劉靜偉 張云 劉小英

污水管道作為污水收集處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，由于其自身隱蔽性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，導(dǎo)致后期運(yùn)維及監(jiān)管較為薄弱。近年來，隨著城市迅速發(fā)展，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分的排水系統(tǒng)，在長期運(yùn)行中，暴露出諸多問題。如，雨天污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行、污水廠進(jìn)水有機(jī)物含量偏低、污水下滲導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化等問題，因此對排水管道進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)是城市管網(wǎng)系統(tǒng)普遍面臨的一個重要研究課題。本文以污水管徑為DN200-d1600，管道總長約491.4km的區(qū)域為研究對象，基于前期排查結(jié)果發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)普遍存在雨污分流不徹底、缺陷問題嚴(yán)重，污水提升泵站超負(fù)荷運(yùn)行，污水廠進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)偏低等問題，利用閉路電視檢測（CCTV）及管道潛望鏡（QV）檢測方法對污水管道進(jìn)行詳細(xì)排查，深入分析管道缺陷類型及其成因，為污水管道維護(hù)和修復(fù)提供重要的技術(shù)支持。

一、排水管網(wǎng)缺陷類型及檢測技術(shù)

1.缺陷類型及等級劃分

城鎮(zhèn)排水管道缺陷分為功能性缺陷和結(jié)構(gòu)性缺陷兩種。功能性缺陷指由于沉積、結(jié)垢、障礙物、樹根、殘墻壩根和浮渣引起管道過水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，從而影響管道過流能力。結(jié)構(gòu)性缺陷指管道結(jié)構(gòu)本體出現(xiàn)損傷從而影響管道的強(qiáng)度、剛度和使用壽命。它包括破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節(jié)、接口材料脫落、支管暗接、異物侵入和滲漏等10種類型。兩種缺陷按照損傷程度分為輕微缺陷、中等缺陷、嚴(yán)重缺陷和重大缺陷4個等級。

2.管道缺陷檢測技術(shù)

檢測方法包括管道潛望鏡（QV）、閉路電視檢測（CCTV）、聲吶檢測、檢測等。其中，管道潛望鏡檢測效率較高，但只能粗略定位缺陷部位；閉路電視檢測可以對缺陷部位精確定位，但其效率較低；聲吶檢測效率較低，在管道降水困難的情況下可作為管道潛望鏡檢測和閉路電視檢測的補(bǔ)充測量手段。鑒于QV檢測的靈活性及全覆蓋性，本研究采用QV檢測作為主要手段，針對重點(diǎn)管段采用CCTV檢測進(jìn)行詳細(xì)排查，同時增加聲吶及人工檢測作為輔助手段。

二、管道缺陷檢測結(jié)果與分析

1.管道缺陷檢測結(jié)果

利用上述管道檢測技術(shù)對武漢市湯遜湖片區(qū)內(nèi)管徑在DN200～d1600mm之間491.4km的管道進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)域內(nèi)管道缺陷檢測結(jié)果

表1調(diào)查結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)缺陷總數(shù)26871處，其中結(jié)構(gòu)性缺陷9791處，占缺陷總數(shù)的36.43%，功能性缺陷17080處，占缺陷總數(shù)的63.56%。功能性缺陷為結(jié)構(gòu)性缺陷的1.74倍，本區(qū)域管道缺陷主要為功能性缺陷，但結(jié)構(gòu)性缺陷也不容小覷。對管道缺陷按損傷程度進(jìn)行分析，其結(jié)果見圖1。

圖1 管道缺陷結(jié)果柱狀圖

結(jié)合表1和圖1可以看出，管道1級缺陷總數(shù)為16810，其中結(jié)構(gòu)性和功能性占比分別為24.2%和38.36%；2級缺陷總數(shù)為5546，結(jié)構(gòu)性和功能性占比分別為7.68%和12.96%；3級缺陷總數(shù)為2347，結(jié)構(gòu)性和功能性占比分別為2.92%和5.81%；4級缺陷總數(shù)為2168，其中結(jié)構(gòu)性和功能性占比分別為1.63%和6.43%。其中，1級缺陷最多，2級缺陷次之，3、4級缺陷數(shù)量基本相當(dāng)；在1、2級缺陷中，功能性缺陷是結(jié)構(gòu)性缺陷的1.6倍左右，3級缺陷中功能性缺陷為結(jié)構(gòu)性缺陷的2倍，4級缺陷中功能性缺陷為結(jié)構(gòu)性缺陷的3.9倍。由此看出，管道主要表現(xiàn)為1級輕微缺陷，隨著缺陷等級的提高缺陷數(shù)量降低，而功能性缺陷的占比增加，管道缺陷主要表現(xiàn)為功能性缺陷。

2.功能性缺陷分析

（1）缺陷類型

表2為管道功能性缺陷的種類及發(fā)生的數(shù)量，各缺陷種類在結(jié)構(gòu)性缺陷中的占比見圖2。由表2可以看出，功能性缺陷中1級缺陷10307處，2級缺陷3482處，3級缺陷1562處，4級缺陷共計1729處。2、3及4級缺陷中沉積與障礙物是功能性缺陷的主要表現(xiàn)形式，1級缺陷中除上述表現(xiàn)形式外，結(jié)垢類型數(shù)量高達(dá)1213處，僅次于障礙物類型。另外，樹根類型數(shù)量為111處，也需引起關(guān)注。功能性缺陷大多為1級缺陷和2級缺陷，總占比80.73%，4級缺陷數(shù)量高于3級缺陷數(shù)量，可見功能性缺陷引起的后果較為嚴(yán)重。

圖2 不同功能性缺陷占比

表2 研究區(qū)域內(nèi)不同損傷程度下各功能性缺陷的數(shù)量

從圖表中可以看出，研究區(qū)域內(nèi)功能性缺陷中沉積類型數(shù)量為12120處，占比70.96%；障礙物類型數(shù)量為3338處，占比19.54%；結(jié)垢類型數(shù)量為1291處，占比7.56%。沉積類型為主要功能性缺陷表現(xiàn)形式，其次為障礙物、結(jié)垢，而樹根、殘墻壩根、浮渣等缺陷類型出現(xiàn)較少。

（2）成因分析

功能性缺陷中沉積、結(jié)垢等缺陷類型的產(chǎn)生與區(qū)域功能、人口密度、排水體制、污水水質(zhì)水量、降雨強(qiáng)度和降雨時空分布等條件有關(guān)。其中，按Crabtree研究結(jié)果將管道沉積物分為五類：Type A為沉降在管道底部的粗糙、松散并且能夠抵抗水力沖刷的顆粒物；Type B與A類似，但由于其中摻雜脂肪等物質(zhì)而具有較大粘性；Type C為污水與沉積物的交界面，是微生物生長代謝活動旺盛以及沉積物與污水間物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化活動頻繁的區(qū)域，以上三類與管道底部沉積有關(guān)；Type D是管璧附著的生物膜，具有較高的生物活性，能夠增強(qiáng)沉積物的凝聚性，大大降低其表面的粗糙度，從而增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度，與結(jié)垢有關(guān)。同時，生物膜的存在減少了污水與管壁的接觸，對混凝土管道具有一定的保護(hù)作用。

另外，排水系統(tǒng)中顆粒物往往含有大量帶有粘性成分或細(xì)小顆粒物。Tait等在2003年研究指出，帶有粘性的沉積物對于沖刷作用擁有更強(qiáng)的抵擋能力，即具有更高的臨界剪切力。因此，地勢平坦地區(qū)污水管道流速不大，管道水質(zhì)、水量波動較大，管道流態(tài)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)沉積、結(jié)垢現(xiàn)象，這些物質(zhì)在長期的低剪切力環(huán)境下出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的情況而具備更強(qiáng)的抗沖刷能力。而浮渣、樹根、殘墻、壩根、障礙物等缺陷類型產(chǎn)生主要與施工、污水排放及后期運(yùn)行維護(hù)有關(guān)。

2.結(jié)構(gòu)性缺陷分析

（1）缺陷類型

表3為管道結(jié)構(gòu)性缺陷的種類及發(fā)生的數(shù)量，各缺陷種類在結(jié)構(gòu)性缺陷中的占比見圖3。

圖3 不同結(jié)構(gòu)性缺陷占比

表3 研究區(qū)域內(nèi)不同損傷程度下各結(jié)構(gòu)性缺陷的數(shù)量

由表3看出，研究區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)性缺陷中1級缺陷6503處，2級缺陷2064，3級缺陷785處，4級缺陷共計439處，結(jié)構(gòu)性缺陷大多為1級、2級，占比87.5%。各類型缺陷中，1級2級缺陷所占比例較大。1級缺陷中滲漏類型最少，僅為20處，其他類型則均在100處以上，錯口類型高達(dá)4267處。2級缺陷中，除錯口、破裂、脫節(jié)和變形類型外，其他缺陷類型發(fā)生處均在兩位數(shù)。3級和4級缺陷中，除錯口和破裂類型外，其他缺陷類型發(fā)生處均在兩位數(shù)。由此可見，錯口和破裂最為常見其引起的破壞性最大。

對上述缺陷進(jìn)一步分析可以看出，錯口數(shù)量為5940處，破裂數(shù)量為1000處，異物穿入數(shù)量為599處，變形數(shù)量為575處，腐蝕數(shù)量為515處，脫節(jié)446處。錯口為主要結(jié)構(gòu)性缺陷類型，占總?cè)毕莸?0.67%，其次為破裂（10.21%）、異物穿入（6.12%）、變形（5.87%）、腐蝕（5.26%）、脫節(jié)（4.56%）。

（2）成因分析

引起管道發(fā)生結(jié)構(gòu)性缺陷，諸如變形、錯口、破裂、起伏、滲漏、脫節(jié)、接口脫落等，根本原因在于管道受力異常，其主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

①不同土體沉降作用

不同土體性質(zhì)管道沉降量不同，一般而言管道沉降量次序為：細(xì)砂＞粉土＞粘土。此外，降水是引起土體沉降的重要因素，不均勻沉降地質(zhì)條件下，降水水位與管道沉降量呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。由于土體發(fā)生不均勻沉降，對管道造成附加應(yīng)力作用影響管道的正常受力狀態(tài)從而引起結(jié)構(gòu)性缺陷。

②管道自身條件

常見的排水管材有鋼筋混凝土管和HDPE管。鋼筋混凝土管延展性差、自重大，受到外部荷載作用時易導(dǎo)致接口問題，單節(jié)長度一般為2m，更容易引發(fā)接口問題甚至整段沉降破壞。HDPE管具有良好的撓曲性能，對土體的不均勻沉降有更好的適應(yīng)能力，單節(jié)長度一般為6m，接口問題相對少，但該類型管道剛度相對偏低，當(dāng)局部受力時，易產(chǎn)生變形甚至破裂等結(jié)構(gòu)性缺陷。

在不均勻沉降地質(zhì)條件下管道管徑和管道沉降量成反比，管徑越大管道的沉降量越小，管道抗錯位能力越好。管道的沉降量和管道的埋深成正比，隨著管道埋深的增大，上覆土體對管道的應(yīng)力越大，土體對管道的束縛也會增加。

③施工質(zhì)量

當(dāng)排水管采用砂石基礎(chǔ)、中粗砂回填時，管道施工過程中常出現(xiàn)管道銜接不合格、回填材料不達(dá)標(biāo)、密實(shí)度不符合標(biāo)準(zhǔn)、回填直接用機(jī)械壓實(shí)等情況，就產(chǎn)生管道結(jié)構(gòu)性缺陷問題。

另外，支管暗接、異物穿入等缺陷類型與施工質(zhì)量控制、后期運(yùn)維有關(guān)，根據(jù)影像判斷，異物穿入主要為從檢查井穿入的各類線路、管線等。而腐蝕常見于鋼筋混凝土管，主要由于污水各指標(biāo)，如pH值、溶解氧、硫酸鹽，COD值及懸浮物對混凝土腐蝕作用。

4.不同管道缺陷修復(fù)方法

制定管道修復(fù)方案時應(yīng)針對不同情況選擇適宜的修復(fù)方法。一方面在滿足管道荷載、過流能力、使用年限等性能要求的同時應(yīng)方便后期運(yùn)維，做到合理、安全、經(jīng)濟(jì)；另一方面，注意對周邊環(huán)境的影響，做好施工期間交通組織以及廢棄物的合理處置。大范圍片區(qū)的管網(wǎng)修復(fù)，更應(yīng)在弱化影響周邊環(huán)境以及居民生產(chǎn)生活這方面細(xì)化方案。

（1）功能性缺陷修復(fù)

管道功能性缺陷修復(fù)手段為工程清淤及管道機(jī)器人清淤。其中，工程清淤流程一般為：堵水、降排水→稀釋淤泥→吸淤和截污→高壓清洗疏通→通風(fēng)、檢測和井室管道清理→CCTV檢測驗收。目前應(yīng)用較常見。淤泥現(xiàn)場處置對周邊的環(huán)境影響較大，各路段應(yīng)錯開清淤時間?，F(xiàn)場淤泥經(jīng)簡單靜置脫水后，就近運(yùn)至淤泥堆場進(jìn)行自然干化，干化后的淤泥運(yùn)至消納場集中處理。而管道清淤機(jī)器人則利用搭載的淤泥吸泵抽吸沉積物，搭載的高壓沖刷或淤泥松動設(shè)備去除硬度較大沉積物，作業(yè)過程對管道運(yùn)行影響較小，但該法應(yīng)用案例偏少，清淤效果有待檢驗。

（2）結(jié)構(gòu)性缺陷修復(fù)

管道結(jié)構(gòu)性缺陷修復(fù)主要分為開挖修復(fù)和非開挖修復(fù)兩類。常見的為非開挖修復(fù)方法，包括土體注漿法、裂縫嵌補(bǔ)修復(fù)、不銹鋼雙脹環(huán)修復(fù)、不銹鋼發(fā)泡筒、局部現(xiàn)場固化修復(fù)、現(xiàn)場固化內(nèi)襯、機(jī)械制螺旋管內(nèi)襯、短管焊接內(nèi)襯、折疊管牽引內(nèi)襯和水泥基聚合物涂層等。各種非開挖修復(fù)方法均有其適用的條件，如土體注漿一般要與其他修復(fù)方式聯(lián)合使用；管道直徑較大采用整體修復(fù)造價高；裂縫嵌補(bǔ)法造價較低，可操作性高，適用于d800及以上管徑的鋼筋混凝土管；短管焊接內(nèi)襯、折疊管牽引內(nèi)襯、不銹鋼雙脹環(huán)對過水?dāng)嗝嬗绊戄^大；不銹鋼雙脹環(huán)、不銹鋼發(fā)泡筒不適用絞車疏通，后期管道維護(hù)需配備相應(yīng)的設(shè)備。

三、總結(jié)

本研究區(qū)域內(nèi)污水管道缺陷總數(shù)為26871處，其中功能性缺陷占缺陷總數(shù)的63.56%。功能性缺陷中，主要缺陷類型表現(xiàn)為沉積，1級和2級占比80.73%，功能性缺陷成因與區(qū)域功能、人口密度、排水體制、污水水質(zhì)水量、降雨強(qiáng)度和降雨時空分布等有關(guān)。結(jié)構(gòu)性缺陷中，錯口為主要類型，1級2級缺陷占比87.5%，結(jié)構(gòu)性缺陷成因主要與管道受力異常、施工質(zhì)量、后期運(yùn)維等有關(guān)。管道缺陷修復(fù)應(yīng)針對不同情況選擇適宜的修復(fù)方法，綜合考慮對周邊環(huán)境的影響。