受腐蚀大口径排水管道结构安全评估与保护研究综述

2016-12-16鲍月全冯东阳余凯华江晓华

城市道桥与防洪 2016年11期

关键词：排水管道管道评估

鲍月全，冯东阳，余凯华，徐　禅，江晓华

（1.上海市城市排水有限公司管线管理分公司，上海市201103;2.同济大学地下建筑与工程系，上海市200092; 3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

受腐蚀大口径排水管道结构安全评估与保护研究综述

鲍月全1，冯东阳2，余凯华3，徐禅1，江晓华1

（1.上海市城市排水有限公司管线管理分公司，上海市201103;2.同济大学地下建筑与工程系，上海市200092; 3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

城市排水管道在长期服役过程中面临突出的腐蚀和耐久性问题，尤其是对于大口径的干线排水管道，腐蚀类缺陷造成的结构安全隐患更是十分严峻。现对埋地管道结构缺陷检测技术研究、受损排水管道安全性评估研究、受损管道维护与修复技术研究等国内外关于受腐蚀大口径排水管道结构安全评估的研究进展进行了系统的分析和综述，并对典型及时新的排水管道健康状况评估与维护管理系统（含规范评分系统、高级健康诊断与决策管理系统）、影响大口径排水管道结构安全的外部环境因素等进行了分析研究，以供受腐蚀大口径排水管道结构安全评估与保护研究提供借鉴和参考。

排水管道;腐蚀;力学性能;安全评估;综述

0　引　言

排水管道是城市排水体系的重要基础设施，承担着城市雨污水有序收集、输送、处理和排放等任务，对于维持城市日常运营至关重要。国内大中城市自上世纪七八十年代起，便陆续开始合流污水管道的建设，至今这些合流污水箱涵管龄普遍已达30a左右，已进入或接近设计年限中期。

随着服役时间的增长，排水管道因污水腐蚀冲刷所致的结构缺陷与耐久性问题逐渐显露出来。最近的现场调查表明，运营约30a的某大口径合流污水排水箱涵，顶板内层钢筋已经普遍锈断失效，锈蚀率几近100%；混凝土因钢筋的锈胀而剥落形成蚀槽，厚度损失达1/6～1/3，如图1所示。

图1　大口径排水箱涵腐蚀状况实景及示意图

排水干线是城市的生命线工程，但遭受此种严重的腐蚀缺陷后，其结构安全岌岌可危，并埋下巨大的环境、经济和社会隐患。

为解决受腐蚀排水管道的结构缺陷及劣化问题，国内外的研究者开展了持久而深入的研究，取得了丰富而显著的成果，这对于指导我国大口径排水管道(箱涵)的管理和维护有宝贵的参考价值。

本文系统阐述了受腐蚀大口径排水管道结构安全评估及相近领域的研究进展，主要包括4个方面：（1）埋地管道结构缺陷检测技术研究；（2）受损排水管道结构安全评估研究；（3）受损排水管道修复技术研究；（4）排水管道健康状况综合评估及维护管理系统研究。

最后对有关环境因素对大口径排水管道安全性的影响之研究作些介绍，并对各环境因素的作用机制进行了定性分析。

1　埋地管道结构性缺陷检测技术研究进展

埋地管道的缺陷可以归为两类：一是影响管道结构安全的结构性缺陷，比如管壁腐蚀或磨损、纵向或环向裂缝、管段挠曲或失稳坍塌、地层空洞等；二是影响管道正常运营(对结构安全影响不大)的功能性缺陷，比如淤泥沉积、管壁结垢、树根侵入、渗漏等[1,2]，本文重点关注结构性缺陷的检测。按照原理，排水管道检测技术主要分为以下几类。

1.1光学检测技术

基于可见光的检测技术包括人进入法、CCTV录像、SSET扫描等，其中犹以CCTV最为常用。可见光检测的优点是可以直观地辨识裂缝、管壁腐蚀、挠曲、错台等结构性缺陷，缺点是只能看到表面情况而无法获知管壁剩余厚度、裂缝开展深度、地层疏松程度及空洞等深部状况，并且由于受光照条件限制，只能用于水面以上，且易受表面污泥、水滴等的干扰。

基于不可见光的检测技术包括红外热成像、激光检测等。热成像是利用不同介质导热性的差异，通过红外热谱获知管道周围介质的分界分布情况，优点是可以捕捉到地层空洞、裂缝等信息，缺点是易受地表气象活动的影响，且难以精确测量管壁厚度等尺寸信息[3,4]。激光检测的本质是基于光的反射和干涉进行测距，优点是可以精确地扫描和测量管道的内轮廓，并可识别窄至0.3mm的裂缝[5]，缺点是为避免折射只能用于空管或满管(但满管可能有衍射问题[2]）。

1.2电磁检测技术

大口径排水管道多采用受力及耐久性更好的混凝土结构，因而难以应用只适用于金属的磁通法、涡流法、低频电磁场法等多数电磁缺陷检测技术，而地质雷达（GPR）则是个例外。GPR是基于电磁波会在介电常数不同的两种介质的界面发生反射的原理，通过对反射或透射波的分析来确定物体内部界面（不连续面或缺陷）的位置[6]。优点是可以探知混凝土内部空洞、地层空洞、管道渗漏等隐蔽缺陷，可以测量管壁剩余厚度，缺点是不直观、需要专门的技术人员处理和解读检测数据。

1.3声波及振动检测技术

基于声波的检测技术主要有声纳、超声导波等。声纳是基于声波会在密度不同的两种介质的界面发生反射的原理对关心的界面进行定位，优点是可以精细地探测管道的内轮廓，从而推知管道变形情况、管壁蚀后厚度、淤泥量等，甚至可以区分出小至5mm的缺陷[7]，缺点是管内水气共存时比较难处理（声波在水和空气中的传播速度不同）。超声导波[8]可以快速探知并定位管壁局部蚀坑、缺口等几何缺陷，并能估计缺陷大小，缺点是不直观，对全局性的缺陷(如管道的整体腐蚀)较难反映。

基于振动的检测技术主要是冲击回波法，即通过人为施加振动，通过振动波的性态分析管道的整体状态，多用于预应力混凝土管的检测[9]。

1.4复合检测技术

以上各种检测技术都能在排水管道的缺陷检测中发挥一定的作用，但也都有所欠缺，而包含多种传感器的复合检测系统则可以在一定程度上实现优劣互补、减少漏检，从而获得更全面的信息。

在这方面，Andrews等[6]用“CCTV-声纳”复合系统在加拿大的多个城市检测了超过50km的干线排水管道（口径2100～2900mm），该系统利用声纳完成水下检测，用CCTV完成水面以上的检测，从而克服声纳处理水气共存的困难，以及CCTV水下检测的困难。

Koo等[10]用“DSET-地质雷达”复合系统对美国菲尼克斯的1.8km带PVC内衬的试验段混凝土排水管道 (直径0.75～0.9m)进行了检测。该系统用DSET（数字化扫描评估技术）对PVC内衬的表面缺陷状况进行扫描，用地质雷达对混凝土外衬的腐蚀厚度及空洞进行探测。

Gooch等[11]基于“CCTV-激光”复合法开发了一套半自动的下水道检测车。该系统先通过录像查找内壁缺陷，然后利用激光进行三角定位，以确定缺陷的具体位置，从而将CCTV的直观和激光的精确结合起来。类似的，Kirkham等[12]开发的PIRAT系统可以根据管内水量、缺陷大小等灵活选取激光或声纳扫描器与CCTV组合。

2　受损排水管道结构安全评估研究进展

排水管道因腐蚀而发生结构性缺陷后，承载能力相比完整状态有所下滑，此时应根据检测到的缺陷（管壁腐蚀变薄、开裂等）对管道结构进行二次力学分析和计算。这方面的典型研究有关键截面法和完整模型法。

2.1关键截面法

Bairaktaris等[13]在其管道评估系统的力学分析模块中，将圆管的整环均分成12份，即离散成由12个节点(关键截面)刚接的12段一维梁单元，单元刚度根据实测壁厚算得。当CCTV检测到纵向裂缝时，则将最近的刚接节点置为铰，然后在水土压力、交通荷载作用下对管环实施荷载结构法弹性有限元计算，算得某个节点(截面)的最大拉应力超过管材抗拉强度时则退化为铰。当铰的数量超过一定阈值时判定整体失稳，当节点的轴力或剪力超过材料强度时判定局部失稳。

Becker等[14]进一步发展了关键截面法，通过设置土弹簧考虑地层抗力，并通过考虑管材性质、荷载、管土接触条件等参数随时间的演变，对管段未来的安全性做出预测。

2.2完整模型法

Alani等[15]基于地层结构法对管道进行二维完整模型的计算，根据DP强度(屈服)准则判断混凝土材料的破坏。该文亦考虑了外部荷载、管壁腐蚀的不确定性和时变性，采用随机有限元法(SFEM)计算结构的失效概率随时间的变化，实现管道的寿命预测，并对车辆荷载大小、上覆土厚、管壁厚度等因素做了参数研究和敏感性分析。

Rˇoutil等[16]在进行排水管道劣化的时变效应研究时，以一组承受对径压力的圆管作为算例测试对混凝土劣化指标进行参数研究，其管道失稳破坏采用混凝土断裂理论(裂缝带模型)。注意到，该算例采用的非线性混凝土模型可以方便地推广到埋地管道的真实受力模拟。

3　受损排水管道修复技术研究进展

检测结果揭示的功能性缺陷，以及力学计算揭示的对结构安全构成威胁的结构性缺陷，都需要采取相应的修复措施，其研究有以下几个方面。

3.1开挖式修复

随着损伤程度由轻到重，排水管道的修复措施可以分为局部修补、整体翻新和整体替换三个级别[17]。其中管段替换往往需要通过开挖法完成，即先挖除旧管道周围的覆土，再在原位施作新的管段。通常，开挖式修复主要用于管段损伤严重、普通的加固措施已经难以奏效，或者个别管段严重偏离设计轴线的情况。相比非开挖式修复技术，开挖式修复的优点在于施工条件好、可保证过流断面等。

3.2非开挖式修复

开挖式修复虽然有施工条件好等优势，但同时也带来造价高、环境影响大、干扰地面交通、影响市容等诸多弊端，因而在很多情况下，城区受损排水管道并不具备开挖式修复的条件。在这样的背景下，各种非开挖修复技术得到了发展。

3.2.1涂层技术

涂层（Coating）主要用于轻度及中度损伤的修复。这类技术是通过在管道内壁喷涂一层水泥砂浆、(喷射)混凝土、树脂等材料，来阻止污水对结构的进一步侵蚀，达到延缓结构劣化的目的。根据相关文献的报道，通过及时、反复的涂层修复可以将管道的服役寿命延长30～50a之久[18]。同时，配合钢筋网使用的喷射混凝土涂层法可以用于重度损伤的修复。

3.2.2内衬技术

内衬（Lining）技术主要用于中度及重度损伤。这类技术是将一层新的预制管道插入受损段，通过注浆等方法充填新旧管道之间的空隙，从而形成新的受力体系、延缓管道的进一步腐蚀。内衬技术按横断面的连续程度可分为整环式和拼接式，按施工方法可分为穿插法（SlipLining）、原位固化法（CIPP）、螺旋缠绕法（SWP）、折叠法（FFP）、套环法等[19]。

此外，非开挖修复技术中的爆管法可以代替开挖法进行管段的整体替换，但有环境扰动问题。

4　排水管道健康状况评估及综合维护管理系统研究进展

由于工作环境严酷、劣化速度快，排水管道比一般结构更需要全寿命维护，因而催生了一系列结构健康诊断和维护管理系统的发展。

4.1规范评分法

为指导排水管道的运营管理与缺陷修复，很多国家都出台了排水管道健康诊断与评估指南。

英国水研究中心于1980年颁布了排水管道状况分类手册[20]，随后又于1983年出台了污水管道修复手册SRM[4]。SRM建议利用人工或CCTV检测结果，对污水管道的安全等级进行评分（1～5），然后优先对安全性低、破坏后附带影响大的管段进行维护。澳大利亚、美国、日本等国也制定有类似的分级标准，典型例子如表1所列。

表1　排水管道健康状况评价分级标准表[21]（英国SRM）

在国内方面，上海在2009年发布了地方标准《排水管道电视和声纳检测评估技术规程》，是国内首部排水管道内窥检测评估技术规程[22]。随后，住建部在2012年发布了《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ181），主要也是根据内窥影像对管体本身的缺陷进行评分，然后综合考虑分值和破坏后果的严重性制定修复计划。

4.2高级健康诊断与决策管理系统

城市排水管网甚为庞杂，单纯按照规范评分法进行检测和评估，会有效率低、主观性、管理麻烦等问题。为此，有研究者开发出了智能化、信息化、自动化的排水管道高级健康诊断与决策管理系统。现分述如下：

Kirkham等[11]开发的PIRAT系统，可以根据管内机器人携带的CCTV和激光(或声纳)检测的几何数据，通过一个智能解读系统(包括机器视觉、神经网络分类器等内容)自动地对缺陷进行识别和评分，管理者可以在后期通过图形化的界面直观地了解缺陷状况。

Koo等[9]在其排水管道状况评估系统中，将管道检测数据(内窥图像、地质雷达)、GIS地理信息数据和污水水力数据等纳入到统一的平台内，通过整合利用这些信息，采用一种多因素回归模型来自动地预测管道结构失效的可能性。

Bairaktaris等[12]在其排水管道修复决策支持系统中，用图形化的GIS用户界面将地质信息、图像诊断、受力分析、修复技术、修复先后排序等模块整合起来，用户可以通过GIS清晰地了解城市的整个排水管网的结构安全状况、维修情况。且GIS提供的排水管道直径、覆土厚度、地面交通强度、临近结构分布情况等信息，可以为管道受力计算及维修次序决策提供依据。

5　环境因素对大口径排水管道结构安全的影响分析

受腐蚀大口径排水管道不仅面临结构性缺陷所致的承载力下降这一“内忧”，还会受到各种外部环境作用带来的“外患”。通常，环境因素或是对排水管道形成加卸载、直接以力的形式威胁其结构安全，或是引起地层的不均匀移动、间接导致其变形病害。它们的具体作用机理分析如下：

5.1地面活荷载

排水管道（箱涵）属于浅埋基础设施，在其长距离地穿越城市浅层地下空间时，不可避免地会受到地面上活跃的人类活动的影响，典型的代表就是车辆荷载和堆载。

5.1.1车辆荷载

车重经路基传至管周，形成管顶竖向及管侧水平向的附加土压力。

5.1.2地面堆载

一来引起管顶及管侧的附加土压力(荷载类病害)；二来过大或不对称的堆载会引起地层移动，使管体破裂或接头张开(变形类病害)。

5.2临近施工

随着城市地面空间的逐渐饱和，大量的市政、能源、交通、商业设施转入地下，与此相关的基坑开挖、降水、顶管等地下工程施工活动络绎不绝。

5.2.1打桩

一来挤土效应导致管侧土压力增加；二来土中超孔隙水压力上升使土的流塑性增强，导致水平位移、垂直隆起等次生地层移动，管段随之产生开裂等变形病害。

5.2.2基坑开挖

一来使管侧向土压力减小(由静止土压力向主动土压力演变)；二来基坑降水及开挖引起坑外土体的下沉和侧移，诱发管段的变形病害。

5.3地层变化

排水管道赋存于地层之中，直接受地层的荷载和支承，故地层的一些变化可能会殃及管道安全。

5.3.1地层腐蚀及流失

在排水管道的运营过程中，管体开裂或接头张开等缺陷会成为污水和地层之间的通道，使污水渗入地层，或者相反，使水土向管内流失。前者主要造成地下水水质的污染，同时可能对土层中的某些矿物形成腐蚀；后者主要造成地层的机械潜蚀，使土层变疏松甚至出现空洞，从而引起管道所受土压力及支承条件的变化，严重时还会造成地面塌陷。这方面已引起研究者的关注[23]。

5.3.2地下水位升降

一来会引起土的抗剪强度等力学性质的改变，从而影响管侧土压力；二来会直接改变管周水压力（管底浮托力、管侧水平水压力）。

5.3.3地层不均匀沉降

为软土地区的高发事件，土质软硬不均、局部抽排水、局部堆卸载、震动等诸多不确定因素都可能是其诱因。它使管段的支承条件非均匀化，从而产生次应力、引起管身开裂，或致接头张开及错位。

5.4偶然荷载

5.4.1地震

上世纪末以来，许多城市的市政管网在地震中遭受严重的破坏，从而引起人们对埋地管道抗震的重视[24,25]。Rourke等[26]的研究指出，地震对埋地管线的影响主要在于临时性的地震波效应、永久性的地层移动效应两个方面，前者波及面广但致损性不强，后者仅影响个别地点但致损性强。埋地管道的震害主要在于刚度薄弱处的大变形及几何突变处的剪切破坏，前者如管段接缝的张开、错台，后者如管道与人孔或风井的交接区断裂，其中犹以管道接口破坏为主[27]，纵向破坏常重于横向。

5.4.2爆炸冲击

一些特殊的交通事故，比如易燃运输物的爆炸、重型物体（如混凝土管桩、砂石）的坠落等，会对路面及浅层土体形成冲击，从而影响浅埋排水管道(箱涵)的结构安全。爆炸冲击会在地表形成瞬间的额外压力(冲击波超压或固体冲击)，经上覆土传至管顶及管侧，引起附加荷载。

6　结论与展望

本文围绕受腐蚀大口径排水管道的结构安全问题，对相关领域的研究进展作了调研，对此种受损管道的内忧外患做了分析，主要结论有：

（1）在管道缺陷检测方面，直观的CCTV内窥是主流检测技术，但也需要声纳、激光、地质雷达等技术的配合，以补充几何尺寸、内部缺陷等信息。

（2）在腐蚀管道结构安全评估方面，从简单实用的一维关键截面法到精细的二维完整模型法，从单指标破坏准则到DP准则、断裂理论准则，从确定性分析到考虑参数时变的非确定性分析，均有成熟的实践。但研究对象多为素混凝土圆形管道，而对箱涵(矩形)的研究较为鲜见，由于箱涵受弯明显、对钢筋更为依赖，故考虑钢筋的受腐蚀大口径排水箱涵的结构安全是不够的，这是一项有待探索的课题。

（3）在受损排水管道修复方面，在严重结构缺陷发生之前进行非开挖修复是最经济合理的做法，而严重损伤情况(尤其是对大口径管道或箱涵)则较难通过非开挖方式处理，这方面尚有发展空间。

（4）在排水管道健康评估系统方面，实用的规范评分法可以解决普遍的受损排水管道的维护问题，但也存在主观、效率不高及管理不便等缺点，一些针对排水管道的高级诊断与管理系统则可以比较自动化、智能化地完成评估工作，其专门的管道受力分析模块对大口径排水管道意义尤重，因为它可以清晰地了解管道的结构安全状态。此外，高级系统对GIS的利用值得关注，这一做法既能为管道的力学计算提供数据，又能为管道维护管理带来方便。

（5）在环境因素对排水管道的影响方面，应该意识到管道结构安全既有管壁腐蚀的“内忧”，又有地面荷载、临近施工、地层变化等“外患”。本文对典型“外患”做了定性分析，而具体的量化规律、各类环境的危害性的比较、保护性环境限制标准的制定等课题则有待进一步的力学计算。

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