深圳市经过30多年的快速发展,排水管道的建设长度迅速增长。但是由于管网建设配套的法规建设、行政管理滞后,管道管理维护水平不高,已建成的排水管道存在不同程度的问题。本工程针对深圳市某片区排水管网进行检测评估,为明确管道修复方案提供技术支撑,并为深圳市类似排水管网的检测与评估提供借鉴。

本工程污水管道建设时间为2004～2014年,管道检测总长度为74.2 km,检测管段数为1 662段,管径为DN400～1 800,埋深1.2～9.91 m,管材包括钢筋混凝土管(49%)、HDPE管(29%)和玻璃钢夹砂管(22%)。由于本工程所处地区的污水管道前期主要由街道办以行政区域为界进行自行管理维护,受人力、经费、设备等方面的制约,管道维护基本处于应付突发性维修状态,预防性维护未得到重视。管道淤堵情况较为严重,部分存在地下水渗入情况,管内水位较高,因此需对管道进行清理后,根据CCTV检测、评估结果对管道采取合理的修复(养护)措施。不同管径分布情况如图1所示。

CCTV检测是采用先进的CCTV管道内窥电视检测系统,通过主控器控制带摄像头的机器人,在管道内遥控爬行,对管道渗漏、破裂、腐蚀、结垢等状况进行探测和摄像,并以数据及图像方式进行储存和处理。借助CCTV检测技术,可以准确判断管道缺陷,并为管道修复方案提供依据^{[1,2,3,4]1～4]}。该技术具有检测简便、安全、效率高等优点。

我国于2012年发行了行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程》(CJJ 181-2002),该规范将管道缺陷分为结构性缺陷和功能性缺陷,按不同等级采用打分制,通过对管道进行综合评估,指导管道的修复(养护)工作^[5]5]。管道的运行状况需采用多指标法进行评估,综合考虑点数平均值指标、最大缺陷值指标及缺陷密度指标等^[6]6]。

管道结构性缺陷评估,是将两检查井之间的管段作为评估单位,根据检测结果进行评估。本工程参照《城镇排水管道检测与评估技术规程》,采用的评估参数包括管段损坏状况参数S与S_max、结构性缺陷参数F、结构性缺陷密度S_M及管道修复指数RI,根据评估结果,判断管道修复的必要性及迫切性。

管道功能性缺陷评估,本工程参照《城镇排水管道检测与评估技术规程》,采用的评估参数包括管段运行状况参数Y与Y_max、功能性缺陷参数G、功能性缺陷密度Y_M及管道养护指数MI,根据评估结果,确定管道养护的必要性和迫切性。

CCTV检测无法检查出被水与淤泥覆盖的地方,因此检测前需确保管内积水、积泥均不大于管道直径的20%,且水位、淤泥厚度均小于200 mm。由于该片区污水管道普遍处于运行状态,水位较高且大部分积泥严重,因此CCTV检测前需对管道进行预处理。采用气囊或砖对管道进行封堵后,进行抽排降水,再采用高压水枪或人工方式对管道进行清理,淤泥采用吸污车吸出并运至处置点,固体杂物采用人工方式运至地面并装袋处理,管道清淤完成后采用高压水枪冲洗干净,保证检测机器可顺利爬行并充分暴露管道缺陷,图2为本工程CCTV检测的流程示意。本工程采用的设备检测管径范围为300～2 000 mm,最大检测长度为120 m,防水设计为水下10 m。

根据CCTV检测结果发现,本工程管道普遍存在渗漏、破裂、脱节、错口等结构性缺陷。所检测的74.2 km管道中,结构性缺陷共3 942处,其中一级缺陷1 565处、二级缺陷1 623处、三级缺陷569处、四级缺陷185处,占比分别为39.70%、41.17%、14.43%、4.7%。

对各类结构性缺陷的数量及所占比例进行统计分析,如图3所示。分析可知,该工程污水管道主要缺陷为渗漏(1 200处)、脱节(791处)、错口(623处),所占比例依次为30.44%、20.07%及15.80%。破裂(353处)、变形(283处)、腐蚀(264处)、起伏(224处)及接口材料脱落(177处)、支管暗接(20处)、异物穿入(7处),所占比例依次为8.95%、7.18%、6.70%、5.68%、4.49%、0.51%、0.18%。

其中渗漏缺陷所占比例最高,主要原因为:①深圳市地处珠江口东岸,地下水位较高,本工程管道检测时间主要集中在5～10月(雨季);②对于存在破裂、脱节、错口等结构性缺陷的管道,地下水位高于管内水位时,便会发生地下水的入渗,因此渗漏缺陷常伴随其他缺陷的存在而发生。地下水内渗会稀释管道的污水浓度,将外部土壤、泥沙带入管道引起淤堵,引起污水外溢,严重影响管道输送污水的能力^[7]7]。

对不同管龄、不同管材的管道所存在的结构性缺陷进行统计分析,如图4和图5所示。将本工程管道分为3～5年,5～8年,8～11年,11～13年4个管龄区间,比较渗漏、脱节、错口、破裂四种典型缺陷所占比例,及不同等级缺陷所占比例,比例计算方式为缺陷个数占不同管龄区间管长的百分数。

已有研究表明,随着管龄增加,管道结构缺陷严重情况一般逐渐增大^[7]7]。由图4分析可知,本工程污水管道中管龄11～13年的结构缺陷比例明显高于其他区间,其中脱节、错口缺陷数量整体上随管龄增加而增大,说明随着管龄的增加,管道接口问题逐渐加剧。其中管龄3～5年、5～8年、8～11年的管道整体缺陷情况随管龄变化趋势不明显,主要是本工程管道管材、施工质量、维护管养水平参差不齐,部分运行时间较短的管道结构也出现受损情况。

由图5分析可知,相对于玻璃钢夹砂管和钢筋混凝土管,HDPE管的缺陷情况最严重、缺陷最密集。HDPE管中存在结构性缺陷的管道长度为15.54 km,占比72.38%,存在缺陷的管道管径以DN400～800为主,缺陷类型种类多且分布广泛。玻璃钢夹砂管中存在结构性缺陷的管道长度为9.62 km,占比57.78%,管径以DN800～1 200为主。钢筋混凝土管中存在结构性缺陷的管道长度为26.38 km,占比72.93%,管径以DN400～1 000为主。HDPE管缺陷情况严重,主要原因为:①早期管材质量较差;②本片区土质以淤泥类土为主,HDPE管道对地基处理要求高,处理不当易导致管道变形受损。钢筋混凝土管的缺陷以脱节、错口、渗漏等接口问题为主,原因主要是刚性接口对地基不均匀沉降的承受较差。

管道缺陷情况普遍且严重,主要原因为:①施工质量较差,部分管道建成时间不长,但管道已出现脱节、变形等缺陷;②该地区以淤泥和淤泥质黏土为主,地质条件较差,且早期施工对地基处理不当,管道不均匀沉降导致起伏、错口、脱节、破裂等缺陷的出现;③自然或人为破坏,调查发现管道存在多处树根侵入或被桩基破坏的情况;④部分管道建设时间超前,建成后未及时验收移交,导致管道无管理单位进行维护^[8]8]。

本工程管道结构性状况评估结果如表1所示,对S_M<0.1和S_M≥0.12种情况下,不同F和RI区间组合下的缺陷管段数和管道长度进行统计。

根据表1可知,按照《城镇排水管道检测与评估技术规程》规定,本工程管道局部缺陷明显超过一级,应做修复计划的为189段共10 145 m,应尽快修复的管道为1段共85.3 m;管道局部缺陷严重,应做修复计划的为63段共2 132 m,应尽快修复的为93段共5 058 m;管道局部存在重大缺陷,应立即修复的为52段共3 076 m。

本工程管道部分或整体缺陷明显超过一级,应做修复计划的为295段共11 582.3 m,应尽快修复的为1段共76.1 m;管道部分或整体缺陷严重,应做修复计划的为10段共303.3 m,应尽快修复的为169段共6 697 m;管道部分或整体存在重大缺陷,应立即修复的为68段共3 045 m。

根据功能性状况检测结果统计分析,本工程管道功能性缺陷共245处,其中一级缺陷111处,二级缺陷72处,三级缺陷14处,四级缺陷48处,占比分别为45.31%、29.39%、5.71%、19.59%。

对各类缺陷的数量及所占比例进行统计分析,如图6所示。分析可知,本工程管道所含功能性缺陷包括沉积(140处)、障碍物(54处)、残墙(22处)、结垢(15处)及浮渣(8处)、树根(6处),所占比例依次为57.14%、22.04%、8.98%、6.12%、3.27%、2.45%。根据检测前对管道清理情况发现,管道内普遍存在淤泥堵塞情况,且部分管内存在砂石沉积、混凝土固结物、垃圾等堵塞情况。

管道淤积严重,主要原因为:①管道日常管养工作不到位,污水中的有机物沉降累积;②雨污混接、周围工业废水偷排,污染物沉降导致。管道内的沉积物主要来源于:①城市汇水面的固体颗粒在雨水冲刷下进入管道;②污水中悬浮物在管道内沉降;③人为倾倒垃圾到排水管道内。障碍物如混凝土块等主要来源于其他工程进行地基处理时,混凝土通过管道破损处进入管道。

本工程管道功能性状况评估结果如表2所示,对Y_M<0.1和Y_M≥0.1两种情况下,不同G和MI区间组合下的缺陷管段数和管道长度进行统计。

根据表2可知,按照《城镇排水管道检测与评估技术规程》规定,本工程管道局部过流能力有一定的受阻,宜安排处理计划的为34段共1 475.8 m;管道局部过流受阻比较严重,宜安排处理计划的为3段共109.7 m,应尽快处理的为10段共351.4 m;管道局部过流受阻很严重,应立即处理的为35段共1 503.8 m。

本工程管道部分或整体过流有一定受阻,宜安排处理计划的为16段共585.9 m;管道部分或整体过流受阻比较严重,宜安排处理计划的为3段共109.6 m,应尽快处理的为3段共67.9 m;管道局部或整体过流受阻很严重,应立即处理的为4段共120.8 m。

管道存在破损、裂缝、脱节等缺陷时,管道内部污水会渗出,污染周边土壤和地下水;外部土体、流砂会进入管内,导致管道淤堵的同时,也会引起周边土体沉降,进一步加大管道的变形或断裂,最终引起地面塌陷;地下水渗入管内,会引起污水外溢、污水处理厂进水量的增加,降低污染物浓度,影响污水处理厂的运行。管道存在沉积物、障碍物等时,会损失管道过水断面,引起上游壅水,而部分堵塞严重的管道,已基本丧失输水能力,因此,对于存在缺陷的管道需尽快制定方案进行修复处理。由于现状污水管道数目庞大,且管道缺陷分布广泛、类型复杂,缺陷严重程度不同,目前非开挖修复(维护)成本较高,因此对所有缺陷进行全面处理存在困难。

结合非开挖修复技术的发展现状及技术特点,综合考虑工期、成本等要求,本工程提出存在结构性缺陷管道对应的修复方案,如表3所示。

本工程对于修复指数RI≤1的管道采取不修复的处理方式;对于1<RI≤4的管道,F≤3时采取暂时不修复但需做修复计划的处理方式,但是由于部分管道存在纵向1 m范围内同时存在2处及2处以上缺陷的情况,使得缺陷参数F>3,因此对该类型的管道根据S_M<0.1或S_M≥0.1分别采取局部修复或整体修复方式处理。对于4<RI≤7的管道,缺陷密度S_M<0.1的管道采取局部修复技术处理,S_M≥0.1的管道主要以整体修复为主,部分缺陷不严重管道可采用局部修复技术处理。对于RI>7的管道,该部分管道结构已严重损坏,对于S_M<0.1的管道可根据缺陷情况,对局部进行结构性修复或对管道进行整体修复,对于S_M≥0.1的管道,需采用整体修复技术处理,对于无法采用非开挖修复进行处理的管道,需进行翻新处理。

由于现有的非开挖修复技术,需在原有管道形状的基础上进行内衬,对于三级、四级变形管道,尤其是HDPE管,主要是管道受外部荷载导致的整体变形,通过非开挖修复技术进行改善存在困难。本工程共检测出283处变形,其中280处发生于HDPE管中,变形管道为120段,管径为DN400～1 200,存在二级及二级以上变形的管道为64段。廖宝勇等^{[9,10]9, 10]}分别提出了大口径及小口径HDPE管变形问题的处理,其中大口径HDPE管采用注浆固化后切割变形部位,内衬钢管,再利用紫外光固化进行二次内衬;小口径HDPE管需采用水平定向钻导向孔挤压恢复管道形状,内衬钢短管支撑,再利用紫外光固化进行二次内衬。2种修复技术均在实际工程中得到应用,但对预处理要求较高,且修复过程较为复杂、成本较高。

本工程提出存在功能性缺陷管道对应的养护方案,如表4所示。本工程对养护指数MI≤1,及1<MI≤4且G≤3的管道采取不处理的方式,对于1<MI≤4且G>3、4<MI≤7、MI>7的管道,由于缺陷对管道输水能力的影响较大,对该部分管道均进行养护处理。

由于四级缺陷包含管道严重变形、破裂等导致的塌陷,因其他施工导致管道破坏、管内被混凝土堵死等极端情况,采用非开挖修复存在技术可实施性、工期、成本及安全性等方面的问题。因此对于部分存在严重缺陷的管道,需结合检测视频、检测报告确定方案,必要时需进行开挖修复与非开挖修复的综合比选。

本文通过对深圳市某片区排水管道的CCTV检测、评估结果进行分析可知,该片区污水管道结构性缺陷数量多且分布广泛,管道淤积严重且部分存在严重的功能性缺陷,管道需要做修复计划的比例为32.56%,需尽快或立即修复的比例为24.3%;需做养护计划的比例为6.36%,需尽快或立即做养护处理的比例为2.75%。管道结构和功能受损情况严重,除了早期设计、施工等质量较差的原因外,管道敷设后的维护管理工作不到位也是导致该情况的重要因素。研究成果对于排水管网系统的检测、评估及修复方案的制定具有重要的指导意义。