受腐蝕大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與保護(hù)研究綜述

鮑月全，馮東陽(yáng)，余凱華，徐　禪，江曉華

（1.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海市201103;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市200092; 3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

受腐蝕大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與保護(hù)研究綜述

鮑月全1，馮東陽(yáng)2，余凱華3，徐禪1，江曉華1

（1.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海市201103;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市200092; 3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

城市排水管道在長(zhǎng)期服役過(guò)程中面臨突出的腐蝕和耐久性問(wèn)題，尤其是對(duì)于大口徑的干線排水管道，腐蝕類缺陷造成的結(jié)構(gòu)安全隱患更是十分嚴(yán)峻。現(xiàn)對(duì)埋地管道結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)研究、受損排水管道安全性評(píng)估研究、受損管道維護(hù)與修復(fù)技術(shù)研究等國(guó)內(nèi)外關(guān)于受腐蝕大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述，并對(duì)典型及時(shí)新的排水管道健康狀況評(píng)估與維護(hù)管理系統(tǒng)（含規(guī)范評(píng)分系統(tǒng)、高級(jí)健康診斷與決策管理系統(tǒng)）、影響大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全的外部環(huán)境因素等進(jìn)行了分析研究，以供受腐蝕大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與保護(hù)研究提供借鑒和參考。

排水管道;腐蝕;力學(xué)性能;安全評(píng)估;綜述

0　引　言

排水管道是城市排水體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著城市雨污水有序收集、輸送、處理和排放等任務(wù)，對(duì)于維持城市日常運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)大中城市自上世紀(jì)七八十年代起，便陸續(xù)開(kāi)始合流污水管道的建設(shè)，至今這些合流污水箱涵管齡普遍已達(dá)30a左右，已進(jìn)入或接近設(shè)計(jì)年限中期。

隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，排水管道因污水腐蝕沖刷所致的結(jié)構(gòu)缺陷與耐久性問(wèn)題逐漸顯露出來(lái)。最近的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，運(yùn)營(yíng)約30a的某大口徑合流污水排水箱涵，頂板內(nèi)層鋼筋已經(jīng)普遍銹斷失效，銹蝕率幾近100%；混凝土因鋼筋的銹脹而剝落形成蝕槽，厚度損失達(dá)1/6～1/3，如圖1所示。

圖1　大口徑排水箱涵腐蝕狀況實(shí)景及示意圖

排水干線是城市的生命線工程，但遭受此種嚴(yán)重的腐蝕缺陷后，其結(jié)構(gòu)安全岌岌可危，并埋下巨大的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)隱患。

為解決受腐蝕排水管道的結(jié)構(gòu)缺陷及劣化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的研究者開(kāi)展了持久而深入的研究，取得了豐富而顯著的成果，這對(duì)于指導(dǎo)我國(guó)大口徑排水管道(箱涵)的管理和維護(hù)有寶貴的參考價(jià)值。

本文系統(tǒng)闡述了受腐蝕大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估及相近領(lǐng)域的研究進(jìn)展，主要包括4個(gè)方面：（1）埋地管道結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)研究；（2）受損排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估研究；（3）受損排水管道修復(fù)技術(shù)研究；（4）排水管道健康狀況綜合評(píng)估及維護(hù)管理系統(tǒng)研究。

最后對(duì)有關(guān)環(huán)境因素對(duì)大口徑排水管道安全性的影響之研究作些介紹，并對(duì)各環(huán)境因素的作用機(jī)制進(jìn)行了定性分析。

1　埋地管道結(jié)構(gòu)性缺陷檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

埋地管道的缺陷可以歸為兩類：一是影響管道結(jié)構(gòu)安全的結(jié)構(gòu)性缺陷，比如管壁腐蝕或磨損、縱向或環(huán)向裂縫、管段撓曲或失穩(wěn)坍塌、地層空洞等；二是影響管道正常運(yùn)營(yíng)(對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響不大)的功能性缺陷，比如淤泥沉積、管壁結(jié)垢、樹(shù)根侵入、滲漏等[1,2]，本文重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)性缺陷的檢測(cè)。按照原理，排水管道檢測(cè)技術(shù)主要分為以下幾類。

1.1光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

基于可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)包括人進(jìn)入法、CCTV錄像、SSET掃描等，其中猶以CCTV最為常用。可見(jiàn)光檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地辨識(shí)裂縫、管壁腐蝕、撓曲、錯(cuò)臺(tái)等結(jié)構(gòu)性缺陷，缺點(diǎn)是只能看到表面情況而無(wú)法獲知管壁剩余厚度、裂縫開(kāi)展深度、地層疏松程度及空洞等深部狀況，并且由于受光照條件限制，只能用于水面以上，且易受表面污泥、水滴等的干擾。

基于不可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)包括紅外熱成像、激光檢測(cè)等。熱成像是利用不同介質(zhì)導(dǎo)熱性的差異，通過(guò)紅外熱譜獲知管道周圍介質(zhì)的分界分布情況，優(yōu)點(diǎn)是可以捕捉到地層空洞、裂縫等信息，缺點(diǎn)是易受地表氣象活動(dòng)的影響，且難以精確測(cè)量管壁厚度等尺寸信息[3,4]。激光檢測(cè)的本質(zhì)是基于光的反射和干涉進(jìn)行測(cè)距，優(yōu)點(diǎn)是可以精確地掃描和測(cè)量管道的內(nèi)輪廓，并可識(shí)別窄至0.3mm的裂縫[5]，缺點(diǎn)是為避免折射只能用于空管或滿管(但滿管可能有衍射問(wèn)題[2]）。

1.2電磁檢測(cè)技術(shù)

大口徑排水管道多采用受力及耐久性更好的混凝土結(jié)構(gòu)，因而難以應(yīng)用只適用于金屬的磁通法、渦流法、低頻電磁場(chǎng)法等多數(shù)電磁缺陷檢測(cè)技術(shù)，而地質(zhì)雷達(dá)（GPR）則是個(gè)例外。GPR是基于電磁波會(huì)在介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)的界面發(fā)生反射的原理，通過(guò)對(duì)反射或透射波的分析來(lái)確定物體內(nèi)部界面（不連續(xù)面或缺陷）的位置[6]。優(yōu)點(diǎn)是可以探知混凝土內(nèi)部空洞、地層空洞、管道滲漏等隱蔽缺陷，可以測(cè)量管壁剩余厚度，缺點(diǎn)是不直觀、需要專門(mén)的技術(shù)人員處理和解讀檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3聲波及振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

基于聲波的檢測(cè)技術(shù)主要有聲納、超聲導(dǎo)波等。聲納是基于聲波會(huì)在密度不同的兩種介質(zhì)的界面發(fā)生反射的原理對(duì)關(guān)心的界面進(jìn)行定位，優(yōu)點(diǎn)是可以精細(xì)地探測(cè)管道的內(nèi)輪廓，從而推知管道變形情況、管壁蝕后厚度、淤泥量等，甚至可以區(qū)分出小至5mm的缺陷[7]，缺點(diǎn)是管內(nèi)水氣共存時(shí)比較難處理（聲波在水和空氣中的傳播速度不同）。超聲導(dǎo)波[8]可以快速探知并定位管壁局部蝕坑、缺口等幾何缺陷，并能估計(jì)缺陷大小，缺點(diǎn)是不直觀，對(duì)全局性的缺陷(如管道的整體腐蝕)較難反映。

基于振動(dòng)的檢測(cè)技術(shù)主要是沖擊回波法，即通過(guò)人為施加振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)波的性態(tài)分析管道的整體狀態(tài)，多用于預(yù)應(yīng)力混凝土管的檢測(cè)[9]。

1.4復(fù)合檢測(cè)技術(shù)

以上各種檢測(cè)技術(shù)都能在排水管道的缺陷檢測(cè)中發(fā)揮一定的作用，但也都有所欠缺，而包含多種傳感器的復(fù)合檢測(cè)系統(tǒng)則可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)、減少漏檢，從而獲得更全面的信息。

在這方面，Andrews等[6]用“CCTV-聲納”復(fù)合系統(tǒng)在加拿大的多個(gè)城市檢測(cè)了超過(guò)50km的干線排水管道（口徑2100～2900mm），該系統(tǒng)利用聲納完成水下檢測(cè)，用CCTV完成水面以上的檢測(cè)，從而克服聲納處理水氣共存的困難，以及CCTV水下檢測(cè)的困難。

Koo等[10]用“DSET-地質(zhì)雷達(dá)”復(fù)合系統(tǒng)對(duì)美國(guó)菲尼克斯的1.8km帶PVC內(nèi)襯的試驗(yàn)段混凝土排水管道 (直徑0.75～0.9m)進(jìn)行了檢測(cè)。該系統(tǒng)用DSET（數(shù)字化掃描評(píng)估技術(shù)）對(duì)PVC內(nèi)襯的表面缺陷狀況進(jìn)行掃描，用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)混凝土外襯的腐蝕厚度及空洞進(jìn)行探測(cè)。

Gooch等[11]基于“CCTV-激光”復(fù)合法開(kāi)發(fā)了一套半自動(dòng)的下水道檢測(cè)車。該系統(tǒng)先通過(guò)錄像查找內(nèi)壁缺陷，然后利用激光進(jìn)行三角定位，以確定缺陷的具體位置，從而將CCTV的直觀和激光的精確結(jié)合起來(lái)。類似的，Kirkham等[12]開(kāi)發(fā)的PIRAT系統(tǒng)可以根據(jù)管內(nèi)水量、缺陷大小等靈活選取激光或聲納掃描器與CCTV組合。

2　受損排水管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估研究進(jìn)展

排水管道因腐蝕而發(fā)生結(jié)構(gòu)性缺陷后，承載能力相比完整狀態(tài)有所下滑，此時(shí)應(yīng)根據(jù)檢測(cè)到的缺陷（管壁腐蝕變薄、開(kāi)裂等）對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次力學(xué)分析和計(jì)算。這方面的典型研究有關(guān)鍵截面法和完整模型法。

2.1關(guān)鍵截面法

Bairaktaris等[13]在其管道評(píng)估系統(tǒng)的力學(xué)分析模塊中，將圓管的整環(huán)均分成12份，即離散成由12個(gè)節(jié)點(diǎn)(關(guān)鍵截面)剛接的12段一維梁?jiǎn)卧?，單元?jiǎng)偠雀鶕?jù)實(shí)測(cè)壁厚算得。當(dāng)CCTV檢測(cè)到縱向裂縫時(shí)，則將最近的剛接節(jié)點(diǎn)置為鉸，然后在水土壓力、交通荷載作用下對(duì)管環(huán)實(shí)施荷載結(jié)構(gòu)法彈性有限元計(jì)算，算得某個(gè)節(jié)點(diǎn)(截面)的最大拉應(yīng)力超過(guò)管材抗拉強(qiáng)度時(shí)則退化為鉸。當(dāng)鉸的數(shù)量超過(guò)一定閾值時(shí)判定整體失穩(wěn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的軸力或剪力超過(guò)材料強(qiáng)度時(shí)判定局部失穩(wěn)。

Becker等[14]進(jìn)一步發(fā)展了關(guān)鍵截面法，通過(guò)設(shè)置土彈簧考慮地層抗力，并通過(guò)考慮管材性質(zhì)、荷載、管土接觸條件等參數(shù)隨時(shí)間的演變，對(duì)管段未來(lái)的安全性做出預(yù)測(cè)。

2.2完整模型法

Alani等[15]基于地層結(jié)構(gòu)法對(duì)管道進(jìn)行二維完整模型的計(jì)算，根據(jù)DP強(qiáng)度(屈服)準(zhǔn)則判斷混凝土材料的破壞。該文亦考慮了外部荷載、管壁腐蝕的不確定性和時(shí)變性，采用隨機(jī)有限元法(SFEM)計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率隨時(shí)間的變化，實(shí)現(xiàn)管道的壽命預(yù)測(cè)，并對(duì)車輛荷載大小、上覆土厚、管壁厚度等因素做了參數(shù)研究和敏感性分析。

Rˇoutil等[16]在進(jìn)行排水管道劣化的時(shí)變效應(yīng)研究時(shí)，以一組承受對(duì)徑壓力的圓管作為算例測(cè)試對(duì)混凝土劣化指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)研究，其管道失穩(wěn)破壞采用混凝土斷裂理論(裂縫帶模型)。注意到，該算例采用的非線性混凝土模型可以方便地推廣到埋地管道的真實(shí)受力模擬。

3　受損排水管道修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

檢測(cè)結(jié)果揭示的功能性缺陷，以及力學(xué)計(jì)算揭示的對(duì)結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅的結(jié)構(gòu)性缺陷，都需要采取相應(yīng)的修復(fù)措施，其研究有以下幾個(gè)方面。

3.1開(kāi)挖式修復(fù)

隨著損傷程度由輕到重，排水管道的修復(fù)措施可以分為局部修補(bǔ)、整體翻新和整體替換三個(gè)級(jí)別[17]。其中管段替換往往需要通過(guò)開(kāi)挖法完成，即先挖除舊管道周圍的覆土，再在原位施作新的管段。通常，開(kāi)挖式修復(fù)主要用于管段損傷嚴(yán)重、普通的加固措施已經(jīng)難以奏效，或者個(gè)別管段嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)軸線的情況。相比非開(kāi)挖式修復(fù)技術(shù)，開(kāi)挖式修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)在于施工條件好、可保證過(guò)流斷面等。

3.2非開(kāi)挖式修復(fù)

開(kāi)挖式修復(fù)雖然有施工條件好等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也帶來(lái)造價(jià)高、環(huán)境影響大、干擾地面交通、影響市容等諸多弊端，因而在很多情況下，城區(qū)受損排水管道并不具備開(kāi)挖式修復(fù)的條件。在這樣的背景下，各種非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)得到了發(fā)展。

3.2.1涂層技術(shù)

涂層（Coating）主要用于輕度及中度損傷的修復(fù)。這類技術(shù)是通過(guò)在管道內(nèi)壁噴涂一層水泥砂漿、(噴射)混凝土、樹(shù)脂等材料，來(lái)阻止污水對(duì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步侵蝕，達(dá)到延緩結(jié)構(gòu)劣化的目的。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道，通過(guò)及時(shí)、反復(fù)的涂層修復(fù)可以將管道的服役壽命延長(zhǎng)30～50a之久[18]。同時(shí)，配合鋼筋網(wǎng)使用的噴射混凝土涂層法可以用于重度損傷的修復(fù)。

3.2.2內(nèi)襯技術(shù)

內(nèi)襯（Lining）技術(shù)主要用于中度及重度損傷。這類技術(shù)是將一層新的預(yù)制管道插入受損段，通過(guò)注漿等方法充填新舊管道之間的空隙，從而形成新的受力體系、延緩管道的進(jìn)一步腐蝕。內(nèi)襯技術(shù)按橫斷面的連續(xù)程度可分為整環(huán)式和拼接式，按施工方法可分為穿插法（SlipLining）、原位固化法（CIPP）、螺旋纏繞法（SWP）、折疊法（FFP）、套環(huán)法等[19]。

此外，非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)中的爆管法可以代替開(kāi)挖法進(jìn)行管段的整體替換，但有環(huán)境擾動(dòng)問(wèn)題。

4　排水管道健康狀況評(píng)估及綜合維護(hù)管理系統(tǒng)研究進(jìn)展

由于工作環(huán)境嚴(yán)酷、劣化速度快，排水管道比一般結(jié)構(gòu)更需要全壽命維護(hù)，因而催生了一系列結(jié)構(gòu)健康診斷和維護(hù)管理系統(tǒng)的發(fā)展。

4.1規(guī)范評(píng)分法

為指導(dǎo)排水管道的運(yùn)營(yíng)管理與缺陷修復(fù)，很多國(guó)家都出臺(tái)了排水管道健康診斷與評(píng)估指南。

英國(guó)水研究中心于1980年頒布了排水管道狀況分類手冊(cè)[20]，隨后又于1983年出臺(tái)了污水管道修復(fù)手冊(cè)SRM[4]。SRM建議利用人工或CCTV檢測(cè)結(jié)果，對(duì)污水管道的安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)分（1～5），然后優(yōu)先對(duì)安全性低、破壞后附帶影響大的管段進(jìn)行維護(hù)。澳大利亞、美國(guó)、日本等國(guó)也制定有類似的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，典型例子如表1所列。

表1　排水管道健康狀況評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表[21]（英國(guó)SRM）

在國(guó)內(nèi)方面，上海在2009年發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)《排水管道電視和聲納檢測(cè)評(píng)估技術(shù)規(guī)程》，是國(guó)內(nèi)首部排水管道內(nèi)窺檢測(cè)評(píng)估技術(shù)規(guī)程[22]。隨后，住建部在2012年發(fā)布了《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》（CJJ181），主要也是根據(jù)內(nèi)窺影像對(duì)管體本身的缺陷進(jìn)行評(píng)分，然后綜合考慮分值和破壞后果的嚴(yán)重性制定修復(fù)計(jì)劃。

4.2高級(jí)健康診斷與決策管理系統(tǒng)

城市排水管網(wǎng)甚為龐雜，單純按照規(guī)范評(píng)分法進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，會(huì)有效率低、主觀性、管理麻煩等問(wèn)題。為此，有研究者開(kāi)發(fā)出了智能化、信息化、自動(dòng)化的排水管道高級(jí)健康診斷與決策管理系統(tǒng)。現(xiàn)分述如下：

Kirkham等[11]開(kāi)發(fā)的PIRAT系統(tǒng)，可以根據(jù)管內(nèi)機(jī)器人攜帶的CCTV和激光(或聲納)檢測(cè)的幾何數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)智能解讀系統(tǒng)(包括機(jī)器視覺(jué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器等內(nèi)容)自動(dòng)地對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別和評(píng)分，管理者可以在后期通過(guò)圖形化的界面直觀地了解缺陷狀況。

Koo等[9]在其排水管道狀況評(píng)估系統(tǒng)中，將管道檢測(cè)數(shù)據(jù)(內(nèi)窺圖像、地質(zhì)雷達(dá))、GIS地理信息數(shù)據(jù)和污水水力數(shù)據(jù)等納入到統(tǒng)一的平臺(tái)內(nèi)，通過(guò)整合利用這些信息，采用一種多因素回歸模型來(lái)自動(dòng)地預(yù)測(cè)管道結(jié)構(gòu)失效的可能性。

Bairaktaris等[12]在其排水管道修復(fù)決策支持系統(tǒng)中，用圖形化的GIS用戶界面將地質(zhì)信息、圖像診斷、受力分析、修復(fù)技術(shù)、修復(fù)先后排序等模塊整合起來(lái)，用戶可以通過(guò)GIS清晰地了解城市的整個(gè)排水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)安全狀況、維修情況。且GIS提供的排水管道直徑、覆土厚度、地面交通強(qiáng)度、臨近結(jié)構(gòu)分布情況等信息，可以為管道受力計(jì)算及維修次序決策提供依據(jù)。

5　環(huán)境因素對(duì)大口徑排水管道結(jié)構(gòu)安全的影響分析

受腐蝕大口徑排水管道不僅面臨結(jié)構(gòu)性缺陷所致的承載力下降這一“內(nèi)憂”，還會(huì)受到各種外部環(huán)境作用帶來(lái)的“外患”。通常，環(huán)境因素或是對(duì)排水管道形成加卸載、直接以力的形式威脅其結(jié)構(gòu)安全，或是引起地層的不均勻移動(dòng)、間接導(dǎo)致其變形病害。它們的具體作用機(jī)理分析如下：

5.1地面活荷載

排水管道（箱涵）屬于淺埋基礎(chǔ)設(shè)施，在其長(zhǎng)距離地穿越城市淺層地下空間時(shí)，不可避免地會(huì)受到地面上活躍的人類活動(dòng)的影響，典型的代表就是車輛荷載和堆載。

5.1.1車輛荷載

車重經(jīng)路基傳至管周，形成管頂豎向及管側(cè)水平向的附加土壓力。

5.1.2地面堆載

一來(lái)引起管頂及管側(cè)的附加土壓力(荷載類病害)；二來(lái)過(guò)大或不對(duì)稱的堆載會(huì)引起地層移動(dòng)，使管體破裂或接頭張開(kāi)(變形類病害)。

5.2臨近施工

隨著城市地面空間的逐漸飽和，大量的市政、能源、交通、商業(yè)設(shè)施轉(zhuǎn)入地下，與此相關(guān)的基坑開(kāi)挖、降水、頂管等地下工程施工活動(dòng)絡(luò)繹不絕。

5.2.1打樁

一來(lái)擠土效應(yīng)導(dǎo)致管側(cè)土壓力增加；二來(lái)土中超孔隙水壓力上升使土的流塑性增強(qiáng)，導(dǎo)致水平位移、垂直隆起等次生地層移動(dòng)，管段隨之產(chǎn)生開(kāi)裂等變形病害。

5.2.2基坑開(kāi)挖

一來(lái)使管側(cè)向土壓力減小(由靜止土壓力向主動(dòng)土壓力演變)；二來(lái)基坑降水及開(kāi)挖引起坑外土體的下沉和側(cè)移，誘發(fā)管段的變形病害。

5.3地層變化

排水管道賦存于地層之中，直接受地層的荷載和支承，故地層的一些變化可能會(huì)殃及管道安全。

5.3.1地層腐蝕及流失

在排水管道的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，管體開(kāi)裂或接頭張開(kāi)等缺陷會(huì)成為污水和地層之間的通道，使污水滲入地層，或者相反，使水土向管內(nèi)流失。前者主要造成地下水水質(zhì)的污染，同時(shí)可能對(duì)土層中的某些礦物形成腐蝕；后者主要造成地層的機(jī)械潛蝕，使土層變疏松甚至出現(xiàn)空洞，從而引起管道所受土壓力及支承條件的變化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成地面塌陷。這方面已引起研究者的關(guān)注[23]。

5.3.2地下水位升降

一來(lái)會(huì)引起土的抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的改變，從而影響管側(cè)土壓力；二來(lái)會(huì)直接改變管周水壓力（管底浮托力、管側(cè)水平水壓力）。

5.3.3地層不均勻沉降

為軟土地區(qū)的高發(fā)事件，土質(zhì)軟硬不均、局部抽排水、局部堆卸載、震動(dòng)等諸多不確定因素都可能是其誘因。它使管段的支承條件非均勻化，從而產(chǎn)生次應(yīng)力、引起管身開(kāi)裂，或致接頭張開(kāi)及錯(cuò)位。

5.4偶然荷載

5.4.1地震

上世紀(jì)末以來(lái)，許多城市的市政管網(wǎng)在地震中遭受嚴(yán)重的破壞，從而引起人們對(duì)埋地管道抗震的重視[24,25]。Rourke等[26]的研究指出，地震對(duì)埋地管線的影響主要在于臨時(shí)性的地震波效應(yīng)、永久性的地層移動(dòng)效應(yīng)兩個(gè)方面，前者波及面廣但致?lián)p性不強(qiáng)，后者僅影響個(gè)別地點(diǎn)但致?lián)p性強(qiáng)。埋地管道的震害主要在于剛度薄弱處的大變形及幾何突變處的剪切破壞，前者如管段接縫的張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)，后者如管道與人孔或風(fēng)井的交接區(qū)斷裂，其中猶以管道接口破壞為主[27]，縱向破壞常重于橫向。

5.4.2爆炸沖擊

一些特殊的交通事故，比如易燃運(yùn)輸物的爆炸、重型物體（如混凝土管樁、砂石）的墜落等，會(huì)對(duì)路面及淺層土體形成沖擊，從而影響淺埋排水管道(箱涵)的結(jié)構(gòu)安全。爆炸沖擊會(huì)在地表形成瞬間的額外壓力(沖擊波超壓或固體沖擊)，經(jīng)上覆土傳至管頂及管側(cè)，引起附加荷載。

6　結(jié)論與展望

本文圍繞受腐蝕大口徑排水管道的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展作了調(diào)研，對(duì)此種受損管道的內(nèi)憂外患做了分析，主要結(jié)論有：

（1）在管道缺陷檢測(cè)方面，直觀的CCTV內(nèi)窺是主流檢測(cè)技術(shù)，但也需要聲納、激光、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)的配合，以補(bǔ)充幾何尺寸、內(nèi)部缺陷等信息。

（2）在腐蝕管道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面，從簡(jiǎn)單實(shí)用的一維關(guān)鍵截面法到精細(xì)的二維完整模型法，從單指標(biāo)破壞準(zhǔn)則到DP準(zhǔn)則、斷裂理論準(zhǔn)則，從確定性分析到考慮參數(shù)時(shí)變的非確定性分析，均有成熟的實(shí)踐。但研究對(duì)象多為素混凝土圓形管道，而對(duì)箱涵(矩形)的研究較為鮮見(jiàn)，由于箱涵受彎明顯、對(duì)鋼筋更為依賴，故考慮鋼筋的受腐蝕大口徑排水箱涵的結(jié)構(gòu)安全是不夠的，這是一項(xiàng)有待探索的課題。

（3）在受損排水管道修復(fù)方面，在嚴(yán)重結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)生之前進(jìn)行非開(kāi)挖修復(fù)是最經(jīng)濟(jì)合理的做法，而嚴(yán)重?fù)p傷情況(尤其是對(duì)大口徑管道或箱涵)則較難通過(guò)非開(kāi)挖方式處理，這方面尚有發(fā)展空間。

（4）在排水管道健康評(píng)估系統(tǒng)方面，實(shí)用的規(guī)范評(píng)分法可以解決普遍的受損排水管道的維護(hù)問(wèn)題，但也存在主觀、效率不高及管理不便等缺點(diǎn)，一些針對(duì)排水管道的高級(jí)診斷與管理系統(tǒng)則可以比較自動(dòng)化、智能化地完成評(píng)估工作，其專門(mén)的管道受力分析模塊對(duì)大口徑排水管道意義尤重，因?yàn)樗梢郧逦亓私夤艿赖慕Y(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。此外，高級(jí)系統(tǒng)對(duì)GIS的利用值得關(guān)注，這一做法既能為管道的力學(xué)計(jì)算提供數(shù)據(jù)，又能為管道維護(hù)管理帶來(lái)方便。

（5）在環(huán)境因素對(duì)排水管道的影響方面，應(yīng)該意識(shí)到管道結(jié)構(gòu)安全既有管壁腐蝕的“內(nèi)憂”，又有地面荷載、臨近施工、地層變化等“外患”。本文對(duì)典型“外患”做了定性分析，而具體的量化規(guī)律、各類環(huán)境的危害性的比較、保護(hù)性環(huán)境限制標(biāo)準(zhǔn)的制定等課題則有待進(jìn)一步的力學(xué)計(jì)算。

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TU992.23

B

1009-7716（2016）11-0079-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.022

2016-09-06

鮑月全（1976-），男，上海人，高級(jí)工程師，從事排水管網(wǎng)檢測(cè)養(yǎng)護(hù)及維修管理工作。