南、北方3個城市排水管道缺陷統計分布特征比較研究

劉艷海, 李 鴻, 郭 帥

(1.天津港保稅區環境投資發展集團有限公司,天津 300452; 2.天津市政工程設計研究總院有限公司,天津 300051; 3.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

隨著我國城鎮化建設快速發展,排水管道敷設長度逐年快速增長,污水處理量和收集率也隨之增加,但是整體水環境并沒有顯著改善,如黑臭水體仍是我國目前最突出的環境問題之一[1-3],而這與我國當前排水管網存在嚴重的結構性與功能性缺陷,且管道檢測與修復管理水平相對滯后密切相關[4],如我國編制的行業標準《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》[5]于2012年首次發布,而西方一些發達國家,如英國在20世紀80年代初就已發布其第1版排水管道狀況分類手冊Sewerage Rehabilitation Manual[6],并成為世界各國制定相關標準的重要參考。

由于排水管道所處環境復雜,易受到多種因素的影響,經過數十年的使用,加上缺少預防性維護工作,會逐漸出現破裂、滲漏、變形等缺陷和問題[7]。為加快補齊城鎮污水收集和處理設施短板,《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》提出要建立污水管網排查和周期性檢測制度[8]。為此,全國各地排水管道檢測與修復項目正逐步開展起來[9-11]。

2018年,我國開始實施“長江大保護”戰略舉措,并開始對長江沿線一批城市的排水管道進行系統的檢測與評估,積累了大量的管道檢測數據,為統計分析管道缺陷分布特征提供了條件。為探究排水管道缺陷分布是否存在地區差異,本文選取實施長江大保護項目的2個南方城市——蕪湖市與六安市的管道檢測數據,同時選取1個北方濱海城市天津市的近期排水管道檢測成果,開展對比分析研究,以3個城市排水管道缺陷作為研究對象,比較研究不同地區管道缺陷類型與缺陷級別的差異,并探討造成這些差異的原因。

1 研究區域概況與管道檢測方法

1.1 排水管網狀況

選取蕪湖市3個片區、六安市2個片區及天津市1個片區的分流制排水管網系統,共檢測排水管道1 420.64 km,其中蕪湖市共檢測污水管線331.45 km、雨水管線606.24 km,合計937.69 km;六安市共檢測污水管線204.94 km、雨水管線257.27 km,合計462.21 km;天津市共檢測污水管線6.80 km、雨水管線13.94 km,合計20.74 km。通過查閱歷史衛星地圖追溯3個城市在不同年代的路網建設狀況,推測得到管道建設年限分布頻率如圖1所示。截至2021年底,蕪湖區域管道建設年限主要集中在5～15 a(占比56%),六安區域管道建設年限主要集中在0～10 a(占比66%),而天津檢測區域較小,全部為5～10 a內建成。3個區域的排水管道斷面形狀全部為圓形,管徑大于等于DN800的管道均為鋼筋混凝土管,小于DN800的管道均為高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)管材。

圖1 3個城市檢測區域管道建設年限分布頻率

1.2 管道檢測、評估方法

常用的排水管道檢測方法有管道閉路電視(closed circuit television,CCTV)檢測、QV(Quick Vision)(管道潛望鏡)檢測、聲吶檢測等。本次主要采用CCTV進行管道缺陷檢測,由于CCTV檢測無法帶水作業檢測,檢測前應根據管內水位采取相應降水措施。管道檢測工作流程如圖2所示。首先梳理待檢測管段資料,然后進行現場踏勘,根據管內液位判斷是否需要降水,若降水后淤積厚度大于100 mm,則需清淤,管道徹底清洗完成后,對管道進行CCTV檢測或QV檢測。檢測由專業技術人員完成,根據管道檢測視頻對管道缺陷類型、位置、程度等進行記錄。

管道評估方法參照文獻[5],將管道缺陷類型分為結構性缺陷、功能性缺陷,其中:結構性缺陷包括10種,分別為破裂(PL)、變形(BX)、腐蝕(FS)、錯口(CK)、起伏(QF)、脫節(TJ)、接口材料脫落(TL)、支管暗接(AJ)、異物穿入(CR)和滲漏(SL);功能性缺陷包括6種,分別為沉積(CJ)、結垢(JG)、障礙物(ZW)、殘墻或壩根(CQ)、樹根(SG)和浮渣(FZ)。將管道缺陷嚴重程度分為一至四級,分別為輕微缺陷(一級)、中等缺陷(二級)、嚴重缺陷(三級)和重大缺陷(四級)。

為比較不同排水管道、不同地區排水管道缺陷的類型,本文以每千米管道上缺陷數量即管道缺陷密度S作為評價參數,定義為:

(1)

其中:N為管段的缺陷數量;L為管段長度。

圖2 管道檢測工作流程

2 管道檢測結果與缺陷對比分析

2.1 3個城市管道檢測結果

3個城市管道檢測結果見表1所列。

1) 蕪湖市937.69 km雨、污排水管道共檢出缺陷69 364個,平均缺陷密度為74.0 個/km,其中一級缺陷24 416個、二級缺陷23 024個、三級缺陷10 680個、四級缺陷11 244個。共檢測出結構性缺陷51 277個,包括錯口14 869個(29.0%)、破裂13 335個(26.0%)、變形5 822個(11.4%)、脫節5 180個(10.1%)、腐蝕4 793個(9.3%)、滲漏2 853個(5.6%)、接口材料脫落1 328個(3.7%)、起伏1 010個(2.0%)和支管暗接204個(0.4%)。共檢測出功能性缺陷18 087個,包括沉積10 516個(58.1%)、障礙物4 166個(23.0%)、樹根1 823個(10.1%)、結垢753個(4.2%)、殘墻或壩根672個(3.7%)和浮渣157個(0.9%)。

2) 六安市462.21 km排水管道共檢測出缺陷25 807個,平均缺陷密度為55.8 個/km,其中一級缺陷15 387個、二級缺陷6 828個、三級缺陷2 079個、四級缺陷1 513個。共檢測出結構性缺陷19 967個,包括錯口7 524個(37.7%)、腐蝕5 060個(25.3%)、破裂3 570個(17.9%)、變形1 246個(6.2%)、脫節1 048個(5.2%)、接口材料脫落604個(3.0%)、起伏334個(1.7%)、滲漏286個(1.4%)、異物穿入212個(1.1%)和支管暗接83個(0.4%)。共檢測出功能性缺陷5 840個,包括障礙物3 528個(60.4%)、樹根1 252個(21.4%)、沉積812個(13.9%)、結垢142個(2.4%)、殘墻或壩根83個(1.4%)和浮渣23個(0.4%)。

3) 天津市20.74 km排水管道共檢測出缺陷125個,平均缺陷密度為6.0 個/km,其中一級缺陷101個、二級缺陷8個、三級缺陷13個、四級缺陷3個。共檢測出結構性缺陷90個,包括破裂47個(52.2%)、錯口12個(13.3%)、接口材料脫落10個(11.1%)、異物穿入8個(8.9%)、脫節8個(8.9%)、滲漏5個(5.6%),未發現支管暗接、變形、腐蝕、起伏缺陷。共檢測出功能性缺陷35個,包括障礙物28個(71.4%)、沉積8個(22.9%)、殘墻或壩根1個(2.9%)和結垢1個(2.9%),未發現浮渣、樹根缺陷。

表1 3個城市管道檢測結果統計

2.2 不同地區缺陷類型比較

從管道缺陷密度來看,不同地區存在較大差異,北方的天津市管道缺陷密度為6.0個/km,遠小于南方的六安市(55.8 個/km)和蕪湖市(74.0 個/km)。不同城市排水管道缺陷類型分布也不盡相同,蕪湖、六安和天津3個城市排水管道缺陷密度柱狀圖如圖3所示。

由圖3a可知:蕪湖市主要結構性缺陷類型為錯口(CK)、破裂(PL)、變形(BX)和脫節(TJ),占蕪湖地區結構性缺陷的76.5%;六安市主要結構性缺陷為錯口(CK)、腐蝕(FS)、破裂(PL)和變形(BX),占六安地區結構性缺陷的87.1%;天津市主要結構性缺陷為破裂(PL)和錯口(CK),所占比例為65.6%。由此可見,破裂(PL)和錯口(CK)缺陷在南、北方城市均占較高比例,而支管暗接(AJ)、起伏(QF)、接口材料脫落(TL)缺陷密度均較小。

蕪湖市滲漏(SL)缺陷密度為3 個/km,明顯高于六安市(0.6 個/km)和天津市(0.2 個/km),這可能與蕪湖地區水系發達、地下水資源豐富有關。

六安市管道腐蝕(FS)最嚴重,高于蕪湖市(5.1 個/km),天津市未檢測出該類型缺陷。

圖3 3個城市排水管道缺陷密度柱狀圖

由圖3b可知:蕪湖市主要功能性缺陷為沉積(CJ)和障礙物(ZW),兩者占蕪湖地區功能性缺陷的81.1%;六安市主要功能性缺陷為障礙物(ZW)和樹根(SG),占六安地區功能性缺陷的81.8%;天津市主要功能性缺陷為障礙物(ZW)和沉積(CJ),占天津地區功能性缺陷的94.2%。

3個城市障礙物(ZW)缺陷密度從大到小依次為六安市(7.6 個/km)、蕪湖市(4.4 個/km)、天津市(1.2 個/km),在功能性缺陷中所占比例較高,而浮渣(FZ)、殘墻或壩根(CQ)和結垢(JG)缺陷密度均小于1 個/km。

蕪湖市沉積(CJ)缺陷密度約為11.2個/km,遠大于六安市(1.8 個/km)和天津市(0.4 個/km),一般地,管道CCTV檢測之前,需對管內淤積進行沖洗,出現沉積缺陷可能與該地區管道檢測流程不規范有關。

蕪湖市與六安市樹根(SG)缺陷密度相當,分別為1.9、2.7 個/km,天津市未檢測出該缺陷。

2.3 不同地區缺陷級別比較

管道缺陷級別反映管道缺陷的嚴重程度,缺陷級別數字越大表示缺陷越嚴重。南、北方3個城市管道各級缺陷占比如圖4所示。由圖4可知,3個城市各級缺陷占比基本符合管道缺陷級別越高,其所占比例越低的規律。其中天津市一級缺陷數量占天津地區所有缺陷總數的69%,此比例在3個地區中最大,表明天津地區管道缺陷主要為輕微缺陷,同時由表1可知,天津市排水管道缺陷密度也最低,反映出天津地區管道狀況較好,由此可見北方地區排水管道健康程度優于南方地區。蕪湖市三、四級缺陷占比為31%,所占比例遠高于六安市(14%)和天津市(13%),意味著蕪湖地區接近1/3的管道缺陷中為嚴重缺陷,同時由表1可知,蕪湖市管道缺陷密度也最高,由此可見蕪湖地區排水管道狀況較差。

圖4 3個城市排水管道各級缺陷占比分析結果

2.4 雨、污水管道缺陷比較

為對比分析不同管道類型(即雨水管與污水管)在缺陷分布上的不同特征,將3個城市數據做綜合統計分析。3個城市雨、污水管缺陷密度柱狀圖如圖5所示。

由圖5a可知:雨水管結構性缺陷密度為55.9 個/km,大于污水管的44.1個/km;雨、污水管道結構性缺陷分布存在差異,污水管中主要結構性缺陷密度由大到小依次是變形(BX)、錯口(CK)、破裂(PL)、腐蝕(FS)、滲漏(SL),這5種缺陷占污水管道結構性缺陷總數的84.3%;而雨水管中主要結構性缺陷類型為錯口(CK)、破裂(PL)、腐蝕(FS)及脫節(TJ),這4種缺陷占雨水管道缺陷總數的86.3%;污水管中的變形(BX)、滲漏(SL)缺陷密度分別為9.6、3.7 個/km,明顯大于雨水管中的2.1、1.3 個/km;雨水管中的錯口(CK)、破裂(PL)和腐蝕(FS)缺陷分別為20.0、14.3、8.6 個/km,大于污水管中的9.0、8.0、4.3 個/km。

由圖5b可知:雨水管中功能性缺陷密度為21.7 個/km,遠大于污水管中的9.1 個/km;不論雨水管還是污水管,功能性缺陷中最嚴重的2種類型均為沉積(CJ)和障礙物(ZW),雨水管中這2種缺陷占功能性缺陷總數的80.2%,污水管中此比例為76.9%,表明排水管道普遍存在缺乏維護的問題。雨水管中沉積(CJ)和障礙物(ZW)缺陷密度分別為10.5、6.9 個/km,明顯大于污水管中的4.0、3.1 個/km;雨水管中的沉積、障礙物主要為修建道路廢棄的瀝青塊、混凝土塊。此外,雨水管中,由于樹根生長進入管道造成過水斷面損失的缺陷較污水管也更為嚴重。

圖5 雨、污水管道缺陷密度柱狀圖

3 排水管道缺陷的影響因素分析

文獻[12]歸納了影響剛性排水管道結構性缺陷的因素,將影響因素分為以下3個大類:

1) 施工因素,包括安裝方法、施工工藝標準、管道尺寸、管道埋深、墊層材料和類型、管材、接頭類型和材料、管段長度及管道連接方式。

2) 局部、外部因素,包括地面使用、地面荷載、地表類型、路面交通特征、給水管泄露、附近開挖擾動、地下水位、回填土類型及樹根。

3) 其他因素,包括污水性質、維護方法及管齡等。

造成不同地區排水管道缺陷類型和缺陷級別差異的原因可能有墊層材料、管道覆土和地下水位,這與各地區的管道建設年限、管材類型和斷面形式有關,也與土壤特性、地質條件及河湖水系有關。如蕪湖市滲漏缺陷數目明顯高于其他2個城市,這與蕪湖地區地表水和地下水資源豐富有關。蕪湖地區位于長江中下游水網地區,廣泛分布河漫灘和階地,淺部主要發育淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉土和粉砂等,均為河湖沉積的飽和軟土,屬于典型的軟土地層,力學性質較差,另外蕪湖市管網建設年限也比六安市、天津市要長,導致蕪湖地區排水管道缺陷密度和嚴重缺陷數量都高于六安、天津地區。

雨、污水管功能不同,所傳輸水的性質不同,這可能是造成兩者缺陷類型分布差異的原因之一。雨水管一般多敷設于非機動車道之下,而污水管多敷設于人行道和綠化帶之下,兩者地表類型不同,所承受的荷載類型不同,且污水管埋深一般大于雨水管,這也是造成雨、污水管道缺陷存在差異的重要原因。

4 結 論

本文選取蕪湖、六安、天津3個城市的雨、污水管道檢測缺陷成果,比較研究南、北方不同地區城市排水管道缺陷分布及缺陷級別的異同,主要結論如下:

1) 不同地區排水管道缺陷類型和級別分布都存在一定差異,北方地區排水管道缺陷密度和三級以上缺陷占比均小于南方地區。

2) 雨水管缺陷密度大于污水管道,雨、污排水管道主要結構性缺陷有所不同,但主要功能性缺陷均為沉積和障礙物。

3) 造成不同地區、不同類型排水管道缺陷差異的原因十分復雜,不僅與管道自身屬性、施工因素有關,還與各地區土壤特性、地質條件、河湖水系等外部因素有關。