南、北方3个城市排水管道缺陷统计分布特征比较研究

刘艳海, 李 鸿, 郭 帅

(1.天津港保税区环境投资发展集团有限公司,天津 300452; 2.天津市政工程设计研究总院有限公司,天津 300051; 3.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

随着我国城镇化建设快速发展,排水管道敷设长度逐年快速增长,污水处理量和收集率也随之增加,但是整体水环境并没有显著改善,如黑臭水体仍是我国目前最突出的环境问题之一[1-3],而这与我国当前排水管网存在严重的结构性与功能性缺陷,且管道检测与修复管理水平相对滞后密切相关[4],如我国编制的行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程》[5]于2012年首次发布,而西方一些发达国家,如英国在20世纪80年代初就已发布其第1版排水管道状况分类手册Sewerage Rehabilitation Manual[6],并成为世界各国制定相关标准的重要参考。

由于排水管道所处环境复杂,易受到多种因素的影响,经过数十年的使用,加上缺少预防性维护工作,会逐渐出现破裂、渗漏、变形等缺陷和问题[7]。为加快补齐城镇污水收集和处理设施短板,《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》提出要建立污水管网排查和周期性检测制度[8]。为此,全国各地排水管道检测与修复项目正逐步开展起来[9-11]。

2018年,我国开始实施“长江大保护”战略举措,并开始对长江沿线一批城市的排水管道进行系统的检测与评估,积累了大量的管道检测数据,为统计分析管道缺陷分布特征提供了条件。为探究排水管道缺陷分布是否存在地区差异,本文选取实施长江大保护项目的2个南方城市——芜湖市与六安市的管道检测数据,同时选取1个北方滨海城市天津市的近期排水管道检测成果,开展对比分析研究,以3个城市排水管道缺陷作为研究对象,比较研究不同地区管道缺陷类型与缺陷级别的差异,并探讨造成这些差异的原因。

1 研究区域概况与管道检测方法

1.1 排水管网状况

选取芜湖市3个片区、六安市2个片区及天津市1个片区的分流制排水管网系统,共检测排水管道1 420.64 km,其中芜湖市共检测污水管线331.45 km、雨水管线606.24 km,合计937.69 km;六安市共检测污水管线204.94 km、雨水管线257.27 km,合计462.21 km;天津市共检测污水管线6.80 km、雨水管线13.94 km,合计20.74 km。通过查阅历史卫星地图追溯3个城市在不同年代的路网建设状况,推测得到管道建设年限分布频率如图1所示。截至2021年底,芜湖区域管道建设年限主要集中在5～15 a(占比56%),六安区域管道建设年限主要集中在0～10 a(占比66%),而天津检测区域较小,全部为5～10 a内建成。3个区域的排水管道断面形状全部为圆形,管径大于等于DN800的管道均为钢筋混凝土管,小于DN800的管道均为高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)管材。

图1 3个城市检测区域管道建设年限分布频率

1.2 管道检测、评估方法

常用的排水管道检测方法有管道闭路电视(closed circuit television,CCTV)检测、QV(Quick Vision)(管道潜望镜)检测、声呐检测等。本次主要采用CCTV进行管道缺陷检测,由于CCTV检测无法带水作业检测,检测前应根据管内水位采取相应降水措施。管道检测工作流程如图2所示。首先梳理待检测管段资料,然后进行现场踏勘,根据管内液位判断是否需要降水,若降水后淤积厚度大于100 mm,则需清淤,管道彻底清洗完成后,对管道进行CCTV检测或QV检测。检测由专业技术人员完成,根据管道检测视频对管道缺陷类型、位置、程度等进行记录。

管道评估方法参照文献[5],将管道缺陷类型分为结构性缺陷、功能性缺陷,其中:结构性缺陷包括10种,分别为破裂(PL)、变形(BX)、腐蚀(FS)、错口(CK)、起伏(QF)、脱节(TJ)、接口材料脱落(TL)、支管暗接(AJ)、异物穿入(CR)和渗漏(SL);功能性缺陷包括6种,分别为沉积(CJ)、结垢(JG)、障碍物(ZW)、残墙或坝根(CQ)、树根(SG)和浮渣(FZ)。将管道缺陷严重程度分为一至四级,分别为轻微缺陷(一级)、中等缺陷(二级)、严重缺陷(三级)和重大缺陷(四级)。

为比较不同排水管道、不同地区排水管道缺陷的类型,本文以每千米管道上缺陷数量即管道缺陷密度S作为评价参数,定义为:

(1)

其中:N为管段的缺陷数量;L为管段长度。

图2 管道检测工作流程

2 管道检测结果与缺陷对比分析

2.1 3个城市管道检测结果

3个城市管道检测结果见表1所列。

1) 芜湖市937.69 km雨、污排水管道共检出缺陷69 364个,平均缺陷密度为74.0 个/km,其中一级缺陷24 416个、二级缺陷23 024个、三级缺陷10 680个、四级缺陷11 244个。共检测出结构性缺陷51 277个,包括错口14 869个(29.0%)、破裂13 335个(26.0%)、变形5 822个(11.4%)、脱节5 180个(10.1%)、腐蚀4 793个(9.3%)、渗漏2 853个(5.6%)、接口材料脱落1 328个(3.7%)、起伏1 010个(2.0%)和支管暗接204个(0.4%)。共检测出功能性缺陷18 087个,包括沉积10 516个(58.1%)、障碍物4 166个(23.0%)、树根1 823个(10.1%)、结垢753个(4.2%)、残墙或坝根672个(3.7%)和浮渣157个(0.9%)。

2) 六安市462.21 km排水管道共检测出缺陷25 807个,平均缺陷密度为55.8 个/km,其中一级缺陷15 387个、二级缺陷6 828个、三级缺陷2 079个、四级缺陷1 513个。共检测出结构性缺陷19 967个,包括错口7 524个(37.7%)、腐蚀5 060个(25.3%)、破裂3 570个(17.9%)、变形1 246个(6.2%)、脱节1 048个(5.2%)、接口材料脱落604个(3.0%)、起伏334个(1.7%)、渗漏286个(1.4%)、异物穿入212个(1.1%)和支管暗接83个(0.4%)。共检测出功能性缺陷5 840个,包括障碍物3 528个(60.4%)、树根1 252个(21.4%)、沉积812个(13.9%)、结垢142个(2.4%)、残墙或坝根83个(1.4%)和浮渣23个(0.4%)。

3) 天津市20.74 km排水管道共检测出缺陷125个,平均缺陷密度为6.0 个/km,其中一级缺陷101个、二级缺陷8个、三级缺陷13个、四级缺陷3个。共检测出结构性缺陷90个,包括破裂47个(52.2%)、错口12个(13.3%)、接口材料脱落10个(11.1%)、异物穿入8个(8.9%)、脱节8个(8.9%)、渗漏5个(5.6%),未发现支管暗接、变形、腐蚀、起伏缺陷。共检测出功能性缺陷35个,包括障碍物28个(71.4%)、沉积8个(22.9%)、残墙或坝根1个(2.9%)和结垢1个(2.9%),未发现浮渣、树根缺陷。

表1 3个城市管道检测结果统计

2.2 不同地区缺陷类型比较

从管道缺陷密度来看,不同地区存在较大差异,北方的天津市管道缺陷密度为6.0个/km,远小于南方的六安市(55.8 个/km)和芜湖市(74.0 个/km)。不同城市排水管道缺陷类型分布也不尽相同,芜湖、六安和天津3个城市排水管道缺陷密度柱状图如图3所示。

由图3a可知:芜湖市主要结构性缺陷类型为错口(CK)、破裂(PL)、变形(BX)和脱节(TJ),占芜湖地区结构性缺陷的76.5%;六安市主要结构性缺陷为错口(CK)、腐蚀(FS)、破裂(PL)和变形(BX),占六安地区结构性缺陷的87.1%;天津市主要结构性缺陷为破裂(PL)和错口(CK),所占比例为65.6%。由此可见,破裂(PL)和错口(CK)缺陷在南、北方城市均占较高比例,而支管暗接(AJ)、起伏(QF)、接口材料脱落(TL)缺陷密度均较小。

芜湖市渗漏(SL)缺陷密度为3 个/km,明显高于六安市(0.6 个/km)和天津市(0.2 个/km),这可能与芜湖地区水系发达、地下水资源丰富有关。

六安市管道腐蚀(FS)最严重,高于芜湖市(5.1 个/km),天津市未检测出该类型缺陷。

图3 3个城市排水管道缺陷密度柱状图

由图3b可知:芜湖市主要功能性缺陷为沉积(CJ)和障碍物(ZW),两者占芜湖地区功能性缺陷的81.1%;六安市主要功能性缺陷为障碍物(ZW)和树根(SG),占六安地区功能性缺陷的81.8%;天津市主要功能性缺陷为障碍物(ZW)和沉积(CJ),占天津地区功能性缺陷的94.2%。

3个城市障碍物(ZW)缺陷密度从大到小依次为六安市(7.6 个/km)、芜湖市(4.4 个/km)、天津市(1.2 个/km),在功能性缺陷中所占比例较高,而浮渣(FZ)、残墙或坝根(CQ)和结垢(JG)缺陷密度均小于1 个/km。

芜湖市沉积(CJ)缺陷密度约为11.2个/km,远大于六安市(1.8 个/km)和天津市(0.4 个/km),一般地,管道CCTV检测之前,需对管内淤积进行冲洗,出现沉积缺陷可能与该地区管道检测流程不规范有关。

芜湖市与六安市树根(SG)缺陷密度相当,分别为1.9、2.7 个/km,天津市未检测出该缺陷。

2.3 不同地区缺陷级别比较

管道缺陷级别反映管道缺陷的严重程度,缺陷级别数字越大表示缺陷越严重。南、北方3个城市管道各级缺陷占比如图4所示。由图4可知,3个城市各级缺陷占比基本符合管道缺陷级别越高,其所占比例越低的规律。其中天津市一级缺陷数量占天津地区所有缺陷总数的69%,此比例在3个地区中最大,表明天津地区管道缺陷主要为轻微缺陷,同时由表1可知,天津市排水管道缺陷密度也最低,反映出天津地区管道状况较好,由此可见北方地区排水管道健康程度优于南方地区。芜湖市三、四级缺陷占比为31%,所占比例远高于六安市(14%)和天津市(13%),意味着芜湖地区接近1/3的管道缺陷中为严重缺陷,同时由表1可知,芜湖市管道缺陷密度也最高,由此可见芜湖地区排水管道状况较差。

图4 3个城市排水管道各级缺陷占比分析结果

2.4 雨、污水管道缺陷比较

为对比分析不同管道类型(即雨水管与污水管)在缺陷分布上的不同特征,将3个城市数据做综合统计分析。3个城市雨、污水管缺陷密度柱状图如图5所示。

由图5a可知:雨水管结构性缺陷密度为55.9 个/km,大于污水管的44.1个/km;雨、污水管道结构性缺陷分布存在差异,污水管中主要结构性缺陷密度由大到小依次是变形(BX)、错口(CK)、破裂(PL)、腐蚀(FS)、渗漏(SL),这5种缺陷占污水管道结构性缺陷总数的84.3%;而雨水管中主要结构性缺陷类型为错口(CK)、破裂(PL)、腐蚀(FS)及脱节(TJ),这4种缺陷占雨水管道缺陷总数的86.3%;污水管中的变形(BX)、渗漏(SL)缺陷密度分别为9.6、3.7 个/km,明显大于雨水管中的2.1、1.3 个/km;雨水管中的错口(CK)、破裂(PL)和腐蚀(FS)缺陷分别为20.0、14.3、8.6 个/km,大于污水管中的9.0、8.0、4.3 个/km。

由图5b可知:雨水管中功能性缺陷密度为21.7 个/km,远大于污水管中的9.1 个/km;不论雨水管还是污水管,功能性缺陷中最严重的2种类型均为沉积(CJ)和障碍物(ZW),雨水管中这2种缺陷占功能性缺陷总数的80.2%,污水管中此比例为76.9%,表明排水管道普遍存在缺乏维护的问题。雨水管中沉积(CJ)和障碍物(ZW)缺陷密度分别为10.5、6.9 个/km,明显大于污水管中的4.0、3.1 个/km;雨水管中的沉积、障碍物主要为修建道路废弃的沥青块、混凝土块。此外,雨水管中,由于树根生长进入管道造成过水断面损失的缺陷较污水管也更为严重。

图5 雨、污水管道缺陷密度柱状图

3 排水管道缺陷的影响因素分析

文献[12]归纳了影响刚性排水管道结构性缺陷的因素,将影响因素分为以下3个大类:

1) 施工因素,包括安装方法、施工工艺标准、管道尺寸、管道埋深、垫层材料和类型、管材、接头类型和材料、管段长度及管道连接方式。

2) 局部、外部因素,包括地面使用、地面荷载、地表类型、路面交通特征、给水管泄露、附近开挖扰动、地下水位、回填土类型及树根。

3) 其他因素,包括污水性质、维护方法及管龄等。

造成不同地区排水管道缺陷类型和缺陷级别差异的原因可能有垫层材料、管道覆土和地下水位,这与各地区的管道建设年限、管材类型和断面形式有关,也与土壤特性、地质条件及河湖水系有关。如芜湖市渗漏缺陷数目明显高于其他2个城市,这与芜湖地区地表水和地下水资源丰富有关。芜湖地区位于长江中下游水网地区,广泛分布河漫滩和阶地,浅部主要发育淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土和粉砂等,均为河湖沉积的饱和软土,属于典型的软土地层,力学性质较差,另外芜湖市管网建设年限也比六安市、天津市要长,导致芜湖地区排水管道缺陷密度和严重缺陷数量都高于六安、天津地区。

雨、污水管功能不同,所传输水的性质不同,这可能是造成两者缺陷类型分布差异的原因之一。雨水管一般多敷设于非机动车道之下,而污水管多敷设于人行道和绿化带之下,两者地表类型不同,所承受的荷载类型不同,且污水管埋深一般大于雨水管,这也是造成雨、污水管道缺陷存在差异的重要原因。

4 结 论

本文选取芜湖、六安、天津3个城市的雨、污水管道检测缺陷成果,比较研究南、北方不同地区城市排水管道缺陷分布及缺陷级别的异同,主要结论如下:

1) 不同地区排水管道缺陷类型和级别分布都存在一定差异,北方地区排水管道缺陷密度和三级以上缺陷占比均小于南方地区。

2) 雨水管缺陷密度大于污水管道,雨、污排水管道主要结构性缺陷有所不同,但主要功能性缺陷均为沉积和障碍物。

3) 造成不同地区、不同类型排水管道缺陷差异的原因十分复杂,不仅与管道自身属性、施工因素有关,还与各地区土壤特性、地质条件、河湖水系等外部因素有关。