方形混凝土箱涵。
管径跟造价为非线性关系。对于给水管道来说,管径越小则基建投资越小,但是流速相应越大也就是运行费用加大;管径越大则流速变小运行费用变小,但是基建投资增加。对于排水管道来说,在上下游水位差恒定情况下,管径越小则基建投资越小,但是过流能力相应减小;管径越大则基建投资越大,但是过流能力也相应增大。
设计时通常采用综合造价(费用)最省的管径。对给水管道而言,通常采用经济管径(与经济流速相对应),对排水管道来说,通常采用水利最优管径(断面)。
四、深
地面荷载、冰冻线深度、管道综合及地面坡度均会影响到管道埋深或覆土厚度,管道最终埋深或覆土厚度由以上几个因素所决定的最大埋深或覆土厚度确定。就地面荷载而言,通常在车行道下,给、排水管道要覆土0.7m以上;就冰冻线深度而言,给水管道覆土不应小于冰冻线深度以下0.15m,排水管道埋深不能高于冰冻线以上0.15m;地面破度通常会影响到重力流排水管道的埋深,尤其在逆坡地段;管道综合则是避免管道冲突而调整某些管道的埋深或覆土。
排水管道埋深较浅,或通过地面荷载较大的局部路段时,可以考虑采用砼包封的措施,来提高管道强度,从而减少埋深。在自然坡度起伏较大的凹形地面敷设排水管道时,为避免整体加大管道埋深,可以考虑对局部凹形地面回填处理,从而达到提升管道高度大幅度减少土方量的目的。
五、综
市政管线,除了给排水管道外,还有热力、燃气、通信、电力等管道。如此众多的管线在道路或园区内敷设,难免会发生管线(主管和支管)碰撞的情况。这种情况的出现,轻则造成局部返工,重则导致整体管线迁移或整体修改设计;不论那种情况,都将增加工程造价。
管道综合的目的或作用一是合理布置各种管线平面以便于施工管理,二是合理安排各种管线高程以便于支管接入,三是整体提升管道高程。管道综合的原则是小管避让大管、新建管道避让已建管道、压力流避让重力流管道、临时管道避让永久管道。管道综合做得好,会减少土方量,加速施工进程,减少或杜绝返工并方便维护,从而节省工程投资。
考虑排水支管的影响,通常雨水管道高度比污水管道高2米左右。设计时,要打破常规思维,具体问题具体分析,比如单边布置支管情况下污水管道可以提高埋深;雨水管道尽量考虑浅埋,甚至局部地段采用排水明沟,以整体减少管道埋深。
六、勘
地质较好且已建管道较少或没有的地段,管道可以直接开挖埋设,造价较省。地质不好,如淤泥地段或地下水位较高的地段,则管道基础需要换填处理或抽排地下水才能施工,或者顶管施工,这些都会大幅度增加造价。地下已建管道较多的地段,首先需要进行管线物探,其次管沟开挖也限制或不能使用机械,最后某些已建管道可能还要截断或者移位等,每一步都将增加造价。
设计时就要根据地勘、物探资料,合理进行管线规划,避开上述不利地段。
七、算
计算贯穿设计每个节点,设计离不开计算。从参数选取到流速、流量、坡度及断面计算,到管道断面选择及优化等,计算在其中发挥了重要作用。计算精准的设计,可以在满足使用功能的前提下,极大的节省造价。以断面积2㎡、壁厚200mm的钢混排水箱涵为例,断面形式可以采用长方形如1m×2m或4m×0.5m,也可以采用正方形1.415m×1.415m,在断面积和壁厚不变的情况下,每1m的砼需要量如表1所示。由表1可知,经过计算可得最省材料的断面。
市政给排水管道工程经济性影响因素有很多,但设计环节主要是上面所列举的几个因素,即“形材径深综勘算”。控制工程经济性,在设计环节就要树立经济性意识。工程设计时,不过分追求美观及花哨,而是以实现工程基本功能为首要和最终目的,在此基础上,优化设计、降低造价,将有利于工程实施和节能、节材,并且具有较好的社会和环境意义。