基于可靠度的腐蝕混凝土排水管道評(píng)估方法

王詩(shī)烽

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125)

1 鋼筋混凝土排水管道腐蝕損壞概況

在排水管道設(shè)施量快速增長(zhǎng)，數(shù)量日益龐大的同時(shí)，大量建造時(shí)間比較久遠(yuǎn)的管道仍在使用。在排水管道運(yùn)行使用的過(guò)程中，因排水管道腐蝕性損壞造成的污水冒溢、道路積水、水體污染、地面沉陷等事故時(shí)有發(fā)生，此類事故征兆不明顯，在日常養(yǎng)護(hù)過(guò)程中難以發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，由于管道滲漏等病害，造成大量地下水隨管道流失，造成水資源的浪費(fèi)和下游泵站及污水廠能源的損失。

從排水管道建設(shè)和運(yùn)行調(diào)研結(jié)果看，除了建國(guó)初期開(kāi)始建設(shè)的、使用已達(dá)半個(gè)世紀(jì)以上的管道出現(xiàn)損壞外，一些尚在設(shè)計(jì)使用年限中的管道也由于使用環(huán)境因素發(fā)生腐蝕等損壞現(xiàn)象。這些情況嚴(yán)重影響了排水管道的安全運(yùn)行。及時(shí)修復(fù)排水腐蝕排水管道是排水管道運(yùn)行的必要條件。

2 可靠度的基本概念［1］

可靠度理論在結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估領(lǐng)域已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用，在研究計(jì)算腐蝕的鋼筋混凝土排水管道損壞概率時(shí)，將排水管道作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體系，并將結(jié)構(gòu)可靠度理論中的方法與概念移植到鋼筋混凝土排水管道的可靠度分析研究工作。結(jié)構(gòu)可靠度基本定義為在規(guī)定的時(shí)間和條件下，結(jié)構(gòu)體系完成預(yù)設(shè)功能的概率，是結(jié)構(gòu)體系可靠度的概率度量。工程結(jié)構(gòu)可靠度，是設(shè)定的時(shí)間和條件下，結(jié)構(gòu)體系具有的滿足預(yù)期安全性、適用性、耐久性等功能的能力。決定可靠度的各種因素存在不確定性，如材料、荷載等性能的變異，環(huán)境的改變，工程質(zhì)量的不穩(wěn)定性等等，上述影響因素一般是隨機(jī)的，因此，結(jié)構(gòu)體系完成預(yù)定功能的能力只能用概率度量。結(jié)構(gòu)體系能達(dá)到預(yù)設(shè)功能的概率，即為可靠概率;結(jié)構(gòu)不能達(dá)到預(yù)設(shè)功能的概率，即為失效概率。對(duì)于鋼筋混凝土排水管道，安全性即要求正常施工和使用時(shí)，在可能出現(xiàn)的各種地面動(dòng)荷載、靜荷載的作用，以及在偶然的大荷載發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，仍然能夠保證整體穩(wěn)定性，不破裂、不坍塌;適用性即要求在正常的使用時(shí)具有良好的工作性能，保障管道不滲漏，輸送的水不進(jìn)入土壤;耐久性，即要求在正常的使用條件下具有足夠的耐久性能，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，混凝土及鋼筋損耗在可接受范圍內(nèi)。

3 可靠度用于排水管道腐蝕評(píng)估的意義

由于腐蝕所造成的排水管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、修復(fù)代價(jià)較大，采取表觀判斷與應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估并不非常準(zhǔn)確，無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，造成管道修復(fù)是否需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)無(wú)有效依據(jù)，難以把握管道修復(fù)的時(shí)機(jī)與修復(fù)目的。腐蝕排水管道修復(fù)設(shè)計(jì)的目的，就是力求最佳的經(jīng)濟(jì)效益，將失效概率限制在人們實(shí)踐所能接受的適當(dāng)程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，兩者是互補(bǔ)的。因此，腐蝕排水管道鋼筋混凝土管道修復(fù)的目的，就是力求最佳的經(jīng)濟(jì)效益，將結(jié)構(gòu)失效概率限制在排水管道所處環(huán)境所能接受的水平之上。在判斷管道損壞程度時(shí)，首先需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，其次還需要進(jìn)行可靠度分析評(píng)價(jià)。管道在均勻腐蝕條件下，除了應(yīng)力水平的升高，其可靠度也將逐年下降，因此，有必要對(duì)排水管道在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的可靠度進(jìn)行計(jì)算分析，以指導(dǎo)管道的修復(fù)設(shè)計(jì)。

4 腐蝕混凝土管道可靠度評(píng)估方法

首先應(yīng)進(jìn)行排水管道調(diào)查，包括管道建設(shè)年代、管徑、埋深。管道腐蝕環(huán)境檢測(cè)，包括硫化氫濃度，腐蝕深度檢測(cè)。其次應(yīng)在排水管道調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行腐蝕壽命預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)使用壽命下的可靠度評(píng)估:

1)排水管道失效概率標(biāo)準(zhǔn)。采用可靠度的評(píng)估方法，管道目標(biāo)失效概率應(yīng)不大于設(shè)定的可以接受的失效概率，即為管道目標(biāo)安全水平。其確切定義為:對(duì)于一個(gè)可接受的最大失效概率，超過(guò)目標(biāo)失效概率即視為不安全，需采取結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)措施予以加固。管道安全水平的確定是從安全、經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，達(dá)到一個(gè)為管道所處環(huán)境下的公眾可普遍接受的安全可靠度。選擇排水管道目標(biāo)失效概率時(shí)，同時(shí)需要考慮失效性質(zhì)、失效的不良后果以及修復(fù)管道的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)代價(jià)。確定管道目標(biāo)失效概率的方法主要是對(duì)比管道失效破壞事故的資料及現(xiàn)有管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的可靠度安全水平。按以上原則，根據(jù)管道所處地區(qū)的重要性和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)確定排水管道運(yùn)行的目標(biāo)安全可靠度和可接受的失效概率。具體的目標(biāo)可靠度和可接受失效概率指標(biāo)，一般情況下，偏僻地區(qū)排水支管、管徑較小的管道失效風(fēng)險(xiǎn)較低，可以接受的失效概率為2.275×10－3，對(duì)于處在一般地區(qū)的管道，排水干管，管徑中等，管道失效帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)適中，可以接受的失效概率為1.350×10－3，對(duì)于處在商業(yè)、住宅地區(qū)的管道及重要輸送管道或大口徑管道，管道失效帶來(lái)的后果較為嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)較高，可接受的失效概率為3.167 ×10－5，如表1 所示。

表1 管道可靠度等級(jí)表

2)管道可靠度計(jì)算與腐蝕壽命預(yù)測(cè)。混凝土腐蝕深度有著隨機(jī)和隨機(jī)過(guò)程性，可采用非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行表述。腐蝕程度的概率密度函數(shù)可按式(1)表達(dá):

其中，t為腐蝕時(shí)間，年;σx(t)，μx(t)分別為混凝土腐蝕深度的平均值函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)，可以表示為:

其中，μk為腐蝕速度系數(shù)平均值;σk為腐蝕速度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

保護(hù)層厚度、腐蝕系數(shù)服從正態(tài)分布。

3)混凝土管道腐蝕壽命分析。混凝土管道腐蝕蝕穿導(dǎo)致耐久性失效，建立關(guān)于極限狀態(tài)方程:

即:

其中，X(t)為混凝土腐蝕深度。

混凝土管道管壁發(fā)生腐蝕蝕穿耐久性失效的概率為:

相應(yīng)的可靠指標(biāo)為:

當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度和腐蝕深度均為正態(tài)隨機(jī)變量時(shí)，其可靠指標(biāo)表達(dá)式為:

給定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)［β］，即可由式(7)求出結(jié)構(gòu)的腐蝕壽命［3］。

5 案例分析

發(fā)生腐蝕損壞鋼筋混凝土排水管道管徑1 400 mm，管壁厚度16 cm，混凝土標(biāo)號(hào)C20，使用20年，管道封堵清淤后人工進(jìn)入管道內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，管道保護(hù)層厚度和腐蝕深度見(jiàn)表2，表3。

排水管道的管壁混凝土保護(hù)層和腐蝕深度均服從正態(tài)分布。根據(jù)管道所處的地理位置與重要程度，取目標(biāo)可靠度［β］=3.0(Pf=1.35×10－3)，相應(yīng)的可以采用式(7)算出該管道管壁結(jié)構(gòu)的腐蝕壽命為20年。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)服役17年，經(jīng)檢測(cè)，混凝土保護(hù)層已幾乎完全缺失，內(nèi)層鋼筋腐蝕殆盡。在給定的失效準(zhǔn)則下，該結(jié)構(gòu)將在3年后達(dá)到其腐蝕壽命，而該管道原設(shè)計(jì)使用年限為50年，故需要采取加固手段進(jìn)行修復(fù)。

表2 管道混凝土保護(hù)層厚度和腐蝕深度測(cè)量結(jié)果

表3 管壁混凝土腐蝕速度系數(shù)計(jì)算指標(biāo)

6 主要結(jié)論

對(duì)腐蝕鋼筋混凝土排水管道進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)前，需要詳細(xì)調(diào)查管道的使用情況與重要程度，確定管道可靠度等級(jí)。并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的腐蝕深度、腐蝕速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)使用壽命期限內(nèi)的可靠度驗(yàn)算。在可靠度計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，所求得的腐蝕壽命可以作為現(xiàn)狀排水管道管壁結(jié)構(gòu)適時(shí)維修及進(jìn)一步預(yù)測(cè)管道結(jié)構(gòu)壽命的依據(jù)。

［1］趙國(guó)藩.結(jié)構(gòu)可靠度理論［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［2］李 田，劉西拉.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，1999:1-16.

［3］夏明進(jìn).基于可靠度分析的現(xiàn)役結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與剩余壽命預(yù)測(cè)［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2005:101-106.