李喜章

（甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

山區(qū)污水管道建設(shè)工程對山區(qū)污水的集中處理至關(guān)重要，受山區(qū)各類自然災(zāi)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(yán)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(qiáng)，導(dǎo)致實際應(yīng)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(yù)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(chǔ)上開展了優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shù)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(shè)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(shè)情況與所處地區(qū)特征進(jìn)行全方位分析。在此基礎(chǔ)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(jìn)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(chǔ)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(shè)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(shè)計流量，公式為：

式中：

Q a——山區(qū)污水管道的設(shè)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(fù)擔(dān)的排水面積。

根據(jù)山區(qū)污水管道設(shè)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(chǔ)上，依據(jù)曼寧計算原理，對山區(qū)污水管道的水力進(jìn)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??；

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(shè)計坡度的變化[8]。深入分析山區(qū)污水管道設(shè)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(jìn)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(shè)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(shè)計流量與流速參數(shù)，得出污水管道埋深結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在污水管道內(nèi)布設(shè)沉降變形檢測點。

本文設(shè)計的污水管道沉降變形檢測斷面檢測點布設(shè)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(shè)示意圖

從圖1可知，各個檢測點之間布設(shè)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(jìn)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(jìn)行深度分析，根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)定PVC管的布設(shè)位置，在污水管道中布設(shè)帶有導(dǎo)槽的PVC管。在管道外的待檢測分層處，設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)完畢后，對山區(qū)滑坡情況進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)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(jìn)而導(dǎo)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(guān)工作人員在檢測工作開始前，應(yīng)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(dāng)污水管道沉降變形量過大時，應(yīng)當(dāng)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(biāo)。

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(shè)計沉降變形檢測的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗證設(shè)計檢測方法的可行性，進(jìn)行如下實驗。

2.1 實驗準(zhǔn)備

選取X山區(qū)污水管道建設(shè)工程為研究對象，該污水管道建設(shè)工程沿江而建，含有多個污水處理設(shè)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(yán)寒氣溫，年平均氣溫約為19.4℃，其中，夏季最高溫度可達(dá)43.5℃，冬季最低氣溫可達(dá)-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(zhǔn)面標(biāo)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(shè)工程于5年前竣工，每隔一段時間，相關(guān)的工作人員會對污水管道的使用情況與使用性能進(jìn)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(yán)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(fēng)險，導(dǎo)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?；诖?，將本文設(shè)計的沉降變形檢測方法應(yīng)用到X山區(qū)污水管道中，獲取進(jìn)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(shè)計的污水管道沉降變形檢測方法的有效性，將本文設(shè)計的檢測方法與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]設(shè)計的管道沉降變形檢測方法進(jìn)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(jī)布設(shè)6組沉降變形檢測斷面，對檢測斷面進(jìn)行標(biāo)號處理，分別標(biāo)號為CJBX01、CJBX02、CJBX03、CJBX04、CJBX05、CJBX06。設(shè)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(shè)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(shè)檢測點。采用精密度較高的水準(zhǔn)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(yīng)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(jìn)行對比，獲取3種檢測方法的檢測結(jié)果準(zhǔn)確率，如圖2所示。

圖2 3種方法沉降變形檢測結(jié)果準(zhǔn)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(yīng)用本文設(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(chǔ)上，作出改進(jìn)設(shè)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(rèn)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(shè)位置，選取匹配度較高的檢測方式，分析并預(yù)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。