滑坡背景下山區(qū)污水管道沉降變形檢測

李喜章

（甘肅第六建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

山區(qū)污水管道建設工程對山區(qū)污水的集中處理至關重要，受山區(qū)各類自然災害的影響，污水管道的長期使用，會出現(xiàn)不同程度的沉降變形現(xiàn)象[1]。一旦污水管道出現(xiàn)沉降變形，會直接降低管道結(jié)構(gòu)的使用性能與承載能力，嚴重情況下，形成山區(qū)安全隱患，引發(fā)山體滑坡[2]。現(xiàn)階段，我國在污水管道沉降變形檢測方面的研究逐漸成熟。然而，傳統(tǒng)的檢測方法對于檢測環(huán)境與檢測條件的要求較高，局限性較強，導致實際應用過程中存在一定的不足[3]。傳統(tǒng)管道沉降變形檢測方法適用于管道埋置深度較淺的環(huán)境中，采用數(shù)值分析的方法，對管道結(jié)構(gòu)、管道埋置土體加固情況作出分析[4]。對地質(zhì)條件要求較高，檢測周期較長，且沉降變形檢測結(jié)果與實際結(jié)果之間偏差較大，不能為管道沉降變形預測提供可靠的數(shù)據(jù)支持[5]。

基于此，本文在傳統(tǒng)管道沉降變形檢測方法的基礎上開展了優(yōu)化設計，即針對滑坡背景下山區(qū)污水管道的實際情況與埋置特征，設計了一種全新的管道沉降變形檢測方法，為提高山區(qū)污水管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、保證山區(qū)污水處理的質(zhì)量提供了技術支撐。

1 山區(qū)污水管道沉降變形檢測

1.1 山區(qū)污水管網(wǎng)計算

本文設計的山區(qū)污水管道沉降變形檢測方法中，首先，對山區(qū)污水管道的建設情況與所處地區(qū)特征進行全方位分析。在此基礎上，采集污水管道埋置坡度、管徑大小等參數(shù)，對污水管網(wǎng)進行計算，獲取污水管道的流量、管道水力等信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的污水管道沉降變形檢測提供基礎保障[6]。將山區(qū)污水管道日最高污水流量作為管網(wǎng)的設計流量[7]。確定管網(wǎng)的上游起端節(jié)點與末端節(jié)點，計算山區(qū)污水管道設計流量，公式為：

式中：

Q a——山區(qū)污水管道的設計流量；

K——山區(qū)污水管道內(nèi)污水的總變化系數(shù)；

q a——每公頃山區(qū)面積的污水平均流量；

F——污水管道各個管段負擔的排水面積。

根據(jù)山區(qū)污水管道設計流量計算結(jié)果，反映出管道埋置山區(qū)的污水流量以及對污水流經(jīng)管道產(chǎn)生的最大壓力，獲取污水管道的承載能力。在此基礎上，依據(jù)曼寧計算原理，對山區(qū)污水管道的水力進行計算，公式為：

式中：

v a——山區(qū)污水管道內(nèi)的流速；

n——污水管道內(nèi)壁的粗糙系數(shù)；

R——山區(qū)污水管道的水力半徑大小；

i——山區(qū)污水管道的水力坡度。

基于山區(qū)污水管道水力計算結(jié)果，判斷污水管道的連接方式與設計坡度的變化[8]。深入分析山區(qū)污水管道設計的充滿度，實時觀測并記錄管道內(nèi)污水水量的變化，按照水管滿管流量符合的要求，控制水管內(nèi)的污水流速與流量[9]。對污水管道進行排水分區(qū)劃定處理，按照等高線劃出分水線，基于分水線的動態(tài)變化，檢測污水管道的埋深情況，判斷管道內(nèi)污水能否通過重力自流的方式接入[10]。

1.2 布設沉降變形檢測點

山區(qū)污水管網(wǎng)計算完畢后，獲取管道的設計流量與流速參數(shù)，得出污水管道埋深結(jié)果。在此基礎上，依據(jù)霍爾效應原理，在污水管道內(nèi)布設沉降變形檢測點。

本文設計的污水管道沉降變形檢測斷面檢測點布設示意圖見圖1所示。

圖1 污水管道沉降變形檢測斷面檢測點布設示意圖

從圖1可知，各個檢測點之間布設的距離與數(shù)量均相等，能夠提高沉降變形檢測結(jié)果的精度。首先，使用霍爾傳感器對污水管道周邊的磁場進行檢測，采集管道運行的輸出特性數(shù)據(jù)。對輸出特性數(shù)據(jù)進行深度分析，根據(jù)分析結(jié)果，設定PVC管的布設位置，在污水管道中布設帶有導槽的PVC管。在管道外的待檢測分層處，設置檢測磁環(huán)，使檢測磁環(huán)與周圍土體保持同步沉降。利用霍爾元件的測頭，檢測污水管道的磁環(huán)定位。在布設污水沉降變形檢測點時，綜合考慮管道埋置的地形條件、埋置高程數(shù)據(jù)以及污水主干管道的走向。選取管道埋置地勢較低的位置，根據(jù)管道主干管的走向，均勻布設沉降變形檢測點。保證檢測點所在位置的平整度，確定該檢測位置能夠反映污水管道的建設情況，避免出現(xiàn)污水管網(wǎng)堵塞的問題。

1.3 分層檢測管道沉降變形量

在山區(qū)污水管道沉降變形檢測點布設完畢后，對山區(qū)滑坡情況進行分析，并在此基礎上，采用分層檢測的方法，全方位、全過程地檢測管道的沉降變形量。

由于山區(qū)地理位置較特殊，受到自然條件與環(huán)境因素的影響，山體斜坡上的巖土受到較大的重力作用時，其山體的軟弱結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)帶可能產(chǎn)生不同程度的剪切位移，進而導致山體整體出現(xiàn)斜坡下方移動現(xiàn)象，出現(xiàn)山體滑坡危害。為了提高山區(qū)污水管道沉降變形檢測結(jié)果的精度，相關工作人員在檢測工作開始前，應對污水管道所在的山區(qū)環(huán)境與地質(zhì)條件作出全面分析，分析山體滑坡的可能。本文采用分層檢測的方法，對污水管道的沉降變形量進行深入檢測。選取精度較高的激光測距儀，將其放置在管道沉降變形檢測斷面的檢測點周圍，測量管道的垂直沉降數(shù)據(jù)。選取同樣測量精度的傾角傳感器，將其布設在檢測磁環(huán)附近，通過檢測磁環(huán)與傾角傳感器之間的聯(lián)動作用，測量污水管道的橫向變形數(shù)據(jù)。每經(jīng)過一個檢測點，進行一次沉降變形傾角測量，污水管道垂直沉降量y i與橫向位移變形量x i的計算公式分別為：

式中：

L i——污水管道傾角位移量；

βi——第i個沉降變形檢測點的傾角。

將污水管道垂直沉降量與橫向位移變形量進行整合處理，獲取山區(qū)污水管道沉降變形檢測結(jié)果。需要注意的是，當污水管道沉降變形量過大時，應當調(diào)節(jié)激光測距儀與傾角傳感器的測量范圍，并引入多個傳感器，將其埋置在管道周邊土體中，使其與管道下方土體變形情況保持一致。在激光測距儀、傾角傳感器與讀數(shù)儀之間建立連接，實時接收并讀取測量儀器的動態(tài)數(shù)據(jù)，完成滑坡背景下山區(qū)污水管道沉降變形檢測的目標。

2 實驗內(nèi)容

針對滑坡背景下山區(qū)管道沉降變形檢測問題，設計沉降變形檢測的整體流程。在此基礎上，為了進一步驗證設計檢測方法的可行性，進行如下實驗。

2.1 實驗準備

選取X山區(qū)污水管道建設工程為研究對象，該污水管道建設工程沿江而建，含有多個污水處理設施。定期收集周邊鎮(zhèn)區(qū)產(chǎn)生的生活污水與工業(yè)污水，沉淀處理后排入江內(nèi)。X污水管道所在山區(qū)屬于濕潤型氣候，夏季溫度較高，較為炎熱，冬季沒有較高的嚴寒氣溫，年平均氣溫約為19.4℃，其中，夏季最高溫度可達43.5℃，冬季最低氣溫可達-4.6℃；年降水量在816.4～1627.5mm范圍內(nèi)，降雨期相對集中，主要在6～8月，此時間段內(nèi)的降水量約占全年降水量的72.5%以上。山區(qū)處于山脈的南段，整體山脊較長，其延伸方向與山體的背斜軸向基本保持一致。山區(qū)的絕對高度為816.4m，最低基準面標高為311m，相對高差為505.4m。山區(qū)內(nèi)的山脊相對平緩，地形坡度在8～23°范圍內(nèi)，大多數(shù)在11～15°內(nèi)，整體山區(qū)屬于丘陵地貌。

X山區(qū)污水管道建設工程于5年前竣工，每隔一段時間，相關的工作人員會對污水管道的使用情況與使用性能進行質(zhì)量驗收與檢測，判斷管道結(jié)構(gòu)是否存在沉降變形情況。在最近一次污水管道質(zhì)量驗收中，發(fā)現(xiàn)管道受到地質(zhì)環(huán)境與自然環(huán)境的影響，在管道的不同部位存在不同程度的沉降變形現(xiàn)象，嚴重降低了管道的使用性能與安全性。由于該山區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定，存在滑坡的風險，導致污水管道部分結(jié)構(gòu)沉降變形檢測結(jié)果的精度較低。基于此，將本文設計的沉降變形檢測方法應用到X山區(qū)污水管道中，獲取進一步精確的污水管道沉降變形信息。

2.2 結(jié)果分析

為了更加直觀地驗證本文設計的污水管道沉降變形檢測方法的有效性，將本文設計的檢測方法與文獻[1]和文獻[2]設計的管道沉降變形檢測方法進行對比。首先，利用SARscape軟件，建立山區(qū)污水管道小基線集，選取其中適配度最高的管道基線閾值，覆蓋山區(qū)污水管道結(jié)構(gòu)。在污水管道內(nèi)隨機布設6組沉降變形檢測斷面，對檢測斷面進行標號處理，分別標號為CJBX01、CJBX02、CJBX03、CJBX04、CJBX05、CJBX06。設定各個沉降變形檢測斷面之間的距離為2.5m，小于污水管道的直徑。在各組沉降變形檢測斷面上設置一定數(shù)量的檢測點，以污水管道軸線為中心，從中心逐漸向管道兩側(cè)等間距布設檢測點。采用精密度較高的水準儀，作為實驗的沉降變形觀測儀器，每隔45min觀測一次，并做好沉降量記錄。分別應用三種檢測方法測定X山區(qū)6組污水管道沉降變形斷面的沉降量，如表1所示。

表1 污水管道沉降變形檢測斷面沉降量

利用MATLAB分析軟件與有限元分析軟件，測定污水管道各個檢測斷面的實際沉降變形數(shù)據(jù)，與表1的檢測結(jié)果進行對比，獲取3種檢測方法的檢測結(jié)果準確率，如圖2所示。

圖2 3種方法沉降變形檢測結(jié)果準確率對比

根據(jù)圖2的對比結(jié)果可知，在3種管道沉降變形檢測方法中，應用本文設計的檢測方法得到的各個污水管道斷面沉降變形檢測結(jié)果，準確率均在96%以上，與另外2種檢測方法相比，檢測結(jié)果與管道實際沉降變形結(jié)果之間偏差較小，優(yōu)勢顯著，更加適用于山區(qū)污水管道的檢測工作。

3 結(jié)束語

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)山區(qū)污水管道沉降變形檢測方法檢測精度較低，無法準確地檢測出管道沉降變形的問題，在傳統(tǒng)沉降變形檢測方法的基礎上，作出改進設計，形成一種全新的針對滑坡背景下的山區(qū)污水管道沉降變形檢測方法。本文的研究認為，該方法提升了檢測結(jié)果的精度，能夠根據(jù)山區(qū)污水管道的鋪設位置，選取匹配度較高的檢測方式，分析并預測污水管道的沉降變形情況，對保證山區(qū)污水處理的效率與安全具有重要意義。