埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)的安全評估

胡晶國 許春青 李春光

（中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司 長春130021）

引言

給水排水管道結(jié)構(gòu)作為城鎮(zhèn)生命線工程的組成部分，是保障現(xiàn)代城鎮(zhèn)安全運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而給水排水管道結(jié)構(gòu)基本上采用埋地方式，由于環(huán)境因素的不利影響、非直接的運營維護方式、設(shè)計水壓的實際變化等，其受力模型與設(shè)計初始條件并非完全一致。在我國城鎮(zhèn)的埋地給水排水管道設(shè)施中，其承載能力和使用功能逐漸退化，很多已經(jīng)處于事故高峰的階段，尤其是近年來，隨著城鎮(zhèn)快速發(fā)展，埋地給水排水管道規(guī)模迅速增加，其各類運行安全事故如滲漏、爆管等問題頻發(fā)，已成為社會普遍關(guān)注的熱點。

城鎮(zhèn)給水排水管道結(jié)構(gòu)安全評估的實質(zhì)是解決管線的實際使用年限問題，即有效控制滲漏、爆管的發(fā)生，以便確保其安全運行。主要研究給水排水管道的規(guī)劃、材料、設(shè)計、施工、維護問題，包括給水管道結(jié)構(gòu)中各種材質(zhì)的管段、管件、配件和排水管道中各類材質(zhì)的管段、檢查井的實際承載能力和允許變形，管道腐蝕和老化等耐久性能降低的影響，以及核算管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計初始條件和使用期間發(fā)生的變化差別，如荷載變化、溫度變化和不均勻沉降等。根據(jù)其實際承載力與相應(yīng)的荷載效應(yīng)進行比較，進行安全評估，給出繼續(xù)運行、檢修維護、加固或更換的明確判斷。具體內(nèi)容包括可行性研究階段評估、設(shè)計階段評估、竣工交付階段評估和運營維護階段評估。以下就城鎮(zhèn)埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)的可靠性評估涉及的內(nèi)容逐一進行闡述。

1 埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)的種類和受力特點

城鎮(zhèn)給水排水管道系統(tǒng)可分為干線管道、支線管道和進戶管道，其中給水管道通常由管段、管件、配件、各類閥門組成，排水管道通常由管段、各類檢查井等組成。由于管道系統(tǒng)各構(gòu)成部分材料不同，其實際可靠指標和使用年限很難達到同一個標準，將影響管道系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。

城鎮(zhèn)給排水管道除低壓及無壓的干線管道，通常采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)外，其余情況基本采用生產(chǎn)廠家制造的各類成品管段，主要包括鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼套筒管、熱塑性和熱固性塑料管等。在管道的設(shè)計標準規(guī)定中，鋼管、球磨鑄鐵管、熱塑性和熱固性塑料管屬于柔性管；而鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼套筒管、灰口鑄鐵管為剛性管。在柔性管道的計算模型中，考慮管道與土體的共同工作，為了對應(yīng)計算模型，各種柔性管道兩側(cè)及頂部回填土的壓實系數(shù)在不同高度范圍內(nèi)有明確的規(guī)定，其中鋼管和球磨鑄鐵管還考慮了腐蝕構(gòu)造厚度。對于剛性管道，為了減少地面沉降，也具體規(guī)定了兩側(cè)及頂部回填土的壓實系數(shù)和寬度要求。另外，給水排水管道內(nèi)的流量變化頻繁，管道本體始終處于疲勞受力狀態(tài)，在管道設(shè)計計算中均應(yīng)予以考慮。

2 埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與設(shè)計現(xiàn)狀

隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展和擴大，原有的道路與新區(qū)或擴大區(qū)域新規(guī)劃道路雖然在平面上連接起來了，但是道路下埋地給水排水管道是有坡度和長度限制的，既有的管道是適用原規(guī)劃區(qū)的，其設(shè)計參數(shù)已經(jīng)確定了。因為區(qū)域的增加，其負荷強度提高了，會降低既有埋地管道結(jié)構(gòu)的安全性和使用年限。同時區(qū)域的擴大和城鎮(zhèn)功能的提高，規(guī)劃占壓、車流量增加、地下水土情況變化等，也會對既有管道產(chǎn)生不利的影響。

在設(shè)計方面，由于給水排水管道工程基本采用預(yù)制成品管段，除檢查井、穿越道路及河流等特殊情況外，管道工程多數(shù)未經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)人員系統(tǒng)設(shè)計，直接由給水排水專業(yè)人員連同管件和各類閥門一起選用，或是建設(shè)管理單位自行敷設(shè)。雖然各生產(chǎn)單位考慮了管道結(jié)構(gòu)的承載能力和施工要求，但未能充分考慮管土的共同工作、管道的敷設(shè)條件、抗震計算和措施、雜散電流的作用、不良地基處理的程度以及不同工程地質(zhì)的不利影響等，因此經(jīng)常發(fā)生局部破損，降低了管道系統(tǒng)的整體可靠性。

3 埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)的施工方法與質(zhì)量

管道的施工方法分為開槽施工和不開槽施工，其中開槽施工包括溝埋式和填埋式兩種方式，不開槽施工包括頂管和水平定向鉆兩種方法。開槽式施工容易控制施工質(zhì)量，試水階段可以直觀發(fā)現(xiàn)問題，計算模型接近實際，但需要大面積施工場地；不開槽式施工節(jié)省用地，有利交通，保護環(huán)境，但管線中心位置容易偏離，竣工驗收時難以解決，在不穩(wěn)定土層內(nèi)孔壁穩(wěn)定性差，計算模型吻合性不充分，其管道施工質(zhì)量通常只由施工方控制和保證。

再有，隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，頂管和水平定向鉆施工法被普遍采用，由此增加了既有管道及其周圍土體的擾動概率和程度，影響管道的安全運行。

4 埋地給水排水管道產(chǎn)品的質(zhì)量控制情況

生產(chǎn)廠家提供的鋼管、鑄鐵管、混凝土類管、熱塑性和熱固性塑料管，都有抽樣檢查的出廠檢驗報告，對于管道配件有質(zhì)量監(jiān)督檢查站等機構(gòu)提供的送樣檢驗報告。這些產(chǎn)品很少考慮環(huán)境的差異性和設(shè)計的具體性，對于每個實際工程可能存在不完全適用的情況。以及市場競爭帶來的不良影響，或者管材承載能力計算值滿足要求，甚至安全有富裕，而實際的質(zhì)量可能不達標，都會降低管道的整體使用功能或力學(xué)指標。

另外，由于給水排水管道產(chǎn)品進入施工現(xiàn)場時很少進行復(fù)驗。敷設(shè)后的壓力和滲漏試驗，也常常因為水源不足或工期要求等而未能全部進行。因此在管道運行過程中不可避免地存在或多或少的各種隱患。實踐表明，鑄鐵管、鋼管、混凝土類管、熱塑性和熱固性塑料管等不同材質(zhì)的管道各有優(yōu)勢，也相應(yīng)存在不足，如何做到在設(shè)計中選用安全可靠、經(jīng)濟合理的管材是業(yè)內(nèi)重要課題，相關(guān)的研究成果會在今后的論文中陸續(xù)發(fā)表。

5 埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50332－2002）規(guī)定了給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，以可靠指標度量管道構(gòu)件的可靠度。除對管道整體穩(wěn)定驗算外，承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算均采用含分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行設(shè)計，同時對不同材質(zhì)的管道規(guī)定了各自的基本構(gòu)造要求。

5.1 管道結(jié)構(gòu)的計算及驗算內(nèi)容

由于管道的埋設(shè)方法、敷設(shè)條件、管材剛度的不同，規(guī)定了相應(yīng)的計算模型、計算內(nèi)容和承受的荷載作用。通常鋼筋混凝土管和預(yù)應(yīng)力混凝土鋼套筒管被列為剛性管，需要進行強度計算、最大裂縫寬度或抗裂度驗算。而被看做柔性管的鋼管、球磨鑄鐵管、熱塑性和熱固性塑料管，需要進行強度計算、整體穩(wěn)定性以及變形驗算。對于鋼管、熱塑性塑料管構(gòu)成的整體管道還應(yīng)考慮縱向的溫度應(yīng)力和地基不均勻沉降引起的附加應(yīng)力；而由鑄鐵管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼套筒管、熱固性塑料管構(gòu)成的非整體管道還應(yīng)驗算接口的允許轉(zhuǎn)角。

5.2 管道設(shè)計階段可靠指標核算

1.可靠指標核算方法

采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標。由于缺乏給水排水工程管道結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料與荷載的統(tǒng)計參數(shù)，利用建筑結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的統(tǒng)計參數(shù)進行近似核算，得到具體的可靠指標，以此評估給水排水工程管道的可靠性和設(shè)計使用年限。

計算公式為正態(tài)隨機變量形式：

式中：mR為材料強度平均值；ms為荷載效應(yīng)平均值；β為可靠指標；（σR）2為材料強度方差；（σs）2為荷載效應(yīng)方差。

計算公式中永久作用為正態(tài)分布，材料強度和可變作用假設(shè)符合正態(tài)分布。當(dāng)管道結(jié)構(gòu)的安全等級為二級或設(shè)計使用年限采用50年時，其可靠指標 β0＝3.2。

2.給水鋼管道結(jié)構(gòu)的可靠指標核算

設(shè)計條件：鋼管道采用Q235B鋼，管道內(nèi)徑2000mm，管壁設(shè)計厚度14mm，腐蝕構(gòu)造厚度2mm；管頂覆土深度3m，地下水位位于管底以下，地面堆積荷載標準值10kN／m2，管道的設(shè)計內(nèi)水壓力標準值1.4MPa，管內(nèi)真空壓力標準值0.05MPa；土弧基礎(chǔ)設(shè)計計算中心角度為90°，基槽兩側(cè)原狀土變形模量5MPa，回填土重度18kN／m2、變形模量4MPa、泊松比0.4；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

核算結(jié)果：其可靠指標β＝3.64＞β0＝3.2。

3.排水鋼筋混凝土管道結(jié)構(gòu)的可靠指標核算

（1）開槽施工

設(shè)計條件：鋼筋混凝土管道采用Ⅰ級管，管道內(nèi)徑1800mm，管壁厚度150mm；埋設(shè)于城區(qū)道路主干線下，管頂覆土深度6m，地下水位位于管底以下，覆土平均重度18kN／m2，地面堆積荷載標準值10kN／m2；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

核算結(jié)果：其可靠指標β＝5.42＞β0＝3.20。

（2）頂管施工

設(shè)計條件：鋼筋混凝土管道采用Ⅱ級管，管道內(nèi)徑1800mm，管壁厚度180mm；埋設(shè)于城區(qū)道路主干線下，管頂覆土深度6m，地下水位位于管底以下，覆土平均重度18kN／m2，地面堆積荷載標準值10kN／m2；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

核算結(jié)果：其可靠指標β＝5.23＞β0＝3.20。

4.給水排水管道的可靠指標核算結(jié)論

（1）給水鋼管道結(jié)構(gòu)的可靠指標核算結(jié)果由承載能力極限狀態(tài)確定，其核算值大于規(guī)定的可靠指標，說明壓力鋼管道達到了設(shè)計標準的要求，運行安全是有保證的。

（2）排水鋼筋混凝土管道的可靠指標核算結(jié)果依據(jù)承載能力極限狀態(tài)計算得出，其核算值遠高出規(guī)定的可靠指標，是因為預(yù)制混凝土管道僅提供三種級別，而實際管道結(jié)構(gòu)設(shè)計條件是多種的，因此不能具體對應(yīng)，只能滿足一個范圍要求，或者說是存在浪費的。對于無壓鋼筋混凝土矩形現(xiàn)澆管道結(jié)構(gòu)，其荷載分項系數(shù)取值和允許裂縫寬度值等同于鋼筋混凝土構(gòu)筑物，可靠指標基本上由正常使用極限狀態(tài)中的允許裂縫寬度控制，當(dāng)永久作用為主且配置鋼筋直徑小而密時，其允許裂縫寬度雖然可以滿足，但可靠指標達不到要求，此時應(yīng)提高永久荷載的分項系數(shù)。

5.3 管道結(jié)構(gòu)的安全性分析

根據(jù)給水壓力鋼管道和排水無壓鋼筋混凝土管道的可靠指標核算結(jié)果，結(jié)合文獻［3］的結(jié)論，給出管道結(jié)構(gòu)的安全性是有保證的，具體分析如下：

1.有壓管道以承載能力極限狀態(tài)控制，其結(jié)構(gòu)可靠指標核算值能夠達到標準規(guī)定值。

2.對于無壓管道，當(dāng)以永久作用為主時，此時土壓力分項系數(shù)依據(jù)文獻［3］需提高到1.35，再結(jié)合正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果，方可保證無壓管道的可靠指標核算值滿足標準要求。

3.鋼管和鑄鐵管管道的設(shè)計厚度大于計算厚度，表明管道偏于安全。

4.對于鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼套筒管、熱塑性和熱固性塑料管，由于缺乏荷載和材料的參考統(tǒng)計參數(shù)，未進行其可靠指標的核算。但是這些產(chǎn)品有設(shè)計、生產(chǎn)的標準，而且也是分級別提供的，只要達到質(zhì)量要求，可以定性推斷其可靠指標滿足標準要求。

5.對于各類檢查井、閥門、管件、配件，因為其結(jié)構(gòu)形式和計算方法與管段相比較都偏于安全，也可以定性推斷其可靠指標滿足標準要求。

6 埋地給水排水管道的維護問題

埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)作為隱蔽工程，在維護和檢測等方面不如地面構(gòu)筑物那樣容易進行。因此管道的腐蝕程度、老化情況、變形大小等問題很難及時發(fā)現(xiàn)并事先評估，由管道破損引起的滲漏只能被動地搶修，爆管、塌陷等突發(fā)事件也很難做到事先控制。所以從設(shè)計的角度出發(fā)，通過設(shè)計文件、材料證明、施工記錄、運行維護檔案、檢測報告的收集，進行剩余承載能力計算和剩余允許變形驗算，推算出管道的剩余使用年限，就能做到事先推定出安全運行的時間段、維修和加固的時間點，更好地保證管道的運行安全。

在我國，先后制定了《城鎮(zhèn)排水管道維護安全技術(shù)規(guī)程》（CJJ 6－2009）和《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)運行、維護及安全技術(shù)規(guī)程》（CJJ 60－2011），由各城鎮(zhèn)供水公司、排水公司分別負責(zé)給水排水管道的運行安全維護管理，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。同時期國家還頒布了《城鎮(zhèn)排水管道監(jiān)測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ 181－2012）、《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 210－2014）等相關(guān)的規(guī)程，但其針對的是可視部分管道結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)的表面破損和功能失效，根據(jù)人員的直接檢測和CCTV等電子設(shè)備的間接檢測，進行結(jié)構(gòu)性修復(fù)、半結(jié)構(gòu)性修復(fù)和功能修復(fù)。而城鎮(zhèn)埋地給水排水管道系統(tǒng)的運行安全涉及計算模型選擇、施工方法、管段和管件質(zhì)量、周邊環(huán)境影響、隱蔽工程維護與檢修方法等因素。因此，從設(shè)計角度對埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)進行全面的安全評估能更主動地解決問題，達到經(jīng)濟合理的目的。

7 管道安全評估方法

目前，埋地管道安全評估主要采用定性、半定量和定量三種方法。其中半定量評估方法只是人為賦予風(fēng)險因素的分值，屬于定性評估的范疇。定性評估法是針對管道事故特點和類型，通過指標體系進行風(fēng)險評價，在實際應(yīng)用過程中很難避免評估過程的隨機性、評價專家主觀上的不確定性和認識上的模糊性。定量評估法是針對管道自身特點，通過相關(guān)物理模型和計算方法進行風(fēng)險評價。而統(tǒng)一的定量評估方法要求收集埋地給水排水管道的設(shè)計文件、材料證明、施工記錄、維護檔案、管道腐蝕和老化等檢測報告、實際沉降和溫度變化信息、第三方施工破壞等資料；然后進行管道系統(tǒng)分析、管道結(jié)構(gòu)實際承載能力極限狀態(tài)計算、整體穩(wěn)定驗算、正常使用極限狀態(tài)驗算等，確定薄弱段或薄弱點；再通過儀器檢測或試驗證明，最后得出合理的結(jié)果。城鎮(zhèn)埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)定量安全評估仍然采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，以可靠指標度量管道的可靠度。

8 結(jié)論

通過城鎮(zhèn)埋地給水排水管道結(jié)構(gòu)安全評估，能夠核算或判斷管道系統(tǒng)的管段、管件、連接方式、檢查井等結(jié)構(gòu)的可靠指標或安全性，提高薄弱構(gòu)件的性能，優(yōu)化整體管道系統(tǒng)。從而達到管道系統(tǒng)的安全運行并延長使用年限，提高投資效益，合理投入維護管理方面的人力物力，有計劃地實施管道維修或更換，避免因滲漏、爆管引起的污染或地面塌陷等災(zāi)害的目的。同時為后續(xù)新建工程積累更合理的規(guī)劃方案和設(shè)計參數(shù)，提供更完善的施工方法和質(zhì)量保證體系，研發(fā)更先進的管道連接方式和優(yōu)質(zhì)的管段、管件、配件等產(chǎn)品，制造更豐富的管道檢測儀器和維護設(shè)備。具體評估時，應(yīng)做到：

1.利用建筑結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的統(tǒng)計參數(shù)，對給水鋼管道、排水鋼筋混凝土管道進行可靠指標核算，理論計算結(jié)果證明給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計達到了國家標準規(guī)定的要求。

2.依據(jù)文獻［3］進行類比分析，有壓管道以承載能力極限狀態(tài)控制，其可靠指標滿足要求。無壓管道進行承載能力極限狀態(tài)計算時，永久荷載分項系數(shù)需提高到1.35，可以保證無壓管道的可靠指標達到設(shè)計標準。對于鋼筋混凝土無壓管道，以正常使用極限狀態(tài)下的允許裂縫寬度為控制狀態(tài)。

3.既有埋地給水排水管道在設(shè)計使用年限內(nèi)發(fā)生滲漏、爆管等事故，表明這個系統(tǒng)工程在社會發(fā)展需求、環(huán)境因素影響等方面不斷經(jīng)受考驗，需要進行診斷和安全評估，以保證城鎮(zhèn)生命線工程的正常運行。

4.定性和半定量的安全風(fēng)險評估方法，嘗試解決了城鎮(zhèn)管道在不同約束條件下的安全運行問題。而定量的城鎮(zhèn)管道安全風(fēng)險評估方法的研究和實踐，必將提高其安全評估結(jié)果的精度。

5.新建城鎮(zhèn)給水排水管道工程應(yīng)該由具有力學(xué)概念并熟悉相關(guān)專業(yè)知識的工程師進行規(guī)劃、設(shè)計和施工，實現(xiàn)百年大計、質(zhì)量第一的目標。

［1］GB 50153－2008工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008［1］GB 50153－2008 Unified Standard for Reliability Design of Building Structures［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2008

［2］GB 50332－2002給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002 GB 50332－2002 Structural Design Codes for Pipeline of Water Supply and WasteWater Engineering［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2002

［3］胡晶國.給水排水工程構(gòu)筑物的設(shè)計使用年限探討［J］.特種結(jié)構(gòu)，2016，33（4）：25－20 Hu Jingguo，Discussion on the Design Working Life for Special Structures of Water Supply and Waste Water Engineering［J］.Special Structures，2016，33（4）：25－20

［4］給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007

［5］CECS 246：2008給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程 ［S］.北京：中國計劃出版社，2008 CECS 246：2008 Technical Specification for Pipe Jacking ofWater Supply and Sewerage Engineering［S］.Beijing：China Planning Press，2008

［6］CECS 382：2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程 ［S］.北京：中國計劃出版社，2014 CECS 382：2014 Technical Specification for Pipeline Crossing by Horizontal Directional Drilling［S］.Beijing：China Planning Press，2014

［7］CJJ 181－2012城鎮(zhèn)排水管道監(jiān)測與評估技術(shù)規(guī)程 ［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012 Technical Specification for Inspection and Evaluation of Urban sewer［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2012