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        中國水務行業觀察者!

        市政排水管道如何減少事故頻發現象?
        更新時間:2021-07-28 來源:給水排水

          從市政排水管道事故發生的角度出發,全面調研和分析了南方某城市4個區2017年至2020年4個年度的相關數據,根據管道事故的事故類別、管材類型、管徑大小、埋深大小、單位管道長度事故發生頻次等信息,深入剖析了事故發生的可能原因,并從技術和管理的角度提出了預防管道事故的有效措施。

          0 引言

          現代城市的飛速發展帶來了城市建設規模的不斷擴大,這對市政排水系統的建設和運營提出了更高要求,排水管道事故的頻發會給城市的市容市貌、地面交通、財政支出等帶來沉重負擔,從而給城市的發展帶來不良影響,盡量降低排水管道事故發生的頻率,使之不做城市建設的“短板”,成為水務工作者迫切需要解決的問題。在此大背景下,本文從排水管道事故的角度入手進行相關調研,包括管道事故類別、管材類型、單位管道不同管材發生事故率、管道管徑、管道埋深等方面,在深入分析了發生事故的原因的基礎上,提出了包括技術和管理在內的多項預防手段,以期能為其他城市的市政排水管道建設運營維護提供實踐經驗。

          本文主要采用現場調查、資料收集和數理統計的方法開展對南方某城市A區、B區、C區和D區四區(以下簡稱“調查區”)2017年、2018年、2019年和2020年排水管道運行情況的研究。

          01 區域管道事故分布統計及管道事故發生類型占比情況

          近4年調查區排水管道事故大體上可分為滲漏、堵塞和塌陷三類。全市2017年、2018年、2019年和2020年檢修的總次數分別為103次、93次、119次和112次,對比三類事故發生的次數,可以發現管道塌陷較滲漏和堵塞發生的次數更多。其中,四區的管道事故分布統計見表1,從表1中數據可以看出D區的管道事故發生次數明顯低于其他區域,可能是因為D區的發展較其他區晚,管道建設和運營管理較其他區完善,且管道年限較短等原因。

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          將排水管道事故類別細分為15項,分別為管道腐蝕、井體損壞、穿孔、管道變形、管道破損、接頭錯位、接頭漏水、井壁裂縫、井底損壞、裂縫、墻體損壞、管道縱向爆裂(簡稱縱向爆管)、縱向裂縫、管道橫向爆裂(簡稱橫向爆管)以及其他,統計近4年調查區排水管道事故類型占比情況見圖1。從圖1中可以看出,事故類別占比最高的事故類別有管道腐蝕、接口漏水、裂縫和管道破壞等。2017年、2019年和2020年事故率較高的均為管道腐蝕(分別約為56%、37%和36%);2018年事故率較高的為裂縫(約28%)、接口漏水(約28%)和管道破損(約23%)。根據實地調查走訪分析事故原因可知,管道腐蝕和裂縫主要原因是排水管道在使用過程中的沖刷和污水腐蝕所致;排水管道一般敷設在道路下面,承受一定的土壤和地面荷載,容易由于荷載不均勻而導致管道產生不均勻受力情況,從而導致管道破裂漏水;管道破壞則主要是在城市建設過程中施工不當而人為引發的。

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          2 不同管材類型管道事故占比情況

          近4年調查區不同管材類型市政污水排水管道事故分布情況如圖2所示,其中,發生事故數量最多的為鋼筋混凝土管,4年事故占比率分別約為74%、55%、56%和37%。其余管材占比較高的是鋼管、波紋管和箱涵等。

          現場調查中發現,很多發生事故的鋼筋混凝土管不是因為管道內微生物群落堆積管道堵塞,而是由于管道內壁的混凝土層在管道內氣體腐蝕的情況下逐漸松散脫造成管壁變薄,形成該現象可能的原因包括管道內壁腐蝕、管材質量差等,管壁變薄致使鋼筋裸露銹蝕,從而管道無法承擔正常的土壤和地面荷載,導致滲漏嚴重甚至坍塌。箱涵同樣是由于頂板受到腐蝕氣體的影響而脫落嚴重,慢慢箱涵頂板發生嚴重變形甚至坍塌。我國污水排水系統采用重力流,在管道和箱涵的上部由于管道內部微生物所產生的大量的氣體,如甲烷、二氧化硫、硫化氫等,這些酸性氣體對管道、箱涵的內壁產生長期腐蝕作用,破壞混凝土致密結構,逐步失去其應有的受壓強度功能。此外,由于混凝土脫落,管道中植入的鋼筋會裸露,鋼筋在空氣氧化和電化學雙重腐蝕作用下,容易加速鋼筋銹蝕直至消失,管道或箱涵失去其原有的抗拉抗壓強度,導致管道在使用過程塌陷或是箱涵頂板變形。

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          3 不同管材單位長度事故發生頻次情況

          考慮到在實際工程中,每種管材的實際敷設長度差別很大,如果僅僅以發生事故的次數來對管材的性能進行評估比較,具有很大的偏差和不合理性。為了管網運行管理中評價的合理性,本文首次提出一個新的衡量事故頻次的指標:單位管道長度事故發生頻次,即某種管材的管道發生事故的次數與該管材的管道敷設長度的比值,單位為次/km。這種比較的方法對分析校驗具有一定的理論支撐和實踐指導意義。統計了近4年主要管材事故發生次數的總和與相對應的管道長度,計算出了近4年平均的單位管道長度事故發生頻次,結果如表2所示。從表中可以看出,鋼管的單位管道長度事故發生頻次高達到73.19 次/km,鋼管發生事故的類別主要是裂縫、管道腐蝕、穿孔等,而產生事故的原因主要是自然老化及腐蝕,同時施工質量也占一定比例,鋼管市政排水管道會給后期運維帶來較大的負擔。通過分析,主要原因是幾乎所有的市政污水排水管道都埋設在地下,管道受到土壤、地下水、空氣等的侵蝕,再加上施工質量或者管道防腐工作做得不好,很容易產生鋼管銹蝕。

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          在調查中還發現,近4年鋼筋混凝土管發生事故數總計多達244次,但經計算其單位長度發生事故頻次僅為0.17 次/km,由于該管材是目前該市市政排水管道的主要用材,所以單位長度發生事故的頻率并不算高。

          調查還測算了塑料管作為市政排水管材的單位長度事故發生頻次,其數值為0.05 次/km,事故頻次遠低于鋼筋混凝土管,但不能就此簡單判定塑料管作為市政排水管材更具優勢。主要原因如下:首先,塑料管雖然在管道的柔性、粗糙度、排水性能和施工方便等方面比鋼筋混凝土管有較大優勢,但所調查到的大部分管道都是在2008年后敷設的,使用時間較短,產生事故率不高,是否真實是一種優質的市政排水管材,尚需通過時間的檢驗;其次,塑膠排水管一般都用在市政小管徑,管道埋深淺,管道所受壓力??;最后,該城市實際敷設的塑膠排水管道不多,并不具有較強的代表性。

          調查中其他類的管材主要包括箱涵、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管等,其中引發事故較多的主要為箱涵,這四年中總共發生了33 次事故,約占其他管材發生總事故的一半。統計發現,除箱涵外,其他類型的管材發生事故的概率小。通常研究中都將箱涵類事故歸類于鋼筋混凝土管事故類,但考慮到箱涵實際尺寸比鋼筋混凝土管大,并且施工工藝也有部分不同,所以本調查研究中把箱涵歸類為其他管材類型。

          4 不同管徑的管道事故占比情況

          近4年調查區中不同管徑的市政排水管道事故發生分布情況見圖3。從圖3中可以看出,管徑DN800以下管徑的管道發生事故頻率更高,最高的為管徑DN400左右的管道,近4年的事故率占比分別約為32%、23%、41%和22%左右,原因是這種管徑大小為市政排水管道主要使用的管徑。此外,調查中還發現,管徑超過DN1 200的管道主要以鋼筋混凝土箱涵為主,除2020年外其他3年事故率占比為5%左右,導致管道和箱涵失去其原有的抗壓能力的原因有多方面,比如污水中由于微生物的分解作用,產生了甲烷、二氧化硫、硫化氫等酸性氣體而引起的腐蝕作用,由于管內流速過大產生的嚴重沖刷作用,或由于周邊的施工活動或者地表不均勻沉降帶來的變形作用等。

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          5 不同埋深管道事故占比情況

          不同埋深市政排水管道事故(指滲漏、堵塞和塌陷三類事故)發生情況如圖4所示,從圖4中可以看出,市政排水管道事故發生率與埋深有一定關系,在管道埋深大于2 m以上時,管道出現的事故率隨埋深而逐步增大,而埋深超過5 m之后事故率有下降趨勢,事故發生率較高的埋深在2~5 m,最高事故發生率在3~5 m,最高事故率發生在2020年,約50%左右,其他3年也高達30%左右。分析原因主要是管道埋深增加之后,管道承受的土壓負荷會有所增加。此外,南方某城市為濱海城市,城市地下水位較高,管道埋深大于3 m后,管道基本上都處于地下水包圍之中,并且可能有海水的長期侵蝕,容易加快管道腐蝕或性能產生變化而產生事故。

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          6 排水管道事故原因分析

          近4年排水管網事故原因關系分布情況如圖5所示,從圖5中可以看出,管道事故主要原因是管道的自然老化、施工質量、地基變化等。以2018年為例,自然老化占比約為73%,施工質量占比約為10%,地基變化占比約為15%。管道自然老化占比最高,是產生事故的主要原因,占整個管道事故比例的60%~80%,這與之前學者的研究結果基本一致。此外,第三者原因(如其他工程施工對市政管道產生的破壞)引起的事故也不容忽視。因此,在選擇合適市政管材時,需重點關注管材的耐老化問題和強度問題。

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          調查中還發現,部分廠商鋼筋混凝土管質量問題,采用海沙來制作市政排水管材的,降低了鋼筋混凝土抗腐蝕和抗老化能力;同時施工質量也是產生運營事故的主要原因之一。因此,需要不斷規范化管道施工規程和質量的控制,保證地底下市政管道能滿足規定設計年限和施工質量要求。市政排水管道敷設在地下,由于南方某市的填海區較多和地鐵施工的影響,地基土壤局部產生不均勻沉降的可能性大,建議排水管材采用柔性接口或者柔性管材。

          7 預防措施研究

          市政排水管道是隱蔽工程,發生事故維修難、造成的危害性很大,為減少排水管道運營過程中的管道事故,建議預防措施從技術和管理兩方面雙管齊下進行。管道施工應保證每個環節都嚴格按照施工規范執行,根據本文對排水管道事故類型的調查和事故原因分析可知,控制施工質量以減少管道腐化、接口漏水和裂縫是技術措施研究的重中之重。具體可采取以下主要措施:

         ?。?)加強管道的防腐作法。鋼筋混凝土管防腐的作用是提高其耐腐蝕能力,主要措施包括在管道內外表面刷涂防腐涂料層、在鋼筋表面采用環氧樹脂涂料和鍍鋅層、通過使用高效混凝土減水劑或往混凝土中加入混合材料來減少混凝土的孔隙率從而提高混凝土的密實度等。鋼管防腐的措施主要有加防腐層隔絕電解質和通過借助外加電流使被保護的金屬管材進行陰極化等,其中防腐層材料可采用石油瀝青、環氧煤礦瀝青、煤焦油瓷漆、環氧粉末、聚乙烯或其他復合材料等。應根據工程實際情況,選擇恰當合理的防腐作法并嚴格按照設計和相關規范進行施工,從而有效控制和減緩管道的腐蝕程度。

         ?。?)抓好接口的施工環節。根據不同的接口選擇不同施工工藝來保證接口的密封性和安全性,混凝泥土鋼絲網抹帶接口要求用水泥砂漿做內縫,施工內縫前要鑿除多余的混凝土,將管頭打毛以便砂漿和管頭連接更貼合;外套環頂管連接的內縫水泥砂漿要搗實,油麻絲要做好防腐;承插口混凝土管采用水泥砂漿接口并搗實。另外,必須重視管道與檢查井的搭接,確保其連接牢靠并防滲。

         ?。?)嚴控管道的功能性試驗。排水管道最重要的功能性試驗是閉水試驗,合格后方可回填。規范有要求以及有條件的管道都應做好閉水試驗,試驗流程嚴格按照規范進行,如養護時間和浸泡時間一定要達到規定數值,數據務必保證真實,正確計算滲水量等。試驗過程中應仔細檢查試驗管段是否出現裂縫和滲水,細小裂縫建議用細砂漿填實,輕微滲水建議用水泥漿修補,嚴重者必須返工。

          技術手段落實到位后,更應該重視管理這個抓手,以下具體從三個角度進行預防:

         ?。?)完善管理制度。管道事故的預防應建立在完善的管理制度基礎之上,管理單位制定合理制度后,各部門按制度互相配合執行,有序開展運維流程,確保排水管道的定期維護管理,提升運維效率,提早發現問題,降低管理成本??衫么髷祿畔⒒?、可視化等管理工具,為運維管理提供提前預判,把管道事故的發生扼殺在萌芽階段。

         ?。?)監管施工質量。加強對管網工程施工質量的有效監管,確保各個施工細節都符合施工標準,消除安全隱患,為城市排水管道的安全穩定運行提供基礎保障。具體措施包括加強對管材選擇的管理,埋管前進行質量抽查;對預埋管材的選擇提出明確要求,從源頭上把關,堅決不使用不合格的管材等。重點抓好溝槽回填、閉水試驗等關鍵環節的工程質量??⒐を炇针A段,新建管道可全面推行內窺檢測,取得合格報告后方可申請竣工驗收。

         ?。?)統籌全局規劃。排水管道設計階段要做好實地勘查和充分研判,地下管線分布情況復雜,提前摸清地下管線的情況后進再行科學設計,避免出現設計不合理給施工帶來阻礙。施工過程中要做好與交通、電力、燃氣等部門的溝通協調工作,減少人為因素造成的反復施工,從而降低工程質量。同時,自然老化作為管道事故發生的主要原因之一,管理上需統籌規劃,逐步排除事故隱患管道,并加快推進對城市老舊排水管網的改造。

          8 結語

          本文通過對南方某城市市政排水管道近4年的事故相關情況進行調查研究后發現,管道事故發生最多的是管道腐化、接口漏水和裂縫等,其中鋼筋混凝土管是發生事故最多的管材;鋼管是發生事故頻次最高的管材;管徑為DN400和管道埋深在3~5 m時管道發生事故頻率最高。對資料和數據進行全面分析后發現,管道的自然老化、施工質量和地基變化是導致事故發生的主要原因。針對調研情況,從技術和管理兩個角度提出了相關預防措施,技術上需要增強管道的防腐,嚴控接口的施工環節和重視管道的閉水試驗,管理上則需要更完善的制度,更嚴格的施工監管和更長遠的全局規劃。


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