特大管涵運行現(xiàn)狀分析綜述

余凱華，鮑月全，楊青坡，江曉華

1.上海市城市排水有限公司，上海市 2 00233；2.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海市 2 01103；3.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

特大管涵運行現(xiàn)狀分析綜述

余凱華1，鮑月全2，楊青坡3，江曉華2

1.上海市城市排水有限公司，上海市 2 00233；2.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海市 2 01103；3.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

通過對我國特大管涵運行現(xiàn)狀及其受損研究成果的分析，總結(jié)了目前管涵研究工作在評估及適用性的一些不足之處，同時提出：建立一套受損機理研究-受損承載力評估研究-受損后工程性對策研究的系統(tǒng)性研究理念；構(gòu)建管涵全壽命式的健康管理數(shù)據(jù)平臺。

特大管涵；受損；評估

1 特大管涵運行現(xiàn)狀概述

特大管道（箱涵）是城市排水體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著確保城市污水有序收集、運輸和治理，以及維護城市日常運行的重要作用。根據(jù)中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會排水專業(yè)委員會排水設(shè)施工作部向全國各大城市相關(guān)管線管理單位的調(diào)研，我國大部分管涵已進入或接近設(shè)計年限中期，排水系統(tǒng)逐漸進入事故頻發(fā)、建設(shè)和維修管理并重的時代。近兩年經(jīng)常發(fā)生因排水管道年久失修引起道路坍塌，甚至置人死亡的事件，排水管道的安全問題已不容忽視。

以上海特大管涵為例，其管齡普遍已10～30多年。在長期使用過程中，污水長期沖刷腐蝕及軟土地基變形引起的相鄰管段不均勻變形等問題導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身存在安全隱患。隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，道路交通日趨繁忙，既有道路負荷的加重、道路擴寬改造或其它日益增加的周邊工程活動影響，對這些存在安全隱患的排水箱涵的安全性更是提出了考驗。此外，上海市目前在役排水系統(tǒng)互通性較差（如合流污水一期與污水二期箱涵無互通），應(yīng)急調(diào)度功能較弱，一旦出現(xiàn)影響箱涵正常運營的損壞險情，如要停水修復(fù)，將導(dǎo)致箱涵服務(wù)區(qū)域內(nèi)污水無法輸送的局面，極大影響城市正常運行，這就對既有排水管涵安全性提出了更高要求。

2 特大管涵受損已有研究成果分析

由于管涵結(jié)構(gòu)的腐蝕情況嚴(yán)重，已不能按照無損設(shè)計的方法進行評估，因而研究既有管涵在受腐蝕等受損條件下的結(jié)構(gòu)承載力對后續(xù)工程處理等具有重要意義。目前許多學(xué)者進行了研究，梁莉等[1]研究了腐蝕對埋地污水管道管土相對剛度的影響，并基于剛度折減的思想推導(dǎo)了受腐蝕管道的土壓力計算公式；雷晗等[2]等針對上海市污水工程通過數(shù)值分析的方法對大直徑混凝土管道的受力特性進行了研究；王志委[3]對埋地式圓形混凝土排污管的腐蝕規(guī)律及蝕后力學(xué)性能進行了研究，并依據(jù)腐蝕介質(zhì)在每一份中的濃度將其彈性模量進行折減來進行模擬；金偉良等[4]對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法與壽命預(yù)測進展進行了分析；陳朝暉等[5]對銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)強度進行了試驗研究，分析了銹蝕作用下鋼筋混凝土粘結(jié)性能的主要影響因素及退化機制；李忠等[6]對受氯鹽侵蝕的盾構(gòu)隧道襯砌的結(jié)構(gòu)性能進行了試驗研究，指出蝕后混凝土襯砌既有承載力的降低，又有延性及變形（裂縫開展等）的惡化。楊綠峰等[7]針對當(dāng)前結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計，提出海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的計算模型和定量設(shè)計方法。宋小雷等[8]的研究表明，隨著疲勞荷載的增加及鋼筋銹蝕率的提高，試驗梁的疲勞強度和疲勞壽命顯著降低。

從現(xiàn)有的研究成果來看，其主要側(cè)重于管涵某一方面進行研究，在特大排水管涵受損機理及相應(yīng)工程處理措施方面的研究缺乏系統(tǒng)綜合性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作。系統(tǒng)性的梳理提煉影響特大排水管涵的安全因素并分析關(guān)鍵因素的機理，目前國內(nèi)尚未見公開的文獻。

3 特大管涵受損研究關(guān)鍵問題-受損機理及工程性對策

對于地下排水管道（管涵）這種服役環(huán)境嚴(yán)苛、局部銹蝕率極高、混凝土和鋼筋受損顯著在受損機理、修復(fù)性對策方面的研究還非常少見。導(dǎo)致對極端腐蝕環(huán)境下排水管涵的受損機理、受損規(guī)律、服役性能評估和預(yù)測方面的基礎(chǔ)理論知識極度匱乏。因此，亟需對處于極端腐蝕環(huán)境中排水管涵的受損發(fā)展規(guī)律、力學(xué)性能退化規(guī)律、性能評估和預(yù)測方法進行系統(tǒng)研究，為其安全評估、修復(fù)、加固等工作提供理論支持和技術(shù)依托。

影響管涵安全性的因素涉及外部環(huán)境、結(jié)構(gòu)本身狀況、內(nèi)部水環(huán)境和沖刷淤積等，如過重的外荷載、地基不均勻沉降，污水的沖刷、腐蝕引起的管渠損壞、裂縫，固體和淤泥引起的底部淤塞和頂部板結(jié)等，從管涵外部環(huán)境、結(jié)構(gòu)特性、內(nèi)部水環(huán)境多因素梳理管涵的安全因素并研究其機理，對全面評估管涵的安全性具有重要意義。

結(jié)合排水管涵的外部條件、結(jié)構(gòu)、水力和水質(zhì)監(jiān)測和運行狀況，從承受荷載、管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、管道材料、埋設(shè)年代、污水流態(tài)和污水水質(zhì)等方面，利用統(tǒng)計學(xué)方法，研究排水管涵結(jié)構(gòu)隨年代的變化、排水管涵病害在整個管網(wǎng)系統(tǒng)中的分布，總結(jié)排水管涵病害隨時空變化的規(guī)律，重點從大型管涵內(nèi)部水環(huán)境和外部結(jié)構(gòu)荷載兩方面梳理排水箱涵的安全因素，為及時診斷排水管道安全性提供依據(jù)。

結(jié)合排水管涵受損發(fā)展的實際檢測數(shù)據(jù)和受損機理研究，可以建立受損管道的受損發(fā)展模型與控制方程；基于敏感性分析，揭示不同參數(shù)對排水管涵結(jié)構(gòu)受損發(fā)展的影響，明確排水管涵受損發(fā)展的主控因素。

國內(nèi)現(xiàn)有的特大管涵的修復(fù)技術(shù)相對薄弱，相應(yīng)的研究也較為缺乏。因此，有必要針對特大排水管涵各種不同類型的缺陷、受損，以及不同的修復(fù)條件，進行系統(tǒng)地分析研究并提出相對應(yīng)的修復(fù)方法，完善各類修復(fù)方法的管理、設(shè)計、施工、運營配合及驗收等各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，為特大排水管涵的修復(fù)工作提供指導(dǎo)與參考。

4 特大管涵受損研究工作的思考

目前，國內(nèi)在特大管道（箱涵）安全性檢測、評估和保護技術(shù)研究及修復(fù)性技術(shù)研究方面所做的工作存在以下不足：

（1）缺乏綜合性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，相關(guān)研究成果較少，可供參考的相關(guān)示范性工程較少。

（2）現(xiàn)行檢測評估標(biāo)準(zhǔn)（如《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ181-2012）規(guī)程，《上海市公共排水管道電視和聲納檢測評估技術(shù)規(guī)程》等）所采用的檢測手段和分析角度以圖像分析為主，結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析不夠清晰，沒有區(qū)別不同運行工況下的管道（箱涵）的安全冗余度的需求差異。不便于管線管理單位對箱涵（管道）的各種有利、不利運行工況及外部附加荷載進行針對性控制。

（3）現(xiàn)有評估標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮管道接口變形、差異沉降引起的滲漏，以及污水滲漏影響區(qū)域土性改變對箱涵的長期安全性帶來的隱患。

（4）由于目前部分混凝土排水管道（箱涵）頂板底部鋼筋銹斷（如南干線），從設(shè)計的角度來看，其板底抗彎承載力已完全喪失，無法進一步按照規(guī)范設(shè)計方法評估。

（5）現(xiàn)有的管道保護技術(shù)較適用于中小口徑管道，特大型管道（箱涵）的保護技術(shù)相對薄弱。

（6）在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上應(yīng)建立受損機理研究—受損承載力評估研究—受損后工程性對策研究的系統(tǒng)性研究。

5 結(jié)語

特大排水管涵受損機理規(guī)律研究是其受損后承載力評估和研究的基礎(chǔ)，管涵的工程性對策研究是其受損后修復(fù)的關(guān)鍵。鑒于我國特大管涵已經(jīng)逐步進入到修復(fù)的關(guān)鍵時期，建立受損機理研究—受損承載力評估研究—受損后工程性對策研究的系統(tǒng)性研究非常迫切。

本文分析了特大管涵運行現(xiàn)狀、已有研究成果，并就其局限性提出了一些問題，包括（1）缺乏綜合性技術(shù)指標(biāo)；（2）現(xiàn)行檢測標(biāo)準(zhǔn)不利于不同荷載工況下的控制；（3）現(xiàn)行評估標(biāo)準(zhǔn)對特殊節(jié)點無針對性；（4）對于結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化時無法按規(guī)范方法評估；（5）特大管涵保護技術(shù)研究不足。這些問題有待于進一步研究和解決。同時，本文提出：建立受損機理研究—受損承載力評估研究—受損后工程性對策研究的系統(tǒng)性研究理念；在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建管涵健康管理數(shù)據(jù)平臺，全壽命式的服務(wù)于管涵安全運行。

[1]梁莉,王志委,張望成.受腐蝕埋地式混凝土管管周土壓力的計算模式初探[J].地下空間與工程學(xué)報,2015,11(4):965-968.

[2]雷晗,陳錦劍,王建華,等.大直徑砼頂管的管道受力特性分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2011,45(10):1494-1497.

[3]王志委.埋地式圓形混凝土排污管腐蝕規(guī)律及蝕后力學(xué)性能[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[4]金偉良,呂清芳,趙羽習(xí),等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法與壽命預(yù)測研究進展[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2007,28(1):7-13.

[5]陳朝暉,譚東陽,曾 宇,等.銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)強度試驗[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2016,39(1):79-87.

[6]李忠,陳海明,孫富學(xué),等.氯離子侵蝕盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能退化試驗[J].地下空間與工程學(xué)報,2009,6(5):1092-1097.

[7]楊綠峰,周明,陳正.海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量分析與設(shè)計[J].土木工程學(xué)報,2014,47(10):70-79.

[8]宋小雷．銹蝕鋼筋混凝土梁靜力及疲勞性能試驗研究[D].福建廈門:華僑大學(xué),2008.

TU992.2

A

1009-7716（2017）01-0093-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.026

2016-11-14

余凱華（1968-），男，浙江紹興人，工程師，從事城市排水運行網(wǎng)管管理工作。