城市管网大口径给水管道爆管的应对措施研究

李 娜

(太原供水集团有限公司 城北营销分公司，山西 太原 030000)

随着我国经济社会的持续高速发展，城镇化进程的不断推进，居民生活水平发生了质的变化，特别是十八大之后，在精准扶贫和乡村振兴战略的实施之下，公共基础设施建设更加完善，不仅是大中城市的城区居民，就连中小城市、县城及大多数的村镇居民也开始喝上了安全的自来水。自来水作为城市的“血液”，是公共服务行业中最为关键和重要的组织，而城市供水管网作为城市血液的输送动脉，重要性自然不言而喻。但是，由于管网老化、居民用水量和压力要求的多样化以及应急管理水平的相对落后等多方面因素的综合影响，导致“跑、冒、滴、漏”现象时有发生，特别是大口径管道的爆管，给城市公共管理水平的提升带来了巨大的挑战，既是学者专家关注的研究热点问题，同样是供水企业迫切需要解决的现实问题。

1 爆管的机理研究

1.1 管道材质与应力作用

目前，我国城市主干管网的大口径管道多数是铸铁管为主，国家标准为2 MPa的压力要求，但是，因为城市供水中多数的用户管网出口压力要求一般在0.7 MPa及以下，因此，在铸铁管的生产中为了追求产量效率和经济效益，很多铸管企业开始将原来的离心浇注的金属工艺流程变成了连续浇注的金属工艺。沉没成本低、生产效率高、生产劳动环境好以及冷却速度快等优点使得后者的工艺流程成了很多铸管企业的生产方式。同时，残留应力、材质不均匀等缺点使得后者生产的铸铁管会在高压承受、剧烈震动、水锤效应的冲击以及不均匀的沉降等方面发生管体受损，并且，气泡、残渣也更容易滞留在管壁的内部，致密性相对差一些。这样一来，当管壁发生水压剧烈变动带来的内压承受引起环向拉应力、外部受到压力作用而引起了环向弯曲压力以及土体的移动和升降而引起纵向的弯曲应力或承口开裂应力，长时间的累积作用，管道局部就会发生承口开裂、侧向开裂、纵向开裂或环口拉裂等问题以致使爆管问题发生。

1.2 接口问题

目前，我国城市管网的大口径管道接口问题处理中，一般以刚性的承插式为主。由于承接口处的管道具有承口、插口双壁道，当受到内部水压改变或外部荷载的压力时，承口受拉而伸胀但插口受压而压缩，极其容易导致两者发生挤压等问题引起应力集中，而铸铁管的固有金属特性使得它在柔性方面严重不足就会发生割裂而引起爆管事故的发生。

1.3 内外部腐蚀

因为管道长时间的埋在地下，管道周边的土壤环境中的电解质、化学物质等多种因素的综合作用极易使得管道外壁受到腐蚀而变薄和强度下降，同时，管道内壁因为余氯等各种微量的化学物质对其发生腐蚀作用。在内外壁受到腐蚀的同时，产生了一定量的管垢之后，成了微生物寄生的港湾，在水中有机物营养物质的催化之下，细菌极其容易繁殖而加剧了管道内外壁的腐蚀。久而久之，跑、冒、滴、漏问题时有发生进而导致爆管事故。

1.4 水锤和气囊效应

长距离、大口径的供水管网由于水量的变化和水压的变化，在经过地形高低起伏不平的地段时，就会因为没有足够的或安装位置不合理的排气阀和泄水阀等必要的装置起到应有的作用，随着温度和水流速度的变化等，使得管道内部的气体时而发生压缩时而发生膨胀带来了压力变化幅度的扩大或压力变化周期的缩短，这样就会对管壁内部造成激烈持续而频繁的冲击，是造成大口径管道爆管的主要原因之一。再者，由于突发事件而关闭阀门或停水时的操作不当等原因，管道内出现负压或水流倒流等，同样会使管道内壁发生剧烈的冲击，造成水锤效应而对管网造成巨大的损害。

1.5 施工挖断或挖爆

因为当前我国城市基础设施建设的不断实施，各个施工单位挖断电缆、挖断供水管道等问题时有发生。再者，因为周边的施工开挖土方，极易使周边的地基环境发生破坏，带来了地面升降，使得供水管网发生了位移、不均匀沉降，进而带来了管道局部的破裂等，据不完全统计，这样的人为因素是城市供水管网发生爆管的主要诱导因素之一。

2 爆管的危害

对于任何一个城市而言，供水管网就是城市的血管，自来水就是城市的血液，即使是几小时的停水也会给居民带来工作和生活的不便，造成不小的损失。比如，2003年8月，哈尔滨市人和世纪广场因为局部供水管网的爆管，造成了大面积的塌方，导致13人死亡的重大事故发生；2010年11月郑州西环路立交桥大口径供水管道发生爆管，水流蔓延500多m，水深50多cm，影响到周边区域80多万居民的用水。爆管造成的危害可以总结为以下两点。

2.1 直接危害

大量的自来水外溢到路面，给行人和区域之内的居民出行带来了极大的不便，影响了交通的正常运行，并且，造成了水资源的大量浪费和损失。再者，水流极有可能淹入仓库、电缆井、居民区以及地下室等地方，造成财产损失和其他的负面影响。

2.2 间接危害

大量的自来水外溢到路面，极有可能造成路面地基的破坏，造成塌方的更大事故的发生，进而发生人员伤亡的事故。停水造成了医院或工厂等重要生产单位的工作职能不能正常运行，间接导致了各种损失的造成。

3 大口径管道安全运行及爆管预警和抢修对策

大口径爆管事故的发生，除了人为因素施工挖断之外，一般是一个长期连续而动态的过程，是管道日积月累受到了压力变化和水流变化的内部冲击和外部环境发生改变而管道外壁受到挤压和变形的结果，是量变引起质变的过程。因此，在供水管网安全运行及爆管预警和抢修是一个系统的整体的流程，防患于未然，将事故扼杀在萌芽之中，即使发生爆管事故，也将事故的应急抢修流程进行科学化及时化升级改进，将损失限定在最小范围之内，是城市供水安全保障的必要前提。

3.1 GIS系统的构建与完善

目前的城市供水管网管理系统，实现了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)及统计分析报表显示和输出。GIS应用于供水系统所产生的功效还远不止于此。因此，GIS在供水系统中的应用，就不能仅仅作为一个图形库和数据库只是停留在管网日常管理的水平上，还应该利用GIS分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持。

在GIS更多功能的利用开发方面，应当结合城市供水的实际需求，根据既有的统计数据资料等客观科学合理的历史信息，构建数学模型，对管网的运行动态进行模拟。在具体的实施过程中，利用GIS的数字高程模型，将管网的压力、流量和速度等关键的动态数据以即时的动态模拟形式通过三维的图形直观地展现出来，并进行实际的数据监测对比，对模型进行修正以提升精度。在此基础上，合理设置测压点、开关阀门和排气阀等必要的设施装置，进行压力水量等关键数据的预警。

3.2 加快管网设施的更新改造升级

从各大城市历年的大口径供水管道爆管统计数据来看，爆管多发生在旧城区的旧管网区域。因此，对旧管网进行改造升级是减少大口径爆管事故发生的关键之所在。并且，根据笔者的前述分析，应当在管材上更多的选择离心球墨铸铁管或钢管，严格按照国家规范标准进行材料的选择采购、施工安装，做到材料过关、施工过关和后续的维护保养过关。同时，在运输过程中、仓库存储过程中，严格按照各个设施装备的自有特性和材料属性进行科学合理的存放运输，从采购、入库、出库、安装施工和后续的维护保养以及智能化GIS的动态监测每一个环节都要做到规范化和标准化，不在任何一个环节发生问题，确保城市供水供水管网的安全稳定运行。