城市管網(wǎng)大口徑給水管道爆管的應(yīng)對措施研究

李 娜

(太原供水集團有限公司 城北營銷分公司，山西 太原 030000)

隨著我國經(jīng)濟社會的持續(xù)高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，居民生活水平發(fā)生了質(zhì)的變化，特別是十八大之后，在精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施之下，公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更加完善，不僅是大中城市的城區(qū)居民，就連中小城市、縣城及大多數(shù)的村鎮(zhèn)居民也開始喝上了安全的自來水。自來水作為城市的“血液”，是公共服務(wù)行業(yè)中最為關(guān)鍵和重要的組織，而城市供水管網(wǎng)作為城市血液的輸送動脈，重要性自然不言而喻。但是，由于管網(wǎng)老化、居民用水量和壓力要求的多樣化以及應(yīng)急管理水平的相對落后等多方面因素的綜合影響，導(dǎo)致“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是大口徑管道的爆管，給城市公共管理水平的提升帶來了巨大的挑戰(zhàn)，既是學(xué)者專家關(guān)注的研究熱點問題，同樣是供水企業(yè)迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

1 爆管的機理研究

1.1 管道材質(zhì)與應(yīng)力作用

目前，我國城市主干管網(wǎng)的大口徑管道多數(shù)是鑄鐵管為主，國家標(biāo)準(zhǔn)為2 MPa的壓力要求，但是，因為城市供水中多數(shù)的用戶管網(wǎng)出口壓力要求一般在0.7 MPa及以下，因此，在鑄鐵管的生產(chǎn)中為了追求產(chǎn)量效率和經(jīng)濟效益，很多鑄管企業(yè)開始將原來的離心澆注的金屬工藝流程變成了連續(xù)澆注的金屬工藝。沉沒成本低、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)勞動環(huán)境好以及冷卻速度快等優(yōu)點使得后者的工藝流程成了很多鑄管企業(yè)的生產(chǎn)方式。同時，殘留應(yīng)力、材質(zhì)不均勻等缺點使得后者生產(chǎn)的鑄鐵管會在高壓承受、劇烈震動、水錘效應(yīng)的沖擊以及不均勻的沉降等方面發(fā)生管體受損，并且，氣泡、殘渣也更容易滯留在管壁的內(nèi)部，致密性相對差一些。這樣一來，當(dāng)管壁發(fā)生水壓劇烈變動帶來的內(nèi)壓承受引起環(huán)向拉應(yīng)力、外部受到壓力作用而引起了環(huán)向彎曲壓力以及土體的移動和升降而引起縱向的彎曲應(yīng)力或承口開裂應(yīng)力，長時間的累積作用，管道局部就會發(fā)生承口開裂、側(cè)向開裂、縱向開裂或環(huán)口拉裂等問題以致使爆管問題發(fā)生。

1.2 接口問題

目前，我國城市管網(wǎng)的大口徑管道接口問題處理中，一般以剛性的承插式為主。由于承接口處的管道具有承口、插口雙壁道，當(dāng)受到內(nèi)部水壓改變或外部荷載的壓力時，承口受拉而伸脹但插口受壓而壓縮，極其容易導(dǎo)致兩者發(fā)生擠壓等問題引起應(yīng)力集中，而鑄鐵管的固有金屬特性使得它在柔性方面嚴(yán)重不足就會發(fā)生割裂而引起爆管事故的發(fā)生。

1.3 內(nèi)外部腐蝕

因為管道長時間的埋在地下，管道周邊的土壤環(huán)境中的電解質(zhì)、化學(xué)物質(zhì)等多種因素的綜合作用極易使得管道外壁受到腐蝕而變薄和強度下降，同時，管道內(nèi)壁因為余氯等各種微量的化學(xué)物質(zhì)對其發(fā)生腐蝕作用。在內(nèi)外壁受到腐蝕的同時，產(chǎn)生了一定量的管垢之后，成了微生物寄生的港灣，在水中有機物營養(yǎng)物質(zhì)的催化之下，細(xì)菌極其容易繁殖而加劇了管道內(nèi)外壁的腐蝕。久而久之，跑、冒、滴、漏問題時有發(fā)生進而導(dǎo)致爆管事故。

1.4 水錘和氣囊效應(yīng)

長距離、大口徑的供水管網(wǎng)由于水量的變化和水壓的變化，在經(jīng)過地形高低起伏不平的地段時，就會因為沒有足夠的或安裝位置不合理的排氣閥和泄水閥等必要的裝置起到應(yīng)有的作用，隨著溫度和水流速度的變化等，使得管道內(nèi)部的氣體時而發(fā)生壓縮時而發(fā)生膨脹帶來了壓力變化幅度的擴大或壓力變化周期的縮短，這樣就會對管壁內(nèi)部造成激烈持續(xù)而頻繁的沖擊，是造成大口徑管道爆管的主要原因之一。再者，由于突發(fā)事件而關(guān)閉閥門或停水時的操作不當(dāng)?shù)仍?，管道?nèi)出現(xiàn)負(fù)壓或水流倒流等，同樣會使管道內(nèi)壁發(fā)生劇烈的沖擊，造成水錘效應(yīng)而對管網(wǎng)造成巨大的損害。

1.5 施工挖斷或挖爆

因為當(dāng)前我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷實施，各個施工單位挖斷電纜、挖斷供水管道等問題時有發(fā)生。再者，因為周邊的施工開挖土方，極易使周邊的地基環(huán)境發(fā)生破壞，帶來了地面升降，使得供水管網(wǎng)發(fā)生了位移、不均勻沉降，進而帶來了管道局部的破裂等，據(jù)不完全統(tǒng)計，這樣的人為因素是城市供水管網(wǎng)發(fā)生爆管的主要誘導(dǎo)因素之一。

2 爆管的危害

對于任何一個城市而言，供水管網(wǎng)就是城市的血管，自來水就是城市的血液，即使是幾小時的停水也會給居民帶來工作和生活的不便，造成不小的損失。比如，2003年8月，哈爾濱市人和世紀(jì)廣場因為局部供水管網(wǎng)的爆管，造成了大面積的塌方，導(dǎo)致13人死亡的重大事故發(fā)生；2010年11月鄭州西環(huán)路立交橋大口徑供水管道發(fā)生爆管，水流蔓延500多m，水深50多cm，影響到周邊區(qū)域80多萬居民的用水。爆管造成的危害可以總結(jié)為以下兩點。

2.1 直接危害

大量的自來水外溢到路面，給行人和區(qū)域之內(nèi)的居民出行帶來了極大的不便，影響了交通的正常運行，并且，造成了水資源的大量浪費和損失。再者，水流極有可能淹入倉庫、電纜井、居民區(qū)以及地下室等地方，造成財產(chǎn)損失和其他的負(fù)面影響。

2.2 間接危害

大量的自來水外溢到路面，極有可能造成路面地基的破壞，造成塌方的更大事故的發(fā)生，進而發(fā)生人員傷亡的事故。停水造成了醫(yī)院或工廠等重要生產(chǎn)單位的工作職能不能正常運行，間接導(dǎo)致了各種損失的造成。

3 大口徑管道安全運行及爆管預(yù)警和搶修對策

大口徑爆管事故的發(fā)生，除了人為因素施工挖斷之外，一般是一個長期連續(xù)而動態(tài)的過程，是管道日積月累受到了壓力變化和水流變化的內(nèi)部沖擊和外部環(huán)境發(fā)生改變而管道外壁受到擠壓和變形的結(jié)果，是量變引起質(zhì)變的過程。因此，在供水管網(wǎng)安全運行及爆管預(yù)警和搶修是一個系統(tǒng)的整體的流程，防患于未然，將事故扼殺在萌芽之中，即使發(fā)生爆管事故，也將事故的應(yīng)急搶修流程進行科學(xué)化及時化升級改進，將損失限定在最小范圍之內(nèi)，是城市供水安全保障的必要前提。

3.1 GIS系統(tǒng)的構(gòu)建與完善

目前的城市供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的計算機錄入、修改；對管線及各種設(shè)施進行屬性查詢、空間定位以及定性、定量的統(tǒng)計、分析；對各類圖形(包括管線的橫斷面圖和縱斷面圖)及統(tǒng)計分析報表顯示和輸出。GIS應(yīng)用于供水系統(tǒng)所產(chǎn)生的功效還遠(yuǎn)不止于此。因此，GIS在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，就不能僅僅作為一個圖形庫和數(shù)據(jù)庫只是停留在管網(wǎng)日常管理的水平上，還應(yīng)該利用GIS分析、模擬與預(yù)測的強大功能，與專業(yè)理論、方法相結(jié)合，進行深度開發(fā)，為管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、各種運行狀態(tài)下的優(yōu)化調(diào)度以及事故搶修等提供決策支持。

在GIS更多功能的利用開發(fā)方面，應(yīng)當(dāng)結(jié)合城市供水的實際需求，根據(jù)既有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料等客觀科學(xué)合理的歷史信息，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對管網(wǎng)的運行動態(tài)進行模擬。在具體的實施過程中，利用GIS的數(shù)字高程模型，將管網(wǎng)的壓力、流量和速度等關(guān)鍵的動態(tài)數(shù)據(jù)以即時的動態(tài)模擬形式通過三維的圖形直觀地展現(xiàn)出來，并進行實際的數(shù)據(jù)監(jiān)測對比，對模型進行修正以提升精度。在此基礎(chǔ)上，合理設(shè)置測壓點、開關(guān)閥門和排氣閥等必要的設(shè)施裝置，進行壓力水量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的預(yù)警。

3.2 加快管網(wǎng)設(shè)施的更新改造升級

從各大城市歷年的大口徑供水管道爆管統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，爆管多發(fā)生在舊城區(qū)的舊管網(wǎng)區(qū)域。因此，對舊管網(wǎng)進行改造升級是減少大口徑爆管事故發(fā)生的關(guān)鍵之所在。并且，根據(jù)筆者的前述分析，應(yīng)當(dāng)在管材上更多的選擇離心球墨鑄鐵管或鋼管，嚴(yán)格按照國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行材料的選擇采購、施工安裝，做到材料過關(guān)、施工過關(guān)和后續(xù)的維護保養(yǎng)過關(guān)。同時，在運輸過程中、倉庫存儲過程中，嚴(yán)格按照各個設(shè)施裝備的自有特性和材料屬性進行科學(xué)合理的存放運輸，從采購、入庫、出庫、安裝施工和后續(xù)的維護保養(yǎng)以及智能化GIS的動態(tài)監(jiān)測每一個環(huán)節(jié)都要做到規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，不在任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生問題，確保城市供水供水管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。