污水管網(wǎng)健康狀況分析與修復(fù)技術(shù)選型*

張輝煌，宮經(jīng)成，黃 超，李祥圣，徐林箏

(中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100161)

0 引言

污水管網(wǎng)是城市排水系統(tǒng)建設(shè)過程中投資最高的部分，是保障城市正常代謝的重要基礎(chǔ)設(shè)施。污水管網(wǎng)正常穩(wěn)定運行，才能保證城市正常運轉(zhuǎn)，保障人民生活質(zhì)量，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保障水環(huán)境治理工作正常開展。但是部分管網(wǎng)建成年代久遠(yuǎn)，排水設(shè)施維護(hù)管養(yǎng)不足，設(shè)施運行狀況不佳。部分管網(wǎng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷，管道出現(xiàn)腐蝕、破裂、滲漏、淤積等問題，造成城市管網(wǎng)排水通行能力降低，局部地域雨水內(nèi)澇、污水橫溢，管網(wǎng)急需修復(fù)。

針對管網(wǎng)修復(fù)問題，本研究采用污水管網(wǎng)健康狀況評價模型，選取管道結(jié)構(gòu)狀況和管道功能狀況作為準(zhǔn)則層，管道破裂程度、滲漏程度、管道充滿度等10個指標(biāo)作為管網(wǎng)健康評估的指標(biāo)層，對管網(wǎng)進(jìn)行健康評價，再根據(jù)評價結(jié)果擬定修復(fù)方案，提高管網(wǎng)修復(fù)效率。管網(wǎng)修復(fù)技術(shù)分為開挖修復(fù)技術(shù)和非開挖修復(fù)技術(shù)，本文從優(yōu)缺點、環(huán)境成本等各方面綜合分析，對各修復(fù)工藝進(jìn)行比選，其中非開挖修復(fù)技術(shù)因其優(yōu)越性在國內(nèi)外均得到廣泛應(yīng)用。

漳州市區(qū)目前大部分城市道路已基本完成雨污水管網(wǎng)鋪設(shè)，形成雨污分流排水體制，但一系列管網(wǎng)問題接踵而至。根據(jù)要求，加快推進(jìn)源頭治理，加快補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板，在實現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理的同時，在全市區(qū)范圍內(nèi)開展城市雨污水管網(wǎng)疏通修復(fù)工作，通過對全市雨污水管網(wǎng)的全面修復(fù)，改善和恢復(fù)排水大動脈，提高城市管網(wǎng)的通排能力，確保城市安全。

1 管網(wǎng)健康狀況評價

1.1 管網(wǎng)健康

污水管網(wǎng)健康是指管網(wǎng)能夠在規(guī)定條件下，安全穩(wěn)定的完成預(yù)定功能，并且不對經(jīng)濟(jì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。管網(wǎng)健康狀況與其完成預(yù)定功能的能力、受周圍環(huán)境影響程度、管網(wǎng)損壞后對周圍環(huán)境的影響程度相關(guān)。能力越強(qiáng)、受影響程度越低、造成的影響越小，則管網(wǎng)越健康。

目前管網(wǎng)健康問題主要分為結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷。結(jié)構(gòu)性缺陷是指管道本體結(jié)構(gòu)遭受損壞，管道剛度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響，主要有破裂、變形、起伏、錯口、腐蝕、脫節(jié)、滲漏等；功能性缺陷是指管道過水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，排水暢通性受到影響，主要有浮渣、沉積、結(jié)垢等。

1.2 管網(wǎng)健康狀況評價系統(tǒng)

1.2.1評價指標(biāo)

本文選取管道結(jié)構(gòu)狀況和功能狀況作為準(zhǔn)則層，10個指標(biāo)作為管網(wǎng)健康評估的指標(biāo)層，對管網(wǎng)健康狀況進(jìn)行綜合評估，如圖1所示。

圖1 管道健康狀況評價系統(tǒng)

1.2.2指標(biāo)分級

為了準(zhǔn)確評價污水管網(wǎng)健康狀況，選擇管道結(jié)構(gòu)狀況和功能狀況作為準(zhǔn)則層，對管網(wǎng)健康狀況進(jìn)行實際診斷，指標(biāo)分級方式如表1所示。

表1 污水管網(wǎng)健康狀況實際診斷指標(biāo)分級

1.2.3管網(wǎng)健康狀況分級

根據(jù)已有研究，將污水管網(wǎng)健康狀況劃分為

“健康(I級)、亞健康(Ⅱ級)、病態(tài)(Ⅲ級)、疾病(Ⅳ級)”4個等級,如表2所示。

表2 污水管網(wǎng)健康狀況分級

1.3 管網(wǎng)健康狀況風(fēng)險預(yù)測及綜合評價模型

以貝葉斯理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建污水管網(wǎng)健康狀況評價模型，根據(jù)管道健康狀況等級的后驗概率，制定管道維護(hù)方案。

1.3.1貝葉斯理論

貝葉斯公式如下：

(1)

式中：P(Si/T)為事件T發(fā)生后事件Si發(fā)生的后驗概率；P(T/Si)為事件Si發(fā)生后事件T發(fā)生的條件概率；P(Si)為事件Si發(fā)生的先驗概率。

基于貝葉斯理論的污水管網(wǎng)健康狀況評價模型為：

(2)

式中：j為評價模型中的評價指標(biāo)；i為管道等級，i=1,2,3,4(S為等級總數(shù))；Nj為管道指標(biāo)j的指標(biāo)狀態(tài)；Mj,i為指標(biāo)j為等級i的事件,j=1,2,…，S，計算時取等級i范圍內(nèi)的管道指標(biāo)j平均值；P(Mj,i)為管道指標(biāo)j處于等級i的先驗概率；P(Nj/Mj,i)為當(dāng)管道指標(biāo)j的等級為i，管道指標(biāo)j狀態(tài)為Nj的概率，即條件概率；P(Mj,i/Nj)為當(dāng)管道指標(biāo)j的狀態(tài)為Nj時，其等級為i的概率，即后驗概率。

其中，先驗概率根據(jù)管網(wǎng)實際檢測結(jié)果中結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷各等級占比確定。

1.3.2條件概率確定

指標(biāo)權(quán)重是否合理直接影響評價結(jié)果的客觀性，本文采用管道結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷各等級權(quán)重作為條件概率，各權(quán)重結(jié)果如表3所示。

表3 污水管網(wǎng)健康狀況評價指標(biāo)權(quán)重

1.3.3管道健康等級

管道各健康等級按式(3)計算：

Zi=QjP(Mj,i/Nj)

(3)

式中：Zi為管道所處健康等級；Qj為準(zhǔn)則層權(quán)重。

1.4 實例分析

本文對A市28條道路進(jìn)行分析，評估管道數(shù)量共1 456條，結(jié)果顯示管道結(jié)構(gòu)性缺陷有2 184處，管道功能性缺陷有139處。統(tǒng)計結(jié)果如表4，5所示。

表4 全管網(wǎng)缺陷統(tǒng)計

表5 管道結(jié)構(gòu)狀況和功能狀況各等級所占比例

將管道結(jié)構(gòu)狀況和功能狀況各等級所占比例作為先驗概率，污水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀況和功能狀況的等級按式(2)計算，管道健康狀況按式(3)計算，計算結(jié)果如表6所示。

表6 污水管網(wǎng)健康狀況計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，研究區(qū)域內(nèi)管道健康等級大多為Ⅲ級，這類管道處于病態(tài)，存在較大的結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷，管網(wǎng)健康問題不容忽視，管網(wǎng)急需進(jìn)行修復(fù)。

2 管網(wǎng)修復(fù)技術(shù)

2.1 開挖修復(fù)技術(shù)

開挖修復(fù)施工工藝流程一般為：施工圖放樣→圍擋及其他警示牌設(shè)置→按井位彈墨線放樣→道面切割破除→溝槽土石方開挖→管溝基礎(chǔ)施工→排水管焊接安裝→檢查井施工→管道閉水試驗→溝槽回填→路面恢復(fù)→路面養(yǎng)護(hù)→圍擋拆除。

2.2 非開挖修復(fù)技術(shù)

非開挖修復(fù)技術(shù)可分為整體修復(fù)和局部修復(fù)。目前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的管道非開挖修復(fù)工藝主要有：紫外光固化修復(fù)技術(shù)、套環(huán)修復(fù)技術(shù)、局部樹脂固化修復(fù)技術(shù)、注漿法修復(fù)技術(shù)等。

2.2.1紫外光固化修復(fù)技術(shù)

紫外光固化修復(fù)技術(shù)屬于整體修復(fù)，是原位固化修復(fù)技術(shù)中的一種，將玻璃纖維軟管拉入待修復(fù)管道，通過紫外光照射，使玻璃纖維軟管固化緊貼于原有管道內(nèi)壁，形成堅硬襯層，從而實現(xiàn)管道修復(fù)。紫外光固化修復(fù)技術(shù)適用范圍廣，不局限于圓形斷面管道修復(fù)，幾乎所有斷面形狀都適用，修復(fù)時間快，幾小時便能完成，修復(fù)完即可投入使用，且無需開挖路面，施工方便簡單，費用低。

漳州市區(qū)內(nèi)河水環(huán)境綜合整治PPP項目采用紫外光固化修復(fù)技術(shù)，施工工藝流程如圖2所示。

圖2 紫外光固化修復(fù)技術(shù)工藝流程

2.2.2套環(huán)修復(fù)技術(shù)

套環(huán)修復(fù)技術(shù)屬于局部修復(fù)，是利用專業(yè)液壓設(shè)備對止水套環(huán)施壓，使其在管道接口或局部損壞部位固定安裝，修復(fù)管道滲漏。該技術(shù)施工速度快、工期短、修復(fù)穩(wěn)定性好，但對過水?dāng)嗝婧退餍螒B(tài)有影響。常用的有不銹鋼雙脹環(huán)修復(fù)技術(shù)和不銹鋼發(fā)泡筒修復(fù)技術(shù)等。本項目采用不銹鋼雙脹環(huán)修復(fù)技術(shù)，工藝流程如圖3所示。

圖3 不銹鋼雙脹環(huán)修復(fù)技術(shù)工藝流程

2.2.3局部樹脂固化修復(fù)技術(shù)

局部樹脂固化修復(fù)技術(shù)又稱氈筒氣囊局部成型法。該技術(shù)是在玻璃纖維氈布上涂抹樹脂混合液，然后通過空氣壓縮機(jī)加壓，使氣囊膨脹將氈布緊壓于待修復(fù)管道內(nèi)壁，再通過常溫或加熱等方式，使氈布固化形成內(nèi)襯管，實現(xiàn)管道修復(fù)。局部樹脂固化修復(fù)技術(shù)屬于局部修復(fù)，針對性強(qiáng)，可降低修復(fù)成本，修復(fù)快速且質(zhì)量高，但材料費用高，且缺乏整體性。本項目局部樹脂固化修復(fù)技術(shù)工藝流程如圖4所示。

圖4 局部樹脂固化修復(fù)技術(shù)工藝流程

2.2.4注漿法修復(fù)技術(shù)

注漿法修復(fù)技術(shù)是在管道開裂處或接口處注入無機(jī)漿液或化學(xué)漿液，從而對管道進(jìn)行修復(fù)。使用注漿法修復(fù)的管道結(jié)構(gòu)性需完好，注漿法主要用于修復(fù)管道的滲漏處(接頭部分)或磚制的污水管道。注漿法施工費用低，密封能力強(qiáng)，很多管材都適用，但施工質(zhì)量難以保證，可與其他非開挖修復(fù)技術(shù)結(jié)合使用。本項目采用輔助修復(fù)(預(yù)處理注漿)技術(shù)-地基加固防滲施工，工藝流程如圖5所示。

圖5 注漿法修復(fù)技術(shù)工藝流程

2.3 修復(fù)技術(shù)比選

2.3.1功能性缺陷修復(fù)

管道功能性缺陷可采用管道疏通技術(shù)解決，目前常用的疏通技術(shù)有：推轉(zhuǎn)桿疏通、水力疏通、高壓射水+絞車疏通、高壓射水+噴射銑頭(見表7)。

表7 常用疏通技術(shù)對比

2.3.2結(jié)構(gòu)性缺陷修復(fù)

現(xiàn)狀道路排水管網(wǎng)修復(fù)，一般采用開挖修復(fù)技術(shù)和非開挖修復(fù)技術(shù)。開挖修復(fù)技術(shù)主要適用于道路交通面寬廣、非交通要道、不阻塞城市其他使用功能的部位。非開挖修復(fù)技術(shù)主要適用于交通要道，人車流量大或地下管線復(fù)雜、開挖深度大，使用基坑支護(hù)的工作面不足或基坑支護(hù)費用高以及嚴(yán)重影響城市環(huán)境等的管段修復(fù)。

由于開挖修復(fù)技術(shù)施工周期長、安全性低、增加城市交通負(fù)擔(dān)、對周圍居民造成影響等原因，優(yōu)先選用非開挖修復(fù)技術(shù)。但非開挖修復(fù)技術(shù)不適用于管道變形、異物穿入、支管錯接等情況，此時應(yīng)采用開挖修復(fù)技術(shù)。主要對非開挖修復(fù)技術(shù)進(jìn)行對比，如表8所示。

表8 非開挖修復(fù)技術(shù)對比

3 結(jié)語

針對目前污水管網(wǎng)存在的問題，采用污水管網(wǎng)健康狀況評價模型，對污水管網(wǎng)健康狀況進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知漳州市污水管道健康狀況大部分為Ⅲ級，存在較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷，需要進(jìn)行修復(fù)。通過污水管網(wǎng)健康狀況評價模型對現(xiàn)有管網(wǎng)進(jìn)行分析，便于決定管道修復(fù)先后次序并指定管道維護(hù)方案，提高管道維護(hù)和修復(fù)效率。

管網(wǎng)修復(fù)技術(shù)中，非開挖管道修復(fù)技術(shù)雖起步較晚，但發(fā)展迅速。與開挖修復(fù)技術(shù)相比，非開挖修復(fù)技術(shù)可提高施工效率、控制施工成本、減小施工影響范圍且施工安全性較高，因此被廣泛應(yīng)用。本文對各種修復(fù)技術(shù)進(jìn)行對比，分析各修復(fù)技術(shù)適用條件及優(yōu)缺點，施工時可結(jié)合實際情況進(jìn)行具體修復(fù)技術(shù)選型。