特大管涵运行现状分析综述

2017-03-25余凯华鲍月全杨青坡江晓华

城市道桥与防洪 2017年1期

关键词：箱涵排水管机理

余凯华，鲍月全，杨青坡，江晓华

1.上海市城市排水有限公司，上海市 2 00233；2.上海市城市排水有限公司管线管理分公司，上海市 2 01103；3.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

特大管涵运行现状分析综述

余凯华1，鲍月全2，杨青坡3，江晓华2

通过对我国特大管涵运行现状及其受损研究成果的分析，总结了目前管涵研究工作在评估及适用性的一些不足之处，同时提出：建立一套受损机理研究-受损承载力评估研究-受损后工程性对策研究的系统性研究理念；构建管涵全寿命式的健康管理数据平台。

特大管涵；受损；评估

1 特大管涵运行现状概述

特大管道（箱涵）是城市排水体系的重要基础设施，承担着确保城市污水有序收集、运输和治理，以及维护城市日常运行的重要作用。根据中国城镇供水排水协会排水专业委员会排水设施工作部向全国各大城市相关管线管理单位的调研，我国大部分管涵已进入或接近设计年限中期，排水系统逐渐进入事故频发、建设和维修管理并重的时代。近两年经常发生因排水管道年久失修引起道路坍塌，甚至置人死亡的事件，排水管道的安全问题已不容忽视。

以上海特大管涵为例，其管龄普遍已10～30多年。在长期使用过程中，污水长期冲刷腐蚀及软土地基变形引起的相邻管段不均匀变形等问题导致结构本身存在安全隐患。随着城市建设快速发展，道路交通日趋繁忙，既有道路负荷的加重、道路扩宽改造或其它日益增加的周边工程活动影响，对这些存在安全隐患的排水箱涵的安全性更是提出了考验。此外，上海市目前在役排水系统互通性较差（如合流污水一期与污水二期箱涵无互通），应急调度功能较弱，一旦出现影响箱涵正常运营的损坏险情，如要停水修复，将导致箱涵服务区域内污水无法输送的局面，极大影响城市正常运行，这就对既有排水管涵安全性提出了更高要求。

2 特大管涵受损已有研究成果分析

由于管涵结构的腐蚀情况严重，已不能按照无损设计的方法进行评估，因而研究既有管涵在受腐蚀等受损条件下的结构承载力对后续工程处理等具有重要意义。目前许多学者进行了研究，梁莉等[1]研究了腐蚀对埋地污水管道管土相对刚度的影响，并基于刚度折减的思想推导了受腐蚀管道的土压力计算公式；雷晗等[2]等针对上海市污水工程通过数值分析的方法对大直径混凝土管道的受力特性进行了研究；王志委[3]对埋地式圆形混凝土排污管的腐蚀规律及蚀后力学性能进行了研究，并依据腐蚀介质在每一份中的浓度将其弹性模量进行折减来进行模拟；金伟良等[4]对混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测进展进行了分析；陈朝晖等[5]对锈蚀钢筋混凝土粘结强度进行了试验研究，分析了锈蚀作用下钢筋混凝土粘结性能的主要影响因素及退化机制；李忠等[6]对受氯盐侵蚀的盾构隧道衬砌的结构性能进行了试验研究，指出蚀后混凝土衬砌既有承载力的降低，又有延性及变形（裂缝开展等）的恶化。杨绿峰等[7]针对当前结构耐久性设计，提出海洋混凝土结构耐久性设计的计算模型和定量设计方法。宋小雷等[8]的研究表明，随着疲劳荷载的增加及钢筋锈蚀率的提高，试验梁的疲劳强度和疲劳寿命显著降低。

从现有的研究成果来看，其主要侧重于管涵某一方面进行研究，在特大排水管涵受损机理及相应工程处理措施方面的研究缺乏系统综合性的技术标准作。系统性的梳理提炼影响特大排水管涵的安全因素并分析关键因素的机理，目前国内尚未见公开的文献。

3 特大管涵受损研究关键问题-受损机理及工程性对策

对于地下排水管道（管涵）这种服役环境严苛、局部锈蚀率极高、混凝土和钢筋受损显著在受损机理、修复性对策方面的研究还非常少见。导致对极端腐蚀环境下排水管涵的受损机理、受损规律、服役性能评估和预测方面的基础理论知识极度匮乏。因此，亟需对处于极端腐蚀环境中排水管涵的受损发展规律、力学性能退化规律、性能评估和预测方法进行系统研究，为其安全评估、修复、加固等工作提供理论支持和技术依托。

影响管涵安全性的因素涉及外部环境、结构本身状况、内部水环境和冲刷淤积等，如过重的外荷载、地基不均匀沉降，污水的冲刷、腐蚀引起的管渠损坏、裂缝，固体和淤泥引起的底部淤塞和顶部板结等，从管涵外部环境、结构特性、内部水环境多因素梳理管涵的安全因素并研究其机理，对全面评估管涵的安全性具有重要意义。

结合排水管涵的外部条件、结构、水力和水质监测和运行状况，从承受荷载、管网拓扑结构、管道材料、埋设年代、污水流态和污水水质等方面，利用统计学方法，研究排水管涵结构随年代的变化、排水管涵病害在整个管网系统中的分布，总结排水管涵病害随时空变化的规律，重点从大型管涵内部水环境和外部结构荷载两方面梳理排水箱涵的安全因素，为及时诊断排水管道安全性提供依据。

结合排水管涵受损发展的实际检测数据和受损机理研究，可以建立受损管道的受损发展模型与控制方程；基于敏感性分析，揭示不同参数对排水管涵结构受损发展的影响，明确排水管涵受损发展的主控因素。

国内现有的特大管涵的修复技术相对薄弱，相应的研究也较为缺乏。因此，有必要针对特大排水管涵各种不同类型的缺陷、受损，以及不同的修复条件，进行系统地分析研究并提出相对应的修复方法，完善各类修复方法的管理、设计、施工、运营配合及验收等各环节的关键技术，为特大排水管涵的修复工作提供指导与参考。

4 特大管涵受损研究工作的思考

目前，国内在特大管道（箱涵）安全性检测、评估和保护技术研究及修复性技术研究方面所做的工作存在以下不足：

（1）缺乏综合性技术标准作为依据，相关研究成果较少，可供参考的相关示范性工程较少。

（2）现行检测评估标准（如《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ181-2012）规程，《上海市公共排水管道电视和声纳检测评估技术规程》等）所采用的检测手段和分析角度以图像分析为主，结构、力学分析不够清晰，没有区别不同运行工况下的管道（箱涵）的安全冗余度的需求差异。不便于管线管理单位对箱涵（管道）的各种有利、不利运行工况及外部附加荷载进行针对性控制。

（3）现有评估标准没有考虑管道接口变形、差异沉降引起的渗漏，以及污水渗漏影响区域土性改变对箱涵的长期安全性带来的隐患。

（4）由于目前部分混凝土排水管道（箱涵）顶板底部钢筋锈断（如南干线），从设计的角度来看，其板底抗弯承载力已完全丧失，无法进一步按照规范设计方法评估。

（5）现有的管道保护技术较适用于中小口径管道，特大型管道（箱涵）的保护技术相对薄弱。

（6）在现有研究基础上应建立受损机理研究—受损承载力评估研究—受损后工程性对策研究的系统性研究。

5 结语

特大排水管涵受损机理规律研究是其受损后承载力评估和研究的基础，管涵的工程性对策研究是其受损后修复的关键。鉴于我国特大管涵已经逐步进入到修复的关键时期，建立受损机理研究—受损承载力评估研究—受损后工程性对策研究的系统性研究非常迫切。

本文分析了特大管涵运行现状、已有研究成果，并就其局限性提出了一些问题，包括（1）缺乏综合性技术指标；（2）现行检测标准不利于不同荷载工况下的控制；（3）现行评估标准对特殊节点无针对性；（4）对于结构发生巨大变化时无法按规范方法评估；（5）特大管涵保护技术研究不足。这些问题有待于进一步研究和解决。同时，本文提出：建立受损机理研究—受损承载力评估研究—受损后工程性对策研究的系统性研究理念；在系统研究的基础上构建管涵健康管理数据平台，全寿命式的服务于管涵安全运行。

[1]梁莉,王志委,张望成.受腐蚀埋地式混凝土管管周土压力的计算模式初探[J].地下空间与工程学报,2015,11(4):965-968.

[2]雷晗,陈锦剑,王建华,等.大直径砼顶管的管道受力特性分析[J].上海交通大学学报,2011,45(10):1494-1497.

[3]王志委.埋地式圆形混凝土排污管腐蚀规律及蚀后力学性能[D].重庆:重庆大学,2012.

[4]金伟良,吕清芳,赵羽习,等.混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展[J].建筑结构学报,2007,28(1):7-13.

[5]陈朝晖,谭东阳,曾宇,等.锈蚀钢筋混凝土粘结强度试验[J].重庆大学学报,2016,39(1):79-87.

[6]李忠,陈海明,孙富学,等.氯离子侵蚀盾构隧道衬砌结构性能退化试验[J].地下空间与工程学报,2009,6(5):1092-1097.

[7]杨绿峰,周明,陈正.海洋混凝土结构耐久性定量分析与设计[J].土木工程学报,2014,47(10):70-79.

[8]宋小雷．锈蚀钢筋混凝土梁静力及疲劳性能试验研究[D].福建厦门:华侨大学,2008.

TU992.2

1009-7716（2017）01-0093-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.026

2016-11-14