排水管道缺陷現(xiàn)狀及分布規(guī)律研究

魏德標，鄭益民，王 志，張高鵬

(華東勘測設計院(福建)有限公司，福建 福州 350002)

1 排水管線概況

本研究選取的排水管道位于某城市的城區(qū)，管道材質(zhì)種類分為鋼筋混凝土管、鋼管、鑄鐵管等，其中以鋼筋混凝土管為多，約占管道總量的99%，由于其余種類管道數(shù)量較少，難以總結出有益規(guī)律，因此，主要以鋼筋混凝土管為研究對象。研究區(qū)域的總面積約為20 km2，所選管道的總長度為75 km，包括45 km的雨水管道和30 km的污水管道[1]。選擇了1885段管道，管道直徑范圍在400～2500 mm。

2 研究方法與評價標準

排水管道檢測是以管道機器人檢測系統(tǒng)和管道潛望鏡為主要檢測手段，結合其他檢測方法進行的。CCTV通常用于管道內(nèi)檢查，通過獲取管道內(nèi)圖像進行人工識別，并整合整條管道的損壞信息，對管道整體狀況進行評估，從而定性評估管道的損壞模式。對結構性缺陷和功能性缺陷的判定分級依據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》(DB37/T 5107—2018)。并計算結構性缺陷參數(shù)(S、SM、RI)和功能性缺陷參數(shù)(Y、YM、MI)。

3 研究結果

3.1 管道缺陷定量化分析

在總長為75 km的排水管道研究區(qū)域中，管道缺陷總數(shù)累計15 403個，其中，結構性缺陷12 322個，占比80%；功能性缺陷3081個，占比20%；因此，在該研究區(qū)域中，結構性缺陷為主要缺陷。

圖1是雨水管道和污水管道的缺陷統(tǒng)計圖，觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)次數(shù)最多的缺陷是破裂、錯口和滲漏。其中，破裂、錯口和滲漏，在雨水管道中出現(xiàn)次數(shù)最多，錯口、脫節(jié)、滲漏在污水管道中出現(xiàn)次數(shù)最多。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，排水管道中最常見的缺陷是錯口，造成這種現(xiàn)象的原因可能是：管道的設計或施工缺陷，例如管道的彎曲角度不合適、安裝方向不正確等；管道老化或損壞，管道使用時間太久。多種缺陷共同作用將會導致排水管道的嚴重滲漏。

圖1 雨水管道和污水管道缺陷統(tǒng)計

3.2 管道直徑的影響

研究管道直徑對管道健康狀況影響可以更好地設計、建造和維護管道系統(tǒng)，從而提高管道系統(tǒng)的安全性和可靠性。合理的設計管道直徑有利于降低管道磨損、腐蝕、破裂、泄漏、堵塞等風險，延長管道的使用壽命，提高管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，研究管道直徑對管道健康狀況影響的同時，也可以更好地了解管道系統(tǒng)在使用過程中的性能特征，如流體力學、材料疲勞、化學腐蝕等，為管道系統(tǒng)的安全管理和維護提供科學依據(jù)[2-5]。

圖2是雨水管道健康狀況隨管道直徑變化曲線，如圖2所示，雨水管道的修復類參數(shù)和養(yǎng)護類參數(shù)相比更大一些，這說明雨水管道對修復的需求更大。隨著管道直徑的增加，結構性缺陷參數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于隨著直徑增加管道的結構更加穩(wěn)定能夠承受更大的荷載，因此，管道內(nèi)部缺陷參數(shù)降低。在管道直徑為600 mm時，S和RI的數(shù)值最大，表明此時管道的損壞程度最嚴重，最需要修復。在管道直徑為500 mm時，Y和MI的數(shù)值最高，表明該管道直徑的功能狀況最差，迫切需要進行維修。

圖2 雨水管道健康狀況隨管道直徑變化曲線

圖3是污水管道健康狀況隨管道直徑變化曲線，如圖3所示，S和RI的最大值出現(xiàn)在管徑為1000 mm時，表明污水管道的損壞在這個管徑處最為嚴重，急需修復；Y和MI的最大值分別出現(xiàn)在管徑為500 mm和1000 mm時，表明污水管道的功能狀況在這兩個管徑處最為糟糕，急需養(yǎng)護。另外，雨水管道在管道直徑為1000～1200 mm時健康狀況較好，而污水管道在600～800 mm時健康狀況較好。

圖3 污水管道健康狀況隨管道直徑變化曲線

3.3 管道長度的影響

為了研究不同管道長度對管道健康狀況的影響，把研究區(qū)域范圍內(nèi)的管道劃分多組長度并計算在此長度區(qū)間內(nèi)管道的結構性和功能性缺陷參數(shù)，結果見圖4和圖5。

圖4 雨水管道健康狀況隨管道長度變化曲線

圖5 污水管道健康狀況隨管道長度變化曲線

圖4和圖5是分別是雨水管道和污水管道健康狀況隨管道長度變化曲線，如圖4和圖5所示，不同管長的雨水和污水管道的修復類參數(shù)值基本都大于養(yǎng)護類參數(shù)值，表明結構性缺陷較功能性缺陷更多更嚴重。雨水管道缺陷參數(shù)隨著管道長度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，這是因為管道越長其出現(xiàn)缺陷的可能性就會越大，但是，當管道長度超過一定值時其剛度增大，撓度減小，從而抑制了缺陷的出現(xiàn)，降低了缺陷參數(shù)值的大小。污水管道結構性缺陷參數(shù)隨著管道長度的變化波動幅度大，無明顯規(guī)律，功能性缺陷參數(shù)波動較小，隨著長度增加出現(xiàn)上升的趨勢，這是由于管道長度變化其物理結構也會發(fā)生變化，此時管道內(nèi)的污水也可能對管道造成腐蝕，破壞管道結構，導致結構性缺陷參數(shù)波動較大；而功能性缺陷主要指阻塞漏水等受管道長度影響較小。結合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)管道長度<25 m和>55 m時管道缺陷參數(shù)較大，管道長度在25～50 m之間時其缺陷參數(shù)最小。通過上述分析可知管道過長或過短都會使管道缺陷參數(shù)較大，因此，管道長度設計需要控制在一定的范圍內(nèi)。

3.4 管道埋深的影響

管道埋深不足可能導致管道受到外界影響，容易發(fā)生彎曲變形，情況嚴重的甚至會爆裂，這將嚴重影響管道的健康，因此，研究管道埋深對管道健康的影響是非常必要的。將研究區(qū)域范圍內(nèi)的管道劃分多個區(qū)間的埋深，并計算結構性和功能性缺陷參數(shù)，結果見圖6和圖7。

圖6 雨水管道健康狀況隨管道埋深變化曲線

圖7 污水管道健康狀況隨管道埋深變化曲線

圖6和圖7是雨水和污水管道健康狀況隨管道埋深變化曲線，如圖6所示，雨水管道缺陷參數(shù)隨著管道埋深的增加出現(xiàn)先大幅度下降后大幅度增加的趨勢，表明管道埋深過淺或者過深都對管道的健康狀況有不利影響，雨水管道埋深<2 m和>7 m時缺陷參數(shù)最大，結構性缺陷參數(shù)最小最穩(wěn)定的埋深區(qū)間在2～6 m。觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，污水管道缺陷參數(shù)隨著管道埋深的增加呈現(xiàn)出先降低后平穩(wěn)再增加的趨勢且在埋深7～11 m缺陷參數(shù)波動最大，這可能是因為在此埋深區(qū)間存在管道設計或施工不良或存在某種特定的缺陷類型和缺陷集中區(qū)域。污水管道在埋深1～6 m之間結構性缺陷參數(shù)最小，在埋深<1 m，>7 m時缺陷參數(shù)較大。綜上所述，管道埋深需要綜合多種因素考慮，過深或者過淺都會對健康狀況造成不利影響，埋深太淺會受到地面上的壓力，埋深太深維護和修理將會更加困難，且深層土壤更加緊密，使管道產(chǎn)生應力，增大破裂風險。根據(jù)研究結果，雨水管道和污水管道的健康狀況最好的埋深范圍在2～6 m。

4 結 論

(1)在研究區(qū)域范圍內(nèi)共有管道缺陷總數(shù)累計15 403個，其中，結構性缺陷12 322個，占比80%；功能性缺陷3081個，占比20%。

(2)在該研究區(qū)域的排水管道出現(xiàn)次數(shù)最多的三種缺陷是：破裂、錯口和滲漏。

(3)雨水管道管徑為1000～1200 mm時，缺陷參數(shù)較小；污水管道管徑為600～800 mm時，缺陷參數(shù)較小。管道長度在25 m以下和55 m以上時，管道的缺陷參數(shù)較大，缺陷參數(shù)最小健康狀況較好的管道長度區(qū)間是25～50 m。當雨水管道和污水管道的埋設深度為2～6 m時，結構最為穩(wěn)定，結構缺陷參數(shù)較小。