法蘭式球墨鑄鐵井蓋與井周路面服役狀態(tài)研究

翁洋 鄧祿 王煜軒 陳佳

摘? 要：法蘭式球墨鑄鐵井蓋是一種新型、廣泛使用的窨井蓋，井蓋與井周路面的服役狀態(tài)是市政道路管養(yǎng)重點(diǎn)關(guān)注的方面。文章通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定了評(píng)價(jià)法蘭式球墨鑄鐵井蓋與井周路面服役狀態(tài)的4個(gè)指標(biāo)，詳細(xì)介紹了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)量及計(jì)算取值方法。運(yùn)用層次分析法（AHP）確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，采用模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建了井蓋與井周路面服役狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型，該模型還能預(yù)測(cè)井蓋及周圍路面的服役生命期。結(jié)果表明：建立的評(píng)價(jià)模型能很好反映真實(shí)井蓋與井周路面的服役狀態(tài)，文章發(fā)展的預(yù)測(cè)理論與方法可為智慧城市建設(shè)提供理論與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：法蘭式球墨鑄鐵井蓋;服役狀態(tài);模糊層次分析法;智慧管養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TU990.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0036-06

Abstract： Flange nodular cast iron manhole cover is a new and widely-used manhole cover. The service state of the manhole cover and the surrounding pavement is the key aspect of municipal road management and maintenance. In this paper， through field survey and statistical analysis of data， four indexes for evaluating the service state of the flange nodular cast iron manhole cover and the surrounding pavement are determined， and the measurement and calculation methods of each evaluation index are introduced in detail. The weight of each evaluation index is determined by analytic hierarchy process （AHP）， and the comprehensive evaluation model of service state of the manhole cover and the surrounding pavement is constructed using Fuzzy Mathematics Theory. The model can also predict the service life of manhole cover and surrounding pavement. The results show that the evaluation model can well reflect the service state of the real manhole cover and the surrounding pavement， and the prediction theory and method developed in this paper can provide theoretical and technical support for the construction of intelligent city.

Keywords： flange nodular cast iron manhole cover; service status; fuzzy analytic hierarchy process; intelligent maintenance

由于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)管理等多方原因，傳統(tǒng)的市政道路在窨井（蓋）附近的病害非常普遍，主要表現(xiàn)在井框周圍瀝青層的龜裂、井蓋跳動(dòng)、井蓋框區(qū)域下沉或突起，潛藏著巨大安全風(fēng)險(xiǎn)。治理這些病害不僅需要花費(fèi)大量的人力物力，還阻礙交通的正常運(yùn)行[1]。

為消除傳統(tǒng)窨井蓋周圍路面病害，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)始大量使用新型法蘭式井蓋。該井蓋由球墨鑄鐵制成，利用彈簧鎖閉井蓋，利用承插結(jié)構(gòu)將井蓋支座與井體連接，采用法蘭式上盤(pán)面來(lái)擴(kuò)大井蓋與路面的結(jié)合面，將來(lái)自井蓋上部80%左右的荷載直接均勻分散到路面結(jié)構(gòu)層，有效緩解車行荷載沖擊，延長(zhǎng)了井蓋及井周路面使用壽命[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新型法蘭式井蓋雖有效減緩了病害的發(fā)展速度，但由于道路環(huán)境、施工技術(shù)等因素，新型井蓋周圍仍存在沉降和瀝青路面松散破碎等問(wèn)題，對(duì)道路安全產(chǎn)生了不容忽視的影響。

國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)成熟的窨井蓋及其周圍路面服役狀態(tài)評(píng)估體系。我國(guó)主要根據(jù)《CJJ 68-2007城鎮(zhèn)排水灌渠與泵站維護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的窨井檢測(cè)項(xiàng)目來(lái)評(píng)估窨井體系的服役狀態(tài)，其中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)項(xiàng)目包括井蓋埋沒(méi)、井蓋丟失、井蓋破損、井框破損等[3]。美國(guó)國(guó)家下水道服務(wù)公司協(xié)會(huì)（NASSCO）于2010年發(fā)布了一份管道評(píng)估和認(rèn)證程序（PACP），強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)量和記錄對(duì)窨井體系評(píng)價(jià)的重要性[4]。然而，這些規(guī)范或程序并未提供一套針對(duì)交通風(fēng)險(xiǎn)路面病害的井蓋及井周路面服役狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。

為此，本文以正在服役的法蘭式球墨鑄鐵防沉降井蓋及其周圍路面為研究對(duì)象，對(duì)南京市浦口區(qū)某道路的18個(gè)井蓋及井周路面病害和服役狀態(tài)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，提出了基于模糊層次分析的井蓋及井周路面服役狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型，預(yù)測(cè)了新型井蓋的服役生命期，研究成果可為市政道路管養(yǎng)提供依據(jù)。

1 井蓋與井周路面服役狀態(tài)調(diào)查

選取南京市浦口區(qū)某道路上18個(gè)井蓋及井周路面為研究對(duì)象，于2018年3月24日、5月21日、7月21日、9月20日和11月22日進(jìn)行5次實(shí)地觀測(cè)，得到了能反映井蓋與井周路面服役狀態(tài)隨時(shí)間演變的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.1 井蓋狀態(tài)觀測(cè)和計(jì)算

井蓋本身的服役狀態(tài)主要通過(guò)井蓋平整度反映。井蓋平整度是指井蓋周圍路表面縱向的凹凸偏差值，可用井蓋傾角（井蓋與井周路面之間的夾角）和井蓋沉降兩個(gè)指標(biāo)衡量。為方便井蓋狀態(tài)的量化表征，沉降取井蓋與井周路面的最大高差。本研究在現(xiàn)場(chǎng)使用激光測(cè)距儀（精度0.1mm）、三腳架、量角尺按照以下步驟測(cè)量井蓋狀態(tài)。

（1）將激光測(cè)距儀水平安置在三腳架上，置于距窨井邊框1.0-1.5m處。

（2）將激光測(cè)距儀分別對(duì)準(zhǔn)如圖1所示的點(diǎn)1、3、5處，讀取并記錄測(cè)距儀與測(cè)點(diǎn)間距離和測(cè)距儀傾角。其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3位于井蓋直徑上;為方便計(jì)算，將測(cè)距儀水平旋轉(zhuǎn)5°后，激光垂面與井蓋周交點(diǎn)即為點(diǎn)5。

（3）通過(guò)反演計(jì)算出點(diǎn)1、3、5的空間坐標(biāo)，得出井蓋與井周路面的空間位置關(guān)系，計(jì)算出井蓋傾角和最大沉降。此處假定井蓋為標(biāo)準(zhǔn)圓形剛體。

圖2、3分別為井蓋傾角、沉降的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖中折線為18個(gè)井蓋的統(tǒng)計(jì)平均值。由圖2中傾角分布可知，3月和5月觀測(cè)時(shí)傾角分布在0°～1°之間的井蓋數(shù)量最多，而7月、9月和11月觀測(cè)時(shí)分布在1°～2°之間的井蓋數(shù)量最多，井蓋傾角平均值隨時(shí)間近似呈線性增長(zhǎng)，平均每月增加0.2°。圖3表明，井蓋沉降從3月到5月發(fā)展迅速，其后發(fā)展速率有所放緩，測(cè)量期間平均每月增加0.12mm。

1.2 井周路面狀態(tài)觀測(cè)和計(jì)算

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量發(fā)現(xiàn)，井周路面主要出現(xiàn)的病害包括：（1）松散，即路面結(jié)合料失去粘結(jié)力，集料松動(dòng)，面積在 0.01m2以上的區(qū)域視為松散區(qū);（2）坑槽，即路面破壞成坑洼狀，深度大于20mm、面積在0.01m2以上的區(qū)域視為坑槽區(qū)，如小面積坑槽較多且間距又小則合并視為一個(gè)坑槽[5]。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，利用三腳架固定相機(jī)，從1.3米高度處垂直俯拍，同時(shí)根據(jù)不同病害的特征，利用測(cè)距儀的面積測(cè)量功能對(duì)坑槽區(qū)和松散區(qū)進(jìn)行面積測(cè)量，對(duì)符合要求的區(qū)域在電子照片中進(jìn)行標(biāo)記。

利用Photoshop圖像處理功能，對(duì)井周路面以外其他區(qū)域進(jìn)行隔離，去除井蓋部分，僅保留井周圓環(huán)形路面。環(huán)形區(qū)域內(nèi)徑為0.9m，外徑為1.48m?？硬蹍^(qū)、松散區(qū)與完好路面具有明顯的顏色差異，參照現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記的照片，利用Photoshop像素識(shí)別功能檢驗(yàn)病害區(qū)域邊緣，用深色標(biāo)記坑槽區(qū)，淺色標(biāo)記松散區(qū)，結(jié)果如圖4所示。為方便計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，用松散區(qū)和坑槽區(qū)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)分別占井周環(huán)形路面的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)百分比表示松散率和坑槽率。

根據(jù)觀察，相關(guān)部門在7月至9月之間對(duì)1號(hào)井蓋的井周路面進(jìn)行了修補(bǔ)。為便于找出無(wú)人為干擾狀態(tài)下井周路面破壞發(fā)展規(guī)律，將1號(hào)井蓋剔除，對(duì)其余17個(gè)井蓋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5、6所示。

如圖5所示，松散率在9月前有一定增長(zhǎng)，隨后略有下降。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這主要是由于車輛碾壓井周路面時(shí)，加劇了松散區(qū)的破壞，部分路面結(jié)合料脫離回填路面被帶走，使松散區(qū)轉(zhuǎn)化為坑槽區(qū)的面積大于完好區(qū)域轉(zhuǎn)化為松散區(qū)域的面積。由圖6中坑槽率頻率分布可知，測(cè)量初始時(shí)刻井周路面坑槽率均較小，一般低于3%，而7月和9月時(shí)坑槽率在3%～6%的井蓋數(shù)量最多。圖6還顯示，井周路面的平均坑槽率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)而增加，且增加速率越來(lái)越大，觀測(cè)期間平均每月增加1.4%。

結(jié)合數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，新型井蓋并不能完全消除路面病害，可歸納為兩方面原因：（1）新型井蓋采用了法蘭式上盤(pán)面，由于其獨(dú)特的T字形結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中難以與回填路面完全貼合，可能導(dǎo)致其底部脫空，引起井蓋傾斜、沉降;（2）井蓋更換時(shí)需在井蓋周圍一定范圍內(nèi)破除路面，而隨后回填時(shí)因回填區(qū)面積較小，容易出現(xiàn)碾壓不密實(shí)的缺陷[6-7]，在車輛沖擊荷載下，井周路面易出現(xiàn)松散區(qū)和坑槽區(qū)。

2 服役狀態(tài)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

井蓋傾角與沉降、井周路面松散率與坑槽率為不同性質(zhì)、不同量綱的指標(biāo)。為消除量綱影響，需將其轉(zhuǎn)化為可綜合處理的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值[8]。

通過(guò)對(duì)南京市井蓋病害的調(diào)研，傾角一般達(dá)15°及其以上時(shí)，行車發(fā)生顯著跳動(dòng)，井蓋松動(dòng)明顯。因此將傾角達(dá)15°時(shí)作為破壞極限值，其標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法如表1所示，傾角在0°和15°之間時(shí)插值計(jì)算。

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范CJJ 36-2016》，瀝青回填路面與井蓋的高差應(yīng)控制在±5mm以內(nèi)。對(duì)井蓋沉降的極限破壞值，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)系統(tǒng)的定義，根據(jù)南京市的實(shí)際調(diào)查情況并參照鄭州、廣州等地窨井蓋更換標(biāo)準(zhǔn)，擬取極限破壞沉降值為±30mm，井蓋沉降標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法如表2所示，沉降在5mm和30mm之間時(shí)插值計(jì)算。

3 基于模糊層次分析的井蓋與井周路面服役狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型

層次分析法是一種確定指標(biāo)權(quán)重的方法，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行逐層分解和指標(biāo)細(xì)化，并邀請(qǐng)專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判打分、建立判斷矩陣，進(jìn)而計(jì)算出各指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重。模糊理論是在確定各指標(biāo)權(quán)重基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊集合變換原理，以隸屬度描述各因素及因子的模糊界限，構(gòu)造模糊矩陣，通過(guò)多層的復(fù)合運(yùn)算，最終確定評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)[9]。但兩種方法存在較強(qiáng)的主觀性，缺乏一定的科學(xué)性。一些學(xué)者提出了模糊層次分析法（FAHP），將兩種方法結(jié)合使用，有效降低了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，更具有科學(xué)性[10]。本文即采用模糊層次分析法建立井蓋與井周路面服役狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定

現(xiàn)采用層次分析法確定傾角、沉降、松散率、坑槽率四個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如下：

（1）確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層為井蓋與井周路面服役狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系，準(zhǔn)則層為井蓋本身狀態(tài)和井周路面狀態(tài);指標(biāo)層包括傾角、沉降、松散率和坑槽率，如圖7所示。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣用來(lái)表示各指標(biāo)間的相對(duì)重要性。采用九標(biāo)度法對(duì)各指標(biāo)引用數(shù)字1-9及其倒數(shù)作為相對(duì)重要性標(biāo)度[11]，構(gòu)造判斷矩陣B：

（1）

式中，bij表示第i個(gè)指標(biāo)重要性與第j個(gè)指標(biāo)重要性的比值。指標(biāo)1-4分別為傾角、沉降、松散率和坑槽率。

（3）一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣由人為確定，存在一定的主觀性，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)以保證各元素重要度之間的協(xié)調(diào)性（即不自相矛盾）。判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI度量了判斷矩陣偏離一致性的程度，CI越小，判斷矩陣的協(xié)調(diào)性越好[12]。

一致性指標(biāo)CI采用下式計(jì)算：

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

模糊綜合評(píng)價(jià)模型是將指標(biāo)權(quán)重向量與單個(gè)井蓋的模糊矩陣相乘，得到井蓋與井周路面服役質(zhì)量綜合評(píng)分。評(píng)價(jià)模型構(gòu)建步驟如下：

（1）確定工作狀態(tài)等級(jí)評(píng)語(yǔ)集。根據(jù)工程習(xí)慣，記評(píng)語(yǔ)集合為{優(yōu)，良，合格，不合格}，各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)等級(jí)如表5所示。Xi為表1-4計(jì)算得出的各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的取值。

表5 井蓋與井周路面服役性能評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

（2）確定隸屬函數(shù)。僅根據(jù)表5由各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)照出井蓋及井周路面工作狀態(tài)等級(jí)存在人為主觀性，特別是各等級(jí)分界線處的劃分存在突變，不夠合理。此處采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度概念使各等級(jí)的界限模糊化。此處采用半梯形與梯形分布隸屬函數(shù)，如表6所示。其中ri1表示第i個(gè)指標(biāo)對(duì)等級(jí)1（優(yōu)）的隸屬度，以此類推。以傾角指標(biāo)X1=85為例，{r11，r12，r13，r14}={0.5，1，0.5，0}，表示該指標(biāo)（傾角）隸屬等級(jí)優(yōu)、良、合格和不合格的程度分別為0.5、1、0.5和0，其中1代表完全隸屬，0代表完全不隸屬?？梢?jiàn)，借助隸屬度，某一指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)值不再對(duì)應(yīng)單一等級(jí)，而是以不同隸屬程度對(duì)應(yīng)各個(gè)等級(jí)，由此在一定程度上消除了表5中人為劃分等級(jí)的不合理性。

對(duì)18個(gè)井蓋5次調(diào)查結(jié)果用上述模型進(jìn)行評(píng)判，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，所有井蓋與井周路面服役狀態(tài)均隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)而出現(xiàn)不同程度的降低，其中1號(hào)井蓋和15號(hào)井蓋評(píng)分下降幅度大且評(píng)分低。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，1號(hào)井蓋位于交叉路口，15號(hào)井蓋位于小區(qū)門口，被車碾壓頻率高，故服役狀態(tài)下降較快。在2018年7月至9月間有關(guān)部門對(duì)1號(hào)井蓋的周圍路面進(jìn)行了修補(bǔ)，說(shuō)明1號(hào)窨井質(zhì)量已經(jīng)不合格，這與評(píng)價(jià)結(jié)果大致符合。1號(hào)井蓋修補(bǔ)后評(píng)分也不高，主要是由于該井蓋位于交叉路口，工作環(huán)境差，服役性能降低極快。

4 井蓋服役生命期預(yù)測(cè)

圖9為17個(gè)（除去1號(hào)）井蓋得分與得分變化率的關(guān)系。其中，橫坐標(biāo)（得分）=（后一次測(cè)量得分+前一次測(cè)量得分）/2，縱坐標(biāo)（得分變化率）=（后一次測(cè)量得分-前一次測(cè)量得分）/2。由圖可知：得分越低，其變化率越大。這表明，窨井蓋及周圍路面服役狀態(tài)越差時(shí)，其服役性衰減速度越快。這是由于一旦出現(xiàn)井蓋傾斜、下沉以及路面坑槽和松散，經(jīng)過(guò)車輛對(duì)井蓋和路面動(dòng)力沖擊荷載越大，進(jìn)一步促使其服役性能的降低。

由此可預(yù)測(cè)得分低于60所需的最短時(shí)間和最長(zhǎng)時(shí)間，結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，按照最高速率發(fā)展，在5-10個(gè)月后所研究井蓋將達(dá)到無(wú)法正常使用的狀態(tài);若按照最低速率發(fā)展，則所研究井蓋壽命在15-44個(gè)月不等。

5 結(jié)論與展望

本研究針對(duì)法蘭式球墨鑄鐵井蓋與井周路面的服役狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)測(cè)與理論分析，得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)地測(cè)量結(jié)果表明，新型井蓋的使用有效延緩了傳統(tǒng)井蓋病害的發(fā)展速度，增加了井蓋及井周路面的服役時(shí)間。

（2）基于模糊層次分析法建立了新型井蓋與井周路面的服役狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，采用的權(quán)重指標(biāo)與模糊評(píng)價(jià)能很好地量化反映井蓋及井周路面的綜合服役狀態(tài)。

（3）基于實(shí)測(cè)結(jié)果擬合了井蓋服役生命期上下限預(yù)測(cè)公式，能較好反映服役狀態(tài)隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律。

值得注意的是，本文實(shí)地調(diào)研井蓋的數(shù)量雖少，但所提出的井蓋與井周路面服役狀態(tài)理論模型與壽命預(yù)測(cè)方法具有普適性。后續(xù)研究將采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、先進(jìn)傳感等自動(dòng)信息采集技術(shù)，采用大數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)展本文模型與方法，最終構(gòu)建智能化的市政道路與窨井管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，為智慧城市系統(tǒng)提供理論與技術(shù)支持。

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