《埋地聚乙烯(HDPE)排水管道技术规定》讲义1

《埋地聚乙烯（HDPE）排水管道技术规定》

培训讲义

青岛市市政工程设计研究院

二〇〇五年十二月

一、聚乙烯管的发展

在国外，聚乙烯管的应用始于20世纪40年代最初用作电话线导

线和矿井无压排水。20世纪50年代中期，用于给水管道（高密度聚

乙烯管）。20世纪60年代中期，用于输配气管道（高密度聚乙烯管）。

目前，聚乙烯管材已成为在PVC-U管材后，世界上消费量第二大的

塑料管材品种。消费量在150万吨以上。广泛用于燃气输送、给水、

排水、农业灌溉、油田、矿山、化工及邮电通信等领域。

我国近年来HDPE管道发展很快。2000年以来引进的HDPE管

材生产线超过了100条，生产能力超过30万吨/年。并且有了一批大

型的管材生产企业，这些企业不仅生产线全部进口。而且还有很强的

管件生产能力。我国已经能够生产直径1600的HDPE给水管。大多

数拥有进口生产线的企业也都能够生产到直径630。而PVC管材的

生产发展速度有些放慢，目前生产的最大直径为720。

聚乙烯塑料管材主要用于排水管和排污管，中水管道采用的比较

多，而给水管道使用的比较少。

在我国用于排水管和排污管的结构壁管首先发展的是U-PVC的

双壁波纹管和环状肋管。从这两种U-PVC结构壁管发展状况来看，

双壁波纹管逐渐占了上风。主要的原因首先是生产双壁波纹管比生产

环状肋管要容易一些，其次就是环状肋管生产线国内没有很好开发，

只有上海“金纬”比较成功。还有一个重要的原因就是双壁波纹管比

环状肋管节省原料（在同样直径,同样环刚度条件下）。

U-PVC结构壁管由于原料加工性能的限制，我国只能生产到直

径500，但是上海“公元”最近引进的生产线已经可以生产到直径600。

由于U-PVC的刚度要明显好于HDPE，因此U-PVC双壁波纹管的承

口刚性也比较好，连接比较可靠。并且承口是下线加工，生产线可以

始终在较高的速度下运转。加上产品很低的价位，因此在直径500-600

以下的范围内是HDPE双壁波纹管强劲的竞争对手。

U-PVC结构壁管有刚度好，价格低等优点，但是也有低温抗冲

击性能差的缺点，特别在我国北方冬季施工时非常容易破损。近年来

由于市场竞争激烈，U-PVC的配方性能越来越差，以致在堆放和运

输中也时常发生破损，影响了U-PVC结构壁管市场进一步开发。尤

其是北方市场HDPE结构壁管在这一点上有明显的优势。HDPE结构

壁管有缠绕管和双壁波纹管。

另一种缠绕管就是中空壁缠绕管，这种管材在我国的发展是来自

韩国的技术。2000年我国引进了10条韩国中空壁缠绕管生产线。由

于投资较小，生产过程简单，又可以生产直径2000或者更大的缠绕

管，因此很快在我国形成了大口径中空壁缠绕管热。有20多个设备

生产企业开发了中空壁缠绕管生产线，实际销售的数量难以统计。但

是这一股热潮没有持续很久，很快就被双壁波纹管取代，主要的原因

是国内双壁波纹管生产线开发成功，并且迅速形成批量的生产能力，

设备的价格也能够为国内企业接受。另一方面在产品经济技术指标

上，双壁波纹管占有一定的优势。因此HDPE双壁波纹管逐渐成为塑

料埋地排水管的主流产品迅速发展起来。

以HDPE双壁波纹管和中空壁缠绕管相比，在相同的直径和相同

的环刚度条件下，双壁波纹管要比中空壁缠绕管节省原料30%以上，

因此在产品的价格上双壁波纹管占有明显优势。

二、聚乙烯（PE）管道的类别

聚乙烯管可分为: 实壁管（Solid-wall pipes）

结构壁管(Structured-wall pipes)

聚乙烯管道最初和最主要的结构形式是通常见到的实壁管。它的

基本特征是沿管材任一位置的横断面处结构尺寸均一致，而且管壁材

料密实、均质。

所谓结构壁管是指对管材的断面结构进行优化设计，以达到减少

材料，增强管材结构性能（如提高刚度）的管材品种。主要有以下几

种。

2.1波纹管

塑料波纹管是指管壁为同心环状中空棱纹的管材，波纹为平行环

型。具有用料省、刚性高的特点。最早的是单壁塑料波纹管，如图

1-1(1)，是指塑料的内、外壁均具有波纹的管材；主要用于高尔夫球

场、农田的暗沟排水管；这种管材的内表面有凹凸，阻碍流体的流动。

双壁塑料波纹管，如图1-1(2)，是在单壁塑料波纹管的基础上发展起

来的，管壁纵截面由两层结构组成，内层光滑，外层为波纹状（波纹

形状可为直角、梯形、正弦形等）。双壁波纹管是同时挤出两个同心

管再将波纹外管熔接在内壁光滑的内管上而制成的。由于管壁截面中

间是空芯的，在相同的外压承载能力下可以比普通的实壁管节省50％

以上的材料。主要用于室外埋地排水管道、污水管道、通讯电缆套管

和农用排水管。

塑料波纹管的最常见的材质是PVC-U和聚乙烯（PE，通常为

HDPE）、聚丙烯（PP，多为PP-B）。最早的波纹管是PVC材料，在

1958～1959年间出现。

PVC-U双壁波纹管的外径通常在800mm以下。

聚乙烯双壁波纹管的外径达到2000mm。

2.2螺旋缠绕管

螺旋缠绕成型的管材种类比较多。其共同特点是在缠绕芯轴上螺

旋缠绕挤出的PVC-U和HDPE型材而成型为整体管材。技术的特点

是管材口径由螺旋缠绕芯轴直径决定，而芯轴直径可以设计得很大，

因此可以用较小的挤出机生产口径很大的管材。

螺旋缠绕中空壁（双层壁或多层壁）高密度聚乙烯管

该技术先挤出方管型材坯，通过缠绕成型台缠绕成型管子，如图

1-2，在方管型材缠绕熔接时，向型管间挤出工字型填充的熔料。该

类型管子的优点是管内壁、外壁均平滑，方便连接。

以上是按照管道的结构特征分类的，当然，还有按照管道的材料

的品种分类的，如：主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙

烯（PP）。按照管道的材质组成分类，如管壁是由两种或两种以上的

不同材料分别组成的结构部分复合在一起构成的，这种管子为结构复

合管。结构复合管由分为塑－塑复合管，塑－钢复合管、塑－铝复合

管等。

三、

3.1水力条件好

由于HDPE管内壁表面光滑，管道的粗糙系数n＝0.009～0.01，按曼

宁公式计算流量时，同等管径条件下，比砼排水管过流量大30％，

即选用HDPE管，其管道管径可以选用砼（钢筋）缩小1～2个管道

等级。

3.2 密封性好

可实现零渗漏，由于管道连接可采用电熔焊技术，便接口处的两段管

安全熔为一体，保证了管道接口不会渗漏。

3.3生产的管径范围广

HDPE管目前可生产的管径范围为200～4000，比PVC管生产的管径

范围要广（PVD管管径最大为DN600）。

3.4耐腐蚀

抗老化性能好，由于HDPE管的原材料为高分子成分的聚乙烯组成，

更能有效地抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀和未经处理的工业废水和生

活污水的侵蚀，其抗老化性能比PVC管比

3.5柔韧性好

HDPE管属柔性管，延伸性能好，能适应地基较差条件下的施工及避

免地基沉降对管道性能的影响。特别是在沿海地区，工程地质条件普

遍较差，沉降严重，该种管材与其它管材相比，具有明显的优势。

3.6质量轻

安装方便，减轻了劳动强度，缩短了施工工程

3.7强度高

使用寿命长，由于HDPE管是采用100％高密度聚乙烯在热熔状态下

整体制成的管道，其整体性好，化学性质稳定，强度高，使用寿命长，

一般可达50年以上。

四、结构计算

4.1竖向变形计算

管道外压荷载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静荷

载，以及运输车辆经过时产生的动荷载。HDPE属于柔性管，在外压

荷载下管材和周围的土壤（回填材料）产生“管土共同作用”（即管

材和周围土壤（回填材料）共同来承受外压荷载）。目前世界各国在

埋地管道的设计计算方面还没有完全一致的方法，但是绝大多数国家

都以美国Spangler公式衣阿华公式作为计算埋地柔性管外压荷载下

变形量的基础公式。Spangler公式如下：

DKWr

Lc

3

X

3

EI0.061E'r

Spangler 模型土壤压力分布

《埋地聚乙烯（HDPE）排水管道工程技术规定》也是以此公式

为基础的。《规定》中计算HDPE管在外压荷载下，竖向管道变形量

的公式5.3.2-1：

wD

d,maxl

KFqD

dsv,kqvk1





EI/r0.061E

ppdo

3

其物理含义是

变形量系数D

l

系数K土压力F系数车辆压力q管径D

dsv,kqvk1





管材参数EI/r0.061土壤参数E

ppdo

土压力车辆压力

物理含义可简化为

管材参数土壤参数

3

变形量系数

从5.3.2-1中可以清楚地看出决定埋地柔性管外压荷载下变形量

的一方面是荷载的大小（公式中分子部分），另一方面是管材结构性

能和周围土壤结构性能两者之和（公式中分母部分的两项）。所以，

决定HDPE管铺设后能否正常工作的，荷载、管材和土壤（回填）三

个参数都很重要，而且相互影响。

4.2环刚度的物理定义和测定。

根据承受荷载的管土共同作用，从5.3.2-1中可以看到管材的结

构性能是决定能否承受荷载的重要参数。这个管材参数（抗外压荷载）

有三个由管材材料、结构和尺寸决定的因素（Ep Ip ro）：

管材参数

EI

pp

r

3

Ep---管材短期的弹性模量（kN/m

2

）

Ip----管道纵截面每延米管壁的惯性矩（m/m）

4

ro----管道计算半径（管壁中性轴半径）（m）

所以，从理论上讲，每当我们进行塑料埋地排水管设计时必须首

先知道这三个数值，然后才能放在公式中去设计计算。由此，如果设

计时根据了这三个数值，生产企业提供的管材就要保证这三个数值。

但是，在实践中这三个数值不容易获得。首先，管材的弹性模量不容

易测量，采用不同牌号和不同配方的原材料弹性模量都会有很大变

化。此外，管道纵截面每延米管壁的惯性矩很难计算（埋地塑料排水

管一般采用结构壁管，结构截面常常是比较复杂的几何形状），结构

尺寸（如壁厚）的变动会造成惯性矩明显变化。而且，在设计确定以

后，如果要求制造厂保证这三个数值都不变也是很不现实的。

为此引入“环刚度”，用以保证管材的抗外压荷载的能力。

国际标准ISO对于环刚度S的定义是：

S

EI

D

3

E 材料的弹性模量 I 惯性矩 D 管环的平均直径 单位

是KN/m

2

所以，计算竖向管道变形量的公式可以直接用环刚度数值表示为

wD

d,maxl

KFqD

dsv,kqvk1





8S0.061E

pd

其中Sp 就是国际标准规定的环刚度。

（D=2 ro，==8Sp ）

管材参数

EI

pppp

r

3

8

EI

D

3

因此，只要知道环刚度Sp 的数值，不需要知道弹性模量Ep、

惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值就可以进行设计计算。而环

刚度Sp 的数值可以通过对管材的实际测量来获得。

通过对管材的实际测量来获得环刚度Sp 的方法已经标准化，有

国际标准ISO 9969:1994。我国国家标准GB/T 9647-2003 “热塑性塑

料管材环刚度的测定”等同采用了ISO 9969:1994。

国家标准GB/T 9647-2003测定环刚度的方法比较简单：按要求

的方法在两个平行的平板间压缩一段管材，测量在管直径方向变形达

到3%时的作用力F，就可以按照以下公式计算出管材的环刚度：

S0.01860.025Y/d



F

LY

其中，F –相对于管材3%变形时的力值（kN）

L –试样长度（m）

Y –变形量（m） d—内径（m）

4.3 环刚度的选择方法

环刚度是HDPE管抗外压负载能力的综合参数，显然，为了保证

HDPE管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之

一。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳

破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，

将造成用材料太多，成本过高。

环刚度的选择不仅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（变形量公式中的数值Ed—管侧土综

合弹性模量（kN/m2），Ed又取决于回填材料的种类、压实程度、槽

侧原状土情况等）。环刚度的选择是先初步选择，然后进行‘管道结

构设计’，进行管道变形验算、强度计算、压屈失稳计算等。如果计

算结果不满足要求就增大环刚度重新计算（或者减少后重新计算）。

五、施工

5.1存储

长期存储在直接阳光下和（或）高温下能造成影响铺设的过分损

伤。

为避免这种危险推荐如下：

⑴遮挡管材堆，不让受直接和连续的阳光，布置得让管材周围的

空气能够自由流动。

⑵管件存储在盒和箱内，盒箱要做得容许空气自由流通。

⑶保护弹性密封圈不受直接阳光。

5.2连接

连接应该总是按照制造者的指示进行。如果没有这种指示，推荐

如下：

⑴当密封圈放置在承口内时，插口端应该倒角或去毛口。

⑵应该只用管材或管件制造者提供的密封圈和润滑剂。

⑶在现场切割管材时，切割应该垂直并位于适当的切割区内。切

割后端头要倒角或去毛口，达到和制造者提供管材同样的光滑程度。

⑷管端，承口和密封圈槽应该清洁。密封圈应该放置在正确的位

置。

⑸应该在整个已倒角的端头上，在承口区域或者在已固定的密封

圈上适当地涂润滑剂。

⑹插口应该小心地对准连接的承口，并插入到要求的承插深度。

当应用一撬杠进行管材插入连接时，应该在撬杠和管材端头间垫一块

木材来防止管材的受损。

5.3覆土

施工时管顶覆土厚度不宜太薄。在车行道下当管顶覆土为0.7m

时，管顶0.4m填土范围己进人道路的结构层，采用机械压安会对管

道造成较大变形。因此一般情况下，管顶覆土不宜小于0.9m。为此，

当道路雨水集水井的过路条件不能做到0.9m时，应采取适当措施，

减少管道变形。

5.4管道与检查井的连接

⑴粗化处理：先用毛刷或棉纱将管壁的外表面清理干净，然后均

匀地涂一层塑料胶粘剂，紧接着在上面撒一层干燥的粗砂，固化10～

20min，即形成表面粗糙的中介层。中介层的长度与检查井的壁厚相

同。

⑵检查井底板基础，应与管道基础垫层平缓顺接。