排水管道的运营维护是目前城市基础设施的薄弱环节, 排水管道状况不良是引发城市内涝和地陷灾害的重要因素, 也是城市基础设施管理的热点问题^[1]。近年来, 国内运用CCTV对管道进行非开挖修复的工程实例日益增多, 但多见于城市街区埋地排水管道, 对于城市涉河截污干管的检测分析较少, 同时现有管道问题成因的分析对涉河截污干管针对性不强。但多见于城市街区埋地排水管道, 对于城市涉河截污干管的检测分析较少, 同时现有管道问题成因的分析对涉河截污干管针对性不强。本文借助CCTV排水管道检测系统对江西省赣州市某区涉河干管CCTV检测为例, 介绍了CCTV电视摄像系统在涉河截污干管的应用, 并对该段管道缺陷进行了分析, 提出了相应的养护建议。

本项目位于江西省赣州市南康区, 污水管道敷设于该区章江河道两侧, 建成于2009年。管道总长10 078 m, 整体埋深5～7 m, 管径DN600～1 000, 其中HDPE钢带增强螺旋波纹管长约6 423 m, 钢筋混凝土管长度约3 655 m。钢筋混凝土管在2013年采用SCL防渗膜进行修复。

目前部分管道存在渗水情况, 导致该区污水处理厂进水COD持续偏低, 难以满足污水处理厂运行对进水COD、氮磷等营养元素的要求。

CCTV检测主要由前期准备工作、管道预处理、管道检测三大主要工作步骤组成。管道检测流程如图1所示:

CCTV管道检测前期依据管道竣工图及其他竣工资料, 经现场踏勘进行检查井定位。管道沿河敷设, 检查井布设于河道两侧, 考虑夏季河水水位较高, 部分管道检查井在水中, 不便于布设机器, 且夏季居民生活用水量大, 管道内水位较高, 不利于爬行器进入。故选取检测时间为2017年11～12月。

管道预处理阶段主要对管道内水位以及淤积程度进行判别, 经过相应的工程实践研究, 管道内水位小于管道直径20%且小于30 cm, 可检测约90%管道缺陷问题, 经济性较好^[2,3,4]。若无法满足管道内水位条件的, 应采取相应的降水措施。淤积大于10 cm的管段将影响爬行器在管道中前行, 故应采取高压水射流清洗法进行清淤。

管道CCTV检测的难点主要有以下几点:

(1) 管道淤积超过10 cm, 将影响爬行器在管道内的运行状态, 严重的可能导致爬行器侧翻, 倾覆^[5]。在此情况下, 应及时回收爬行器, 并采用高压清洗车对管道进一步清洗或从另一端管道进入。

(2) 管道敷设过深, 爬行器下井需借助人力辅助, 具有一定的危险性。

(3) 管道管径为500～600 mm, 爬行器如发生倾覆, 回收较难, 故在前进过程中应低速爬行, 并及时调整其运行状态。

管道检测完成后, 依据《城镇排水管道检测与评估技术规程》 (CJJ 181—2012) (下称“规程”) 对管道运行情况进行评估, 评估主要由结构性缺陷分析与功能性缺陷分析两部分组成^[6]。管道结构性缺陷影响管道结构强度以及使用寿命, 如材料脱落、渗漏等;管道功能性缺陷影响管道输水能力^[7], 如沉积、结垢、树根等。各缺陷分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4个级别, 以Ⅰ级缺陷最轻, Ⅳ级缺陷最为严重。管道评估主要流程如图2所示。

依据规程结构性缺陷名称、代码、等级划分及分值表^[8,9,10,11] (规程表3.8-2) 以及功能性缺陷名称、代码、等级划分及分值表^[12] (规程表3.8-8) 对管道缺陷进行判定, 部分典型缺陷如表1所示。

基于规程的管道结构状态评估公式以及功能性状态评估公式对管道进行评估, 以规程的管段结构性缺陷参数F^[12]值 (“规程”公式3.8-1—3.8-5) 与管段功能性参数G^[12]值 (“规程”公式3.8-8—3.8-12) 对管道的缺陷级别进行判定。

通过上述评估依据, 得到各段管道结构性缺陷等级数量如表2所示, 管道功能性缺陷如表3所示。

通过表2、表3分析, 该管道结构性缺陷676处。严重Ⅳ级缺陷18处, 管道存在重大缺陷, 损坏严重, 结构已经发生或即将发生破坏。较为严重的Ⅲ级缺陷22处, 结构在短期内可能会发生破坏。一般的Ⅱ级缺陷52处, 结构在短期内不会发生破坏现象, 具有变坏的趋势。Ⅰ级缺陷584处, 管道存在轻微管道缺陷, 结构状况基本不受影响, 但具有潜在变坏的可能。

功能性缺陷合计128处, 严重的Ⅳ级缺陷2处, 管道过流受阻很严重, 输水功能受到严重影响。Ⅲ级功能性缺陷的管段1处, 管道过流受阻比较严重。Ⅱ级缺陷1处, 对管道运行无或仅有轻微影响, 管道运行基本不受影响, 没有明显要处理的缺陷。Ⅰ级缺陷124处, 对管道运行无或仅有轻微影响, 管道运行基本不受影响, 没有明显要处理的缺陷。

基于规程对管道结构性缺陷密度S_M^[12]值 (“规程”公式3.8-6) , 功能性缺陷密度Y_M^[12]值 (“规程”公式3.8-13) 进行评估。

将管段划分为130段以便于对各段管道的判定, 如表4所示。

根据缺陷密度值, 评估管段的缺陷类型。管段缺陷类型分为局部缺陷 (缺陷密度<0.1) 、部分或整体缺陷 (缺陷密度=0.1～0.5) 、整体缺陷 (缺陷密度>0.5) 。管道存在局部结构性缺陷46段, 部分或整体结构性缺陷83段, 局部功能性缺陷20段, 部分或整体功能性缺陷107段。

排水管道的缺陷主要来自于土壤风险、流体水力风险、管道本身风险以及周边环境与管道风险。土壤风险取决于管道敷设地质、动荷载等;管道本身风险主要包括管道几何尺寸、管材等;流体水力风险主要考虑流速、管道坡度、泥沙等;管道周边环境与其他管道风险主要包括支管接入、管道埋深等^[8]。

管道结构性缺陷主要考虑土壤风险, 管道本身风险。

该污水管道结构性缺陷主要体现在渗漏, 接口材料脱落缺陷, 运行过程中, 2013年采用的SCL防渗膜也出现了不同程度的渗漏。考虑管道敷设地质淤泥软土层较厚, 管身受力不均致使管道沉降变形, 加之河水潮汐作用产生的动荷载, 导致管道接口部位脱节, 进一步发展为渗漏及接口材料脱落等问题。

对管道的管材, 管径与缺陷统计如图3、图4所示。

对于不同管材进行结构性缺陷分析发现, 钢筋混凝土结构性缺陷共计496项, 渗漏与接口材料脱落问题是钢筋混凝土管主要的结构性缺陷问题。而HDPE双壁波纹管存在结构性缺陷183项, 主要存在破裂以及渗漏问题。

由于钢筋混凝土管道主要采用刚性接口, 水泥类材料密封无法承受轴向线变位和相对角变位, 抗震功能差, 受到外部荷载时, 易导致接口问题。同时该类管较短, 一般为2 m/节, 接口数量多, 出现接口问题较多。而HDPE管具有良好的挠曲性能, 可适应土壤的不均匀沉降, 并且管道长度为6 m/节, 接口问题相对较少。

管道结构性缺陷问题随管径增大而增多, 分析认为管径越大, 河道水位的变化使管道上半周的管顶与管侧应力差异越明显, 同时管底正应力则随着管径的增加逐渐增大^[9], 致使800～1 000 mm管径管道整体结构破坏程度大于600～700 mm管径管道。

对管道功能性缺陷主要考虑管道本身风险和流体力学风险。

通过对管道功能性缺陷与管材, 管径统计, 得图5和图6。

结垢、沉积等功能性缺陷多出现于钢筋混凝土管, 由于HDPE管曼宁系数n=0.009～0.01, 水力条件良好;钢筋混凝土曼宁系数n=0.013～0.014, 水力条件较差。因此HDPE管在管道运行期间, 不易发生沉积、结垢等功能性缺陷。钢筋混凝土管表面受水力剪切作用明显, 造成管道内部曼宁系数在运行过程中发生变化, 较易发生结垢, 而产生功能性缺陷^[10]。

功能性缺陷沉积问题随管径的增大, 下降趋势明显。而有研究表明沉积与管径呈正相关关系^[11]。但这一研究也发现, 管径通过影响流速进而影响管道沉积。经实测, 该管段600～700 mm管段流速为1.05 m/s, 800～1 000 mm管段流速为1.52 m/s, 600～700 mm管段流速较慢, 故更容易发现管道沉积, 致使小管径管道过流能力进一步恶化。故沉积等功能性缺陷主要由于流速较低导致。

管网是一个整体运行的系统, 排水管网的缺陷具有开关效应。故管道的健康状况应重点考虑最严重缺陷处, 选取管道的缺陷最严重的Ⅳ级管段, 依据规程进行管段修复指数RI^[12]值 (“规程”公式3.8-7) 和管段养护指数MI^[12]值 (“规程”公式3.8-14) 分析, 计算得RI=7.25, MI=7, 对相应管段建议立即进行修复与处理。以保证管网的运行。

对于结构性缺陷管段, 依据“规程”存在结构性缺陷管段应及时安排修复, 以避免更为严重危害。修复办法可依据相应结构性缺陷严重程度采用对于HDPE材质管段出现的管材变形、破裂等缺陷建议采用CIPP原位固化法修复, 点状原位固化法修复;对于管道破裂、错口、接口材料脱落、管道脱节等缺陷可采用不锈钢发泡筒法修复;管道已发生塌陷的管道建议开挖重建进行修复^[13]。

对于功能性缺陷管段, 建议加强日常养护频次, 采用水力冲洗或机械冲洗对管道进行疏通。

依据分析结果, 该段截污干管主要以Ⅰ、Ⅱ级结构性缺陷为主。管道出现的结构性缺陷应立即安排修复与处理, 防止开关效应影响管道安全运行。在功能性缺陷上, 以Ⅰ、Ⅱ级功能性缺陷为主, 出现Ⅲ、Ⅳ级缺陷较少, 输水功能较为良好, 管道不需立即进行处理, 但宜安排养护计划。

建议在类似涉河管道设计中优先选用HDPE管, 并采用柔性接口, 加强管道地基处理减缓管道错口、渗漏等结构性缺陷。

沉积等功能性缺陷问题的产生主要是由于流速与管材导致, 故在设计过程中应综合考虑管道的管材与水力条件等影响因素, 减少管道功能性缺陷。