南方某城市地下綜合管廊應(yīng)急排水設(shè)計思考

符 威,玉旭日,龍志宏,柳君俠,,*,王 琦

(1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,廣東廣州 510006;2.廣州市自來水有限公司,廣東廣州 510600)

市政給水管道是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,而在日常生活中,給水管道的爆管事故普遍存在,具有突發(fā)性強、危害大、影響面廣的特點。 2022年廣州南洲水廠給水主管發(fā)生爆漏,海珠區(qū)、越秀區(qū)部分區(qū)域、天河區(qū)珠江新城、員村一帶等供水壓力將有明顯波動,出現(xiàn)停水現(xiàn)象。 爆管不僅造成公共財產(chǎn)的重大損失,也為民眾的生活帶來諸多不便。 給水管道是剛性入廊管線之一,在地下綜合管廊中,由于多種管線并存,爆管事故造成的影響和帶來的損失更大。 因此,爆管應(yīng)急排水設(shè)施在管廊建設(shè)過程中應(yīng)予以重點考慮。 然而,目前國內(nèi)各綜合管廊的排水系統(tǒng)在設(shè)計時僅只考慮了管廊及給水管滲水的情況,預(yù)留的排水泵站規(guī)模較小,并未考慮爆管時應(yīng)急排水需求。 此外,現(xiàn)行《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)[1]僅對管廊日常排水設(shè)施作相關(guān)說明(比如設(shè)置排水明溝、集水坑等),而并未對應(yīng)急排水作較為明確的指導(dǎo)說明。 因此,探究爆管應(yīng)急排水技術(shù)是管廊給水管道安全運行亟待解決的關(guān)鍵問題。

本研究以南方某城市地下深埋綜合管廊為例,綜合考慮管廊開口處進水、管廊結(jié)構(gòu)縫處滲漏水、管廊接出口滲漏水、管廊內(nèi)沖洗排水、檢修放空排水、供水管道滲漏水和事故爆管排水7 種情況下的排水,針對不同規(guī)模的爆管漏失面積,提出了相應(yīng)的應(yīng)急排水設(shè)施,其中包括排水泵的設(shè)置及型號選擇。此外,本文研究建立了管廊內(nèi)給水管爆漏應(yīng)急預(yù)案,提出了爆管突發(fā)事件的監(jiān)測要求和應(yīng)急處置流程,以期最大限度地減少突發(fā)性爆管造成的影響。 研究成果對綜合管廊供水管道安全運行及應(yīng)急排水設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

1 管廊基本情況

如圖1(a)所示,南方某市管廊位于中心城區(qū),屬于環(huán)形綜合管廊,總長度為45.7 km,全部采用地下敷設(shè)方式,共設(shè)46 座出地面井。 根據(jù)目前設(shè)計方案,管廊內(nèi)徑為5.4 m,外徑為6 m,采用上下分艙,上部電力艙,下部給水通信艙,規(guī)劃預(yù)留一條DN1600 給水管管位,具體布局可參考圖1(b)。 規(guī)劃給水管道的功能定位為加強該市各大自來水廠的互聯(lián)互通,形成中心城區(qū)的應(yīng)急供水高速通道,有效保障中心城區(qū)的供水生命線安全,增強城市的防災(zāi)抗災(zāi)能力。

圖1 (a)管廊工程線路及(b)管廊斷面Fig.1 (a)Utility Tunnel Project and (b)Utility Tunnel Section

管廊埋深較大,井底平均埋深為24.3 m,最大埋深為47 m,規(guī)劃給水管運行壓力較高(0.5 ～0.8 MPa),在管道最低點容易出現(xiàn)爆管。 一旦出現(xiàn)爆管,將對管廊結(jié)構(gòu)本體以及管廊內(nèi)其他管線造成極為嚴重的破壞。 由于管廊的排水系統(tǒng)在設(shè)計時僅考慮日常排水,不能滿足給水管爆漏快速排水需求。因此,針對本項目開展應(yīng)急排水研究是當務(wù)之急,研究成果亦可為同類管廊給水管道運行時的安全性提供借鑒意義。

2 管廊內(nèi)排水量計算方法

管廊在7 種情況下的排水量計算如下。

(1)管廊開口處進水

綜合管廊開口處進水包括吊裝口、通風(fēng)口、出入口等[2]。 本項目中,出入口和吊裝口平時會遮蓋,因此,只需對通風(fēng)口的進水進行計算。

某市暴雨強度計算如式(1)。

其中:q——暴雨強度,L/(s·hm2);

P——設(shè)計重現(xiàn)期,年;

t——降雨歷時,min。

依據(jù)《電力電纜隧道設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5484—2013)[3]第10.0.3 條,重現(xiàn)期P=50。 本項目中t取60 min,則計算得暴雨強度為267.88 L/(s·hm2)。

根據(jù)暴雨強度和通風(fēng)口面積即可計算出管廊開口處進水流量。

(2)管廊結(jié)構(gòu)縫處滲漏水

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》 (GB 50838—2015)[1]及《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GB 50108—2008)[4]相關(guān)要求,管廊的滲漏量如式(2)。

其中:Q漏——滲漏水量,m3/s;

A——管廊計算區(qū)間面積,m2;

q漏——平均滲水量,L/(m2·d),取0.05 L/(m2·d)。

根據(jù)相關(guān)資料,管廊面積總和為1 049 854.47 m2,計算可得滲漏水量為52 492.73 L/d。

(3)管廊接出口滲漏水

綜合管廊各管線接出口通常設(shè)有防水套管,滲漏水量較少,可忽略不計。

(4)管廊內(nèi)沖洗排水

參照道路澆灑水量標準(2.0 ～3.0 L/m2)對管廊進行沖洗,單次沖洗水量計算如式(3)。

其中:Q沖1——管廊單次沖洗水量,m3/s;

q沖——單次沖洗水量,取2.0 L/m2。管廊面積總和為1 049 854.47 m2,單次沖洗水量為583.25 L/s。

(5)管道檢修放空排水

給水管道運行前、長期停水恢復(fù)供水前需要沖洗消毒,根據(jù)文獻[5]相關(guān)計算方法,管道沖洗水量如式(4)。

其中:Q沖2——管道沖洗水量,m3/s;

D——管道直徑,m;

v——管道沖洗平均流速,m/s,取1.0 m/s;

T——管道沖洗時間,s。

(6)供水管道滲漏水

一般管道接口不允許出現(xiàn)滲漏水,且在管廊全線都會設(shè)置有監(jiān)控,當看到供水管道有滲漏情況時可及時關(guān)閉管段兩端的隔斷閥對管道進行檢修,因此,管道接口滲漏水在排水量計算時可以忽略不計。

(7)供水管道事故爆管排水

供水管道爆管的水量大小與滲漏面積有關(guān),而現(xiàn)有典型的爆管滲漏量計算公式如表1 所示。

表1 管道爆管滲漏量計算公式Tab.1 Calculation Formula of Pipeline Burst Leakage

根據(jù)以上分析可知,管廊的日常排水對象主要為管廊開口處進水、管廊結(jié)構(gòu)縫滲漏水、管廊內(nèi)沖洗排水3 種;管廊接出口滲漏水、管道滲漏水可以忽略不計;管道檢修放空排水可通過可充分利用管道的日常排水功能,通過調(diào)節(jié)閥門排放無需額外考慮;而管道事故排水屬于應(yīng)急排水,根據(jù)爆管面積的改變,使排水量發(fā)生變化,應(yīng)予以重點考慮。

3 管廊應(yīng)急排水措施

針對管廊給水管道爆管排水,考慮以下3 種應(yīng)急方案。

(1)在日常排水設(shè)施選泵時適當放大流量,使之具有一定的爆管排水能力。 以本項目管廊為例,在管廊工作井廢水坑和區(qū)間最低點廢水坑各設(shè)置兩臺排水泵,日常工作時1 用1 備,依次輪換工作,發(fā)生爆管時兩臺泵同時使用,可應(yīng)對較小面積滲漏時應(yīng)急排水(爆管滲漏面與管道橫截面之比為1 ∶1 000～1 ∶100)。 比如管廊日常排水系統(tǒng)的工作井最大流量不超過80 m3/h;若水泵設(shè)計流量適當放大到100 m3/h,日常工作時1 用1 備;而發(fā)生爆管時,兩臺泵同時工作可滿足DN1600 管段滲漏面之比(1 ∶500)的應(yīng)急排水量,也可以滿足DN1200管段滲漏面之比(1 ∶300)的應(yīng)急排水量。 具體實施來說,集水坑中設(shè)4 個水位,如圖2 所示:①低水位報警,同時控制回路應(yīng)保證水泵均處于停泵狀態(tài);②當水位達到停泵水位時,兩臺泵均停止工作;③當水位上升達一泵開泵水位時,第一臺泵開啟;④當水位上升達二泵開泵水位時,控制回路應(yīng)保證兩臺泵都處于運行狀態(tài),同時發(fā)出超高水位報警信號。 由圖2 可知,管廊中的污水經(jīng)集水槽匯入集水井后,由區(qū)間排水泵和工作井廢水泵抽排至市政污水管,該段排水管管徑的選擇同樣重要。 金屬管內(nèi)的最大流速不宜大于10 m/s,選擇管徑較小的管道,在大流量時,管道可能由于流速過大發(fā)生爆管;而選擇管徑較大的管道,成本相應(yīng)會增加。 在本項目中,排水管道已鋪設(shè)DN200 金屬管道,可供日常排水及爆管排水直接使用。

圖2 排水泵的啟停示意圖Fig.2 Start and Stop for Discharge Pumps

(2)在爆管面積增大的情況下(爆管滲漏面與管道橫截面之比為1 ∶100 ～1 ∶10),僅僅依靠日常排水泵無法及時排出爆管水量。 在這種情況下,可考慮在工作井配備一臺大流量的應(yīng)急排水泵,在發(fā)生中等程度爆管時能夠及時地將水排水,避免管廊中的通信電纜等電纜較長時間浸泡在水中,影響使用或產(chǎn)生安全性問題。 本項目工作井空間較為寬敞,在易爆點兩側(cè)工作井各配備一臺大流量高揚程的應(yīng)急排水泵,可滿足一定程度的應(yīng)急排水需求。比如在易爆管段兩端工作井各配備一臺設(shè)計流量為1 000 m3/h 的應(yīng)急水泵,可滿足DN1600 管段滲漏比約為1 ∶50 的應(yīng)急排水量,也可以滿足DN1200管段滲漏比約為1 ∶30 的應(yīng)急排水量。 在具體排水過程中,可利用管廊中現(xiàn)有的排水管道,在工作井處的排水管上設(shè)置一個三通接口,以便在爆管時,能把應(yīng)急排水泵的出水口與排水管連接。 此外,在配備應(yīng)急水泵的同時,每臺水泵配備長度為1 000 m 左右的吸水軟管(DN400),以供爆管時應(yīng)急排水水泵吸水用。

(3)在爆管面積較大的情況下(爆管滲漏面與管道橫截面之比大于1 ∶10),除了應(yīng)急排水泵,需要額外考慮其他的輔助排水措施。 簡單可行的做法是,在接到爆管預(yù)警信息后,快速調(diào)度移動排水車到達事故處地面進行協(xié)助排水作業(yè),快速抽出積水。比如移動排水車采用兩臺設(shè)計流量為10 000 m3/h的排水泵,可滿足DN1600 管段滲漏比約為1 ∶5 的應(yīng)急排水量,也可以滿足DN1200 管段滲漏比約為1 ∶3 的應(yīng)急排水量。

4 爆管預(yù)警系統(tǒng)

給水管道安全預(yù)警技術(shù)必不可少。 針對本項目給水管道系統(tǒng),可考慮以下設(shè)備監(jiān)控。

在供水管道的關(guān)鍵位置間距0.8 ～1.0 km 處安裝高頻壓力計和水竊聽計,高頻壓力計和水竊聽計安裝在閥門井中,高頻壓力計監(jiān)測和識別水錘(壓力瞬變)信號,主要包括閥門的開啟、水泵的停啟以及大用戶用水引起的流量波動造成的水壓波動情況。 借助高頻壓力計、水竊聽計采集管網(wǎng)中的壓力、聲音和流量數(shù)據(jù),通過信號分析算法及機器學(xué)習(xí)算法識別管線中的壓力瞬變、異常噪聲及流量變化,監(jiān)測管線中的現(xiàn)存漏點和新增漏點,快速定位爆管區(qū)域。 此外,高頻壓力計和水竊聽計數(shù)據(jù),能夠初步判斷排氣閥是否正常工作,或者確定排氣閥是否因密封失效導(dǎo)致漏水。 一旦發(fā)生異常,即歷史未發(fā)生過的壓力變化,系統(tǒng)將自動報警,提示用戶關(guān)注異常事件,提高管理水平,實現(xiàn)精細化管理。 工作流程如圖3 所示。

圖3 爆管預(yù)警系統(tǒng)流程Fig.3 Flow of Pipeline Burst Warning System

本供水管道在正常情況下水齡較長,因此,需要在局部節(jié)點安裝水質(zhì)檢測儀EXO(電極插入式安裝),為了對原水管線和配水管網(wǎng)進行高精度的雙向流量測量,安裝成本低但利用效率高的流量計。水質(zhì)檢測儀EXO 能夠提供水質(zhì)異常報警,組合各種水質(zhì)檢測及運行指標(如渾濁度、氧化還原電位、pH、電導(dǎo)率、溫度等),并在空間上關(guān)聯(lián)到地理區(qū)域內(nèi)發(fā)生的水質(zhì)事故。 管線上的流量計接入相關(guān)檢測平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)長距離管線的流量監(jiān)控功能。

本綜合管廊的工作井平均間距為1 km 左右,因此,在工作井處設(shè)置隔斷閥可以滿足管道系統(tǒng)隔離檢修的需求,且方便閥門的檢修與維護。 此外,在給水管道的最低處設(shè)置排泥閥,在最高處設(shè)置排氣閥,以保證管道的安全運行。 爆管檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析中心根據(jù)給水管道系統(tǒng)中安裝的高頻壓力計、水竊聽計、流量計等檢測設(shè)施反饋的數(shù)據(jù)判斷管道是否產(chǎn)生異常。 若數(shù)據(jù)異常則根據(jù)算法定位爆管區(qū)域,并發(fā)出警報并傳達給管理人員,管理人員得到消息后及時響應(yīng),關(guān)閉爆管點兩側(cè)工作井處的隔斷閥。當高頻壓力計和流量計的變化較小,則其爆管水量較小,爆管水量由排水渠流入集水坑中,日常排水泵根據(jù)集水坑中的水位情況而啟動,其具體工作情況如圖2 所示。 當高頻壓力計和流量計的變化較大,管理人員發(fā)現(xiàn)兩臺日常排水泵已同時工作但通過管廊中的監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)有積水時,通知并安排工作人員進入工作井中啟動應(yīng)急排水泵;當高頻壓力計和流量計的變化很大,工作人員已進入工作井啟動應(yīng)急排水泵,但管廊中仍有大量積水時,管理人員則需要快速調(diào)度移動排水車到達事故處地面進行排水作業(yè),快速抽出積水。 在控制好爆管點且排掉爆管水量后,及時搶修爆管管段,減少爆管對附近用水的影響。

5 結(jié)論

綜合管廊給水管道爆管具有突發(fā)性強、危害大、影響面廣的特點,但目前在管廊設(shè)計上仍缺乏充分考慮。 本研究以南方某城市地下深埋綜合管廊為例,提出事故爆管時應(yīng)急排水預(yù)案。 研究成果對綜合管廊供水管道安全運行及應(yīng)急排水設(shè)計具有重要的借鑒意義。

(1)針對管廊日常排水,在區(qū)間和工作井廢水集水坑設(shè)兩臺潛污泵,1 用1 備。

(2)發(fā)生爆管時,當爆管面積較小(爆管滲漏面積與管徑橫截面比為1 ∶1 000～1 ∶100),兩臺水泵同時開啟可滿足爆管排水的需求。

(3)當爆管面積增大時(比如滲漏面與管徑橫截面比為1 ∶100 ～1 ∶10),在易爆管兩側(cè)的工作井額外配備一臺大流量的應(yīng)急排水泵,可滿足爆管時排水需求。

(4)當爆管面積較大時(滲漏面與管徑橫截面比大于1 ∶10),應(yīng)在啟動應(yīng)急排水泵工作的同時,快速調(diào)度移動排水車到達事故處地面進行排水作業(yè),快速抽出積水。

(5)給水管道應(yīng)安裝智能報警系統(tǒng),在供水管道的關(guān)鍵位置間距0.8～1.0 km 處安裝高頻壓力計和水竊聽計,通過實時檢測在爆管時能夠快速定位爆管區(qū)域,以期最大限度地減少突發(fā)性爆管造成的影響。