城市管網大口徑給水管道爆管的應對措施研究

李 娜

(太原供水集團有限公司 城北營銷分公司，山西 太原 030000)

隨著我國經濟社會的持續高速發展，城鎮化進程的不斷推進，居民生活水平發生了質的變化，特別是十八大之后，在精準扶貧和鄉村振興戰略的實施之下，公共基礎設施建設更加完善，不僅是大中城市的城區居民，就連中小城市、縣城及大多數的村鎮居民也開始喝上了安全的自來水。自來水作為城市的“血液”，是公共服務行業中最為關鍵和重要的組織，而城市供水管網作為城市血液的輸送動脈，重要性自然不言而喻。但是，由于管網老化、居民用水量和壓力要求的多樣化以及應急管理水平的相對落后等多方面因素的綜合影響，導致“跑、冒、滴、漏”現象時有發生，特別是大口徑管道的爆管，給城市公共管理水平的提升帶來了巨大的挑戰，既是學者專家關注的研究熱點問題，同樣是供水企業迫切需要解決的現實問題。

1 爆管的機理研究

1.1 管道材質與應力作用

目前，我國城市主干管網的大口徑管道多數是鑄鐵管為主，國家標準為2 MPa的壓力要求，但是，因為城市供水中多數的用戶管網出口壓力要求一般在0.7 MPa及以下，因此，在鑄鐵管的生產中為了追求產量效率和經濟效益，很多鑄管企業開始將原來的離心澆注的金屬工藝流程變成了連續澆注的金屬工藝。沉沒成本低、生產效率高、生產勞動環境好以及冷卻速度快等優點使得后者的工藝流程成了很多鑄管企業的生產方式。同時，殘留應力、材質不均勻等缺點使得后者生產的鑄鐵管會在高壓承受、劇烈震動、水錘效應的沖擊以及不均勻的沉降等方面發生管體受損，并且，氣泡、殘渣也更容易滯留在管壁的內部，致密性相對差一些。這樣一來，當管壁發生水壓劇烈變動帶來的內壓承受引起環向拉應力、外部受到壓力作用而引起了環向彎曲壓力以及土體的移動和升降而引起縱向的彎曲應力或承口開裂應力，長時間的累積作用，管道局部就會發生承口開裂、側向開裂、縱向開裂或環口拉裂等問題以致使爆管問題發生。

1.2 接口問題

目前，我國城市管網的大口徑管道接口問題處理中，一般以剛性的承插式為主。由于承接口處的管道具有承口、插口雙壁道，當受到內部水壓改變或外部荷載的壓力時，承口受拉而伸脹但插口受壓而壓縮，極其容易導致兩者發生擠壓等問題引起應力集中，而鑄鐵管的固有金屬特性使得它在柔性方面嚴重不足就會發生割裂而引起爆管事故的發生。

1.3 內外部腐蝕

因為管道長時間的埋在地下，管道周邊的土壤環境中的電解質、化學物質等多種因素的綜合作用極易使得管道外壁受到腐蝕而變薄和強度下降，同時，管道內壁因為余氯等各種微量的化學物質對其發生腐蝕作用。在內外壁受到腐蝕的同時，產生了一定量的管垢之后，成了微生物寄生的港灣，在水中有機物營養物質的催化之下，細菌極其容易繁殖而加劇了管道內外壁的腐蝕。久而久之，跑、冒、滴、漏問題時有發生進而導致爆管事故。

1.4 水錘和氣囊效應

長距離、大口徑的供水管網由于水量的變化和水壓的變化，在經過地形高低起伏不平的地段時，就會因為沒有足夠的或安裝位置不合理的排氣閥和泄水閥等必要的裝置起到應有的作用，隨著溫度和水流速度的變化等，使得管道內部的氣體時而發生壓縮時而發生膨脹帶來了壓力變化幅度的擴大或壓力變化周期的縮短，這樣就會對管壁內部造成激烈持續而頻繁的沖擊，是造成大口徑管道爆管的主要原因之一。再者，由于突發事件而關閉閥門或停水時的操作不當等原因，管道內出現負壓或水流倒流等，同樣會使管道內壁發生劇烈的沖擊，造成水錘效應而對管網造成巨大的損害。

1.5 施工挖斷或挖爆

因為當前我國城市基礎設施建設的不斷實施，各個施工單位挖斷電纜、挖斷供水管道等問題時有發生。再者，因為周邊的施工開挖土方，極易使周邊的地基環境發生破壞，帶來了地面升降，使得供水管網發生了位移、不均勻沉降，進而帶來了管道局部的破裂等，據不完全統計，這樣的人為因素是城市供水管網發生爆管的主要誘導因素之一。

2 爆管的危害

對于任何一個城市而言，供水管網就是城市的血管，自來水就是城市的血液，即使是幾小時的停水也會給居民帶來工作和生活的不便，造成不小的損失。比如，2003年8月，哈爾濱市人和世紀廣場因為局部供水管網的爆管，造成了大面積的塌方，導致13人死亡的重大事故發生；2010年11月鄭州西環路立交橋大口徑供水管道發生爆管，水流蔓延500多m，水深50多cm，影響到周邊區域80多萬居民的用水。爆管造成的危害可以總結為以下兩點。

2.1 直接危害

大量的自來水外溢到路面，給行人和區域之內的居民出行帶來了極大的不便，影響了交通的正常運行，并且，造成了水資源的大量浪費和損失。再者，水流極有可能淹入倉庫、電纜井、居民區以及地下室等地方，造成財產損失和其他的負面影響。

2.2 間接危害

大量的自來水外溢到路面，極有可能造成路面地基的破壞，造成塌方的更大事故的發生，進而發生人員傷亡的事故。停水造成了醫院或工廠等重要生產單位的工作職能不能正常運行，間接導致了各種損失的造成。

3 大口徑管道安全運行及爆管預警和搶修對策

大口徑爆管事故的發生，除了人為因素施工挖斷之外，一般是一個長期連續而動態的過程，是管道日積月累受到了壓力變化和水流變化的內部沖擊和外部環境發生改變而管道外壁受到擠壓和變形的結果，是量變引起質變的過程。因此，在供水管網安全運行及爆管預警和搶修是一個系統的整體的流程，防患于未然，將事故扼殺在萌芽之中，即使發生爆管事故，也將事故的應急搶修流程進行科學化及時化升級改進，將損失限定在最小范圍之內，是城市供水安全保障的必要前提。

3.1 GIS系統的構建與完善

目前的城市供水管網管理系統，實現了供水管網圖形數據和屬性數據的計算機錄入、修改；對管線及各種設施進行屬性查詢、空間定位以及定性、定量的統計、分析；對各類圖形(包括管線的橫斷面圖和縱斷面圖)及統計分析報表顯示和輸出。GIS應用于供水系統所產生的功效還遠不止于此。因此，GIS在供水系統中的應用，就不能僅僅作為一個圖形庫和數據庫只是停留在管網日常管理的水平上，還應該利用GIS分析、模擬與預測的強大功能，與專業理論、方法相結合，進行深度開發，為管網規劃設計、建設施工、各種運行狀態下的優化調度以及事故搶修等提供決策支持。

在GIS更多功能的利用開發方面，應當結合城市供水的實際需求，根據既有的統計數據資料等客觀科學合理的歷史信息，構建數學模型，對管網的運行動態進行模擬。在具體的實施過程中，利用GIS的數字高程模型，將管網的壓力、流量和速度等關鍵的動態數據以即時的動態模擬形式通過三維的圖形直觀地展現出來，并進行實際的數據監測對比，對模型進行修正以提升精度。在此基礎上，合理設置測壓點、開關閥門和排氣閥等必要的設施裝置，進行壓力水量等關鍵數據的預警。

3.2 加快管網設施的更新改造升級

從各大城市歷年的大口徑供水管道爆管統計數據來看，爆管多發生在舊城區的舊管網區域。因此，對舊管網進行改造升級是減少大口徑爆管事故發生的關鍵之所在。并且，根據筆者的前述分析，應當在管材上更多的選擇離心球墨鑄鐵管或鋼管，嚴格按照國家規范標準進行材料的選擇采購、施工安裝，做到材料過關、施工過關和后續的維護保養過關。同時，在運輸過程中、倉庫存儲過程中，嚴格按照各個設施裝備的自有特性和材料屬性進行科學合理的存放運輸，從采購、入庫、出庫、安裝施工和后續的維護保養以及智能化GIS的動態監測每一個環節都要做到規范化和標準化，不在任何一個環節發生問題，確保城市供水供水管網的安全穩定運行。