排水管網(wǎng)維護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用

1、排水管網(wǎng)維護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用劉華平 朱軍（上海樂通管道工程有限公司）摘要：本文介紹了管道健康評(píng)估、非開挖修復(fù)、流量測量及水力模型新技術(shù)，該技術(shù)能夠提高排水管網(wǎng)管理與維護(hù)效率，增強(qiáng)排水管網(wǎng)運(yùn)行的安全性。關(guān)鍵詞：cctv檢測 聲納檢測 非開挖修復(fù) 流量測量 水力模型城市排水設(shè)施是城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，搞好城市排水管理對(duì)城市的環(huán)境保護(hù)、城市的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要的意義。城市管網(wǎng)系統(tǒng)猶如人體的循環(huán)系統(tǒng)一樣，人有了病要診斷和醫(yī)治，同樣管道出現(xiàn)了問題需要檢測和修復(fù)。隨著人們對(duì)城市環(huán)境要求的逐步提高，現(xiàn)階段對(duì)排水系統(tǒng)的運(yùn)行管理和維護(hù)提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、自動(dòng)化的運(yùn)行，是擺在排水行業(yè)管理

2、者面前的一道難題。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，排水行業(yè)的管理者不斷調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行管理方案，以期充分挖掘管網(wǎng)系統(tǒng)的潛力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源的最大化利用。1排水管網(wǎng)管理與維護(hù)現(xiàn)狀排水管道肩負(fù)著收集、輸送城市雨污水的重任。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至到2004年，我國已建成城市排水管線總長約21.89萬公里。地下排水管線已成為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活保障的生命線，具有舉足輕重的作用。但是，城市排水管網(wǎng)的老化和管理的落后嚴(yán)重制約了社會(huì)的發(fā)展。以上海為例，上海市地下水位很高，管道系統(tǒng)役齡較長?，F(xiàn)有管道系統(tǒng)在管材、接口方式、施工工藝方面抗?jié)B能力差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海市總長4000km的排水管道中，接近和超過耐用年限（30-40年）的約為1200km，

3、占管道總長的30。對(duì)合流一期工程服務(wù)范圍內(nèi)地下水滲入量的調(diào)查顯示1，區(qū)域內(nèi)部分排水系統(tǒng)的地下水滲入量超過污水總量的20。過多的地下水滲入導(dǎo)致現(xiàn)行排水管網(wǎng)運(yùn)行中不堪重負(fù)。由于受管理體制、資金等影響，我國城市管道病害往往在出現(xiàn)初期得不到發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，等到發(fā)展出現(xiàn)重大事故時(shí)才做應(yīng)急處理，這時(shí)已對(duì)國家財(cái)產(chǎn)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失2。并且受技術(shù)手段的限制，對(duì)于眾多存在復(fù)雜問題的管道缺乏有效的維護(hù)辦法。管道健康評(píng)估、非開挖修復(fù)、流量測量與水力模型等技術(shù)提供了管網(wǎng)運(yùn)行和管理中遇到難題的解決方案，豐富了排水管網(wǎng)管理和維護(hù)手段，降低了由于管網(wǎng)出現(xiàn)問題造成的損失。2管道健康評(píng)估技術(shù)21 cctv檢測技術(shù)211 cctv發(fā)展

4、背景管網(wǎng)健康檢查一般采用管道內(nèi)窺電視檢測系統(tǒng)，即cctv（closed circuit television）檢測。 cctv爬行器 檢測結(jié)果圖片管道檢測是進(jìn)行修復(fù)和合理養(yǎng)護(hù)的前提，目的是了解管道內(nèi)部狀況。根據(jù)管道內(nèi)部狀況，可以確認(rèn)管道是否需要修復(fù)和修復(fù)應(yīng)采用何種工法。對(duì)于人員可以進(jìn)入的大管徑管道，從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以派施工人員直接進(jìn)入檢查記錄。而對(duì)于人員無法進(jìn)入的管道，必須采用其他方法?，F(xiàn)今使用最普遍的檢測工具是管道閉路電視檢測系統(tǒng)（簡稱cctv）。該系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，到該世紀(jì)80年代此項(xiàng)技術(shù)基本成熟。通常，cctv系統(tǒng)安裝在自走車上，可以進(jìn)入管道內(nèi)進(jìn)行攝像記錄。技術(shù)人員根據(jù)檢測錄像

5、，進(jìn)行管道狀況的判讀，可以確定下一步管道修復(fù)采用哪些方法比較合適。上海樂通管道工程有限公司是國內(nèi)最早將cctv檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道內(nèi)部狀況檢測的專業(yè)公司，率先在國內(nèi)一些省市如上海、江蘇、浙江、廣東、湖北等開展該類檢測工程，在排水管道健康檢測領(lǐng)域取得了非常好的效果。212 檢測評(píng)估（1）管道結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估ri=0.7f +0.1k +0.05e+0.15t 式中：ri-管道結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估指數(shù)，即修復(fù)指數(shù)f-結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)k-地區(qū)重要性參數(shù) e-管道重要性參數(shù) t-土質(zhì)影響參數(shù) （2）管道功能狀況評(píng)估m(xù)i=0.8g +0.15k +0.05e 式中：mi-管道功能狀況評(píng)估指數(shù)，即養(yǎng)護(hù)指數(shù)g-功能性缺

6、陷參數(shù) k-地區(qū)重要性參數(shù) e-管道重要性參數(shù) （3）評(píng)估結(jié)果分析表2-1 排水管道結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估修復(fù)指數(shù)ri44ri7ri7等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)狀況總體評(píng)估等級(jí)無或有少量管道損壞，結(jié)構(gòu)狀況總體較好，可對(duì)損壞管道作點(diǎn)狀修理或不修復(fù)。有較多管道損壞，結(jié)構(gòu)狀況總體一般，對(duì)損壞管道可作點(diǎn)狀修理或缺陷管段整體修復(fù)。大部份管道已損壞，結(jié)構(gòu)狀總值總體較差，可作更新改造。管段修復(fù)方案點(diǎn)狀修理或不修復(fù)點(diǎn)狀修理或缺陷管段整體修復(fù)。整段緊急修復(fù)或翻新表2-2 排水管道功能狀況評(píng)估養(yǎng)護(hù)指數(shù)mi44mi7mi7等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)功能狀況總體評(píng)估等級(jí)一級(jí)，無或有少量管道局部超過允許淤積標(biāo)準(zhǔn)，功能狀況總體較好，可不養(yǎng)護(hù)二級(jí)，

7、有較多管道超過允許淤積標(biāo)準(zhǔn)，功能狀況總體一般，需局部養(yǎng)護(hù)三級(jí)，大部份管道超過允許淤積標(biāo)準(zhǔn)，功能狀況總體較差，需全部養(yǎng)護(hù)管段養(yǎng)護(hù)方案不養(yǎng)護(hù)局部養(yǎng)護(hù)整體養(yǎng)護(hù)22 聲納檢測技術(shù)聲納是利用聲音進(jìn)行探測的一種工具，聲納技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在排水管道檢測中，如果管道中充滿水，那么管道中的能見度幾乎為零，故無法直接采用cctv進(jìn)行檢測。聲納技術(shù)正好可以克服此難點(diǎn)。將聲納檢測儀的傳感器浸入水中進(jìn)行檢測。和cctv不同，聲納系統(tǒng)采用一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌葘?duì)管道內(nèi)進(jìn)行檢測，聲納探頭快速旋轉(zhuǎn)，向外發(fā)射聲納波，然后接收被管壁或管中物發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，形成管道縱橫斷面圖. 聲納儀 縱斷面圖聲納檢測評(píng)估與cctv檢

8、測相似，故本文中不再重復(fù)。但相比cctv檢測，聲納檢測橫斷面圖像對(duì)輕微的結(jié)構(gòu)性損壞缺陷不是非常明顯，故一般應(yīng)用于判斷嚴(yán)重的管道結(jié)構(gòu)性缺陷或管道積泥情況。3管道非開挖修復(fù)技術(shù)近年來隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，保護(hù)城市道路環(huán)境，維護(hù)城市道路交通正常運(yùn)行越來越引起了全社會(huì)各有關(guān)部門的重視，正象人有了病能保守治療就不做手術(shù)開刀一樣，各類非開挖修復(fù)地下管線技術(shù)如雨后春筍般先后出現(xiàn)，非開挖修復(fù)具有對(duì)道路交通影響小、施工工期短、甚至可以帶水作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)3。縱觀各類非開挖技術(shù)，除了鋪設(shè)新管線的定向鉆技術(shù)和需要舊管網(wǎng)增容的裂管技術(shù)外，舊管網(wǎng)改造修復(fù)基本上都是采用管中管修復(fù)技術(shù)思路，我們通俗地統(tǒng)稱為管中管修復(fù)技術(shù)?，F(xiàn)今

9、國內(nèi)外應(yīng)用較多的管中管技術(shù)主要有cipp（翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法）、rib-loc（螺旋纏繞法）、exlt（不銹鋼發(fā)泡桶法）、pe穿插內(nèi)襯等。31 cipp（翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法）將無紡氈布或有紡尼龍粗紡布與聚乙烯或聚氯乙烯、聚氨酯薄膜復(fù)合成片材，根據(jù)介質(zhì)不同選擇工藝膜，然后根據(jù)被修管道內(nèi)徑，薄膜向外縫制成軟管，并用相同品種薄膜條封住縫合口，排出軟管內(nèi)空氣，加入樹脂，趕壓使樹脂與軟管浸漬均勻，然后利用水或氣將軟管反轉(zhuǎn)進(jìn)入被修管道內(nèi)，此時(shí)軟管內(nèi)樹脂面翻出并緊緊貼在已清洗干凈的被修管道內(nèi)，經(jīng)過一定時(shí)間或溫度，軟管固化成鋼性內(nèi)襯管，從而達(dá)到堵漏、提壓、減阻的管道修復(fù)目的。 壓料 翻轉(zhuǎn)3.2 rib-loc（螺旋纏繞法）該

10、技術(shù)主要是通過螺旋纏繞的方法在舊管道內(nèi)部形成將帶狀通過壓制卡口不斷前進(jìn)形成新的管道，新管道卷入舊管道后，通過擴(kuò)張貼緊舊管壁，最后固定。管道修復(fù)后內(nèi)壁光滑，過水能力比修復(fù)前的混凝土管要好，而且材料占地面積較小，適合長距離的管道修復(fù)。管道可在通水的情況作業(yè)，水深30%通?？烧Ｗ鳂I(yè)。新管道與原有管道之間可不注漿或注漿。 3.3 exlt（不銹鋼發(fā)泡桶法）該工法采用的主要材料為遇水膨脹化學(xué)漿與帶狀不銹鋼片。施工時(shí)將化學(xué)漿涂抹在海綿上，然后將帶有化學(xué)漿的海綿縛在不銹鋼套筒上，拖入管道待修復(fù)位置，通過修復(fù)器將不銹鋼膨脹卡死。修復(fù)后的效果圖34 pe穿插內(nèi)襯該工法采用u型縮徑方法或物理擠縮方法使原本與被修

11、復(fù)管道內(nèi)徑相同的內(nèi)襯pe管外徑縮小，以減少拉入被修復(fù)埋地管道時(shí)的摩阻，保證pe內(nèi)襯管在穿插過程中不被損傷，pe內(nèi)襯管材到位后，兩端密封打壓，使內(nèi)襯pe管快速膨脹，恢復(fù)原型并漲緊在內(nèi)襯管道內(nèi)壁上，形成pe管中管。 pe穿插內(nèi)襯修復(fù)現(xiàn)場以上為現(xiàn)今國內(nèi)外適用較多的非開挖修復(fù)工法，總體來說，各有各的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，具體選擇何種修復(fù)工法需根據(jù)施工條件、工程造價(jià)、社會(huì)影響等因素綜合考慮。4流量測量技術(shù)排水管道流量測量能夠客觀地評(píng)估管道的輸水能力與工作狀況，是正確評(píng)價(jià)管道系統(tǒng)運(yùn)行狀況的重要依據(jù)，能提供建立水力模型所需的管網(wǎng)荷載數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的目的可以分為短期流量測量、中期流量測量和長期流量測量4。短

12、期流量測量主要用于短期管道流量調(diào)查，為管網(wǎng)系統(tǒng)局部問題提出解決方案，有利于管網(wǎng)系統(tǒng)的及時(shí)維護(hù)和現(xiàn)場管理，另外還用于管網(wǎng)水力模型的率定；中期流量測量主要對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)，一般要持續(xù)9個(gè)月或者1年；長期流量測量主要為了獲取管網(wǎng)系統(tǒng)長期運(yùn)行的數(shù)據(jù)，掌握管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行周期，紀(jì)錄最大流量，為管網(wǎng)系統(tǒng)的長期管理和維護(hù)制定計(jì)劃。借助管道流量計(jì)可以24小時(shí)連續(xù)測量管道內(nèi)水位、流速和流量。由于短期流量測量的具有速效性、實(shí)用性、可比較性及經(jīng)濟(jì)型等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段國內(nèi)外主要致力于這方面的研究和應(yīng)用。 流量計(jì)管道流量測量分晴天（旱流）流量測量和雨天流量測量。管道流量測量主要監(jiān)測管道內(nèi)污水的流速、水位及流量等

13、數(shù)據(jù)，為管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、管理和維護(hù)提供第一手資料。注： *“l(fā)evel1”為5月27日0點(diǎn)至5月28日0點(diǎn)管道內(nèi)水位隨時(shí)間變化曲線*“l(fā)evel2”為5月28日0點(diǎn)至5月29日0點(diǎn)管道內(nèi)水位隨時(shí)間變化曲線2006年5月杭州玉古路排水管道水位變化圖5水力模型建立與應(yīng)用技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家在累積廣泛經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)水文水力學(xué)基礎(chǔ)理論，結(jié)合gis（地理信息系統(tǒng)）、mis（管理信息系統(tǒng)）、eis（專家信息系統(tǒng)），開發(fā)了計(jì)算機(jī)模型用于模擬城市排水系統(tǒng)，輔助設(shè)計(jì)和管理排水工程。計(jì)算機(jī)模擬是排水系統(tǒng)規(guī)劃、改造與新項(xiàng)目建設(shè)的基礎(chǔ)。發(fā)達(dá)國家已實(shí)行的區(qū)域土地開發(fā)、排水系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目立項(xiàng)，均要首先通過排水

14、管網(wǎng)模型評(píng)估的建設(shè)項(xiàng)目管理程序。我國的世界銀行貸款項(xiàng)目，按國外咨詢公司的要求也開始執(zhí)行這一程序。排水管網(wǎng)的水質(zhì)模擬是建立在水力模型基礎(chǔ)之上的，它可以動(dòng)態(tài)的監(jiān)測管網(wǎng)中的水質(zhì)變化情況。上海、杭州、廣州等地區(qū)已經(jīng)開始了水力模型方面的應(yīng)用研究，取得了良好的效果。管網(wǎng)水力學(xué)模型模擬已成為確定不同類型排水系統(tǒng)雨天出流水量的有力工具。排水管網(wǎng)的水力模型是利用已有管網(wǎng)信息，包括管道參數(shù)、排水區(qū)域與泵站等設(shè)施的狀況，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬不同條件下管網(wǎng)的運(yùn)行狀況。由此獲得設(shè)計(jì)降雨情況下的泵站水位、流量模擬值，判斷可能存在的問題。找出管網(wǎng)中流量的瓶頸點(diǎn)，為水澇問題的解決提供可靠的依據(jù)。對(duì)排水系統(tǒng)管網(wǎng)及其構(gòu)筑物進(jìn)行優(yōu)化

15、設(shè)計(jì)，充分估計(jì)管網(wǎng)可利用容積，為調(diào)蓄池等雨水控制構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案。對(duì)于已經(jīng)存在的如積水、合流制溢流問題，可以通過模擬排水系統(tǒng)找出癥結(jié)之所在，并提出解決方案。對(duì)于新建的排水系統(tǒng)，本著最優(yōu)化雨水管理方法，模型能對(duì)不透水面積控制、滲透地面、就地調(diào)蓄等措施的設(shè)計(jì)提供最優(yōu)方案。西方發(fā)達(dá)國家利用模型進(jìn)行雨水管理已經(jīng)具備相當(dāng)多的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，許多大城市結(jié)合當(dāng)?shù)嘏潘到y(tǒng)的gis等數(shù)據(jù)庫，都已建立了完備的排水系統(tǒng)模型，并且逐步發(fā)展到利用在線模型進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，優(yōu)化排水泵站管理等，做到充分利用系統(tǒng)容積，達(dá)到成本效益最大化。51 水力模型的原理市政下水道排水管網(wǎng)計(jì)算機(jī)水力學(xué)模型建立的基本原理是：采用有限元法，將

16、管網(wǎng)系統(tǒng)分解為一個(gè)個(gè)微小的獨(dú)立單元，建立各單元的st.venant方程，求解聯(lián)立非線性方程組，從而進(jìn)一步推算管段流量、水位等參數(shù)的變化趨勢(shì)。由于st.venant方程滿足能量守恒、動(dòng)量守恒和水的不可壓縮性，所以排水管網(wǎng)計(jì)算機(jī)水力學(xué)模型可以較為精確的計(jì)算排水管網(wǎng)的重力流水力學(xué)特性、滿管流水力學(xué)特性、壅水現(xiàn)象、管道中的水力坡降線、控制構(gòu)筑物中的流態(tài)、樹狀和環(huán)狀管網(wǎng)的水力學(xué)特性等。52 水力模型的建立目前商業(yè)的排水系統(tǒng)計(jì)算機(jī)水力學(xué)模型軟件有許多，如： xpswmm (澳大利亞)、mouse (dhi, 丹麥)、infoworks (英國)、pc swmm (加拿大)、 sewercat (美國)等。

17、由于水力模型商用軟件功能大體相似，本文中僅選取丹麥的mouse軟件進(jìn)行模型的建立分析。建立排水管網(wǎng)計(jì)算機(jī)水力學(xué)模型的工作分為管網(wǎng)建模、荷載建模和邊界條件建模三部分。53 水力模型的驗(yàn)證模型的驗(yàn)證是采用不同的降雨事件進(jìn)行模擬，將模型的模擬結(jié)果和實(shí)際情況進(jìn)行比對(duì)，以確認(rèn)模型的正確性。并對(duì)模擬結(jié)果和真實(shí)結(jié)果之間的誤差進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致誤差的原因54 水力模型的應(yīng)用通過模擬某一排水流域的水力狀態(tài)，可以獲得整個(gè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和管理提供可靠的依據(jù)，為防汛預(yù)警取得時(shí)間。541 水位分析通過在模型中輸入入流流量，可以獲得下游管網(wǎng)的水位情況。下圖為軟件模擬后的分析圖。管道水位 水力坡降圖542 流速分析水力模型可以模擬管網(wǎng)中的流速變化。圖3.3為軟件模擬后得出的結(jié)果圖。圖形中不同的顏色代表不同的流速。流速分布示意圖543 積水分析通過軟件模擬，可以得出某一降雨強(qiáng)度下發(fā)生地面積水冒溢點(diǎn)。地面積水點(diǎn) 地面積水點(diǎn)6結(jié)語科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。實(shí)際證明，應(yīng)用管道健康評(píng)估、非開挖修復(fù)及流量監(jiān)測與水力模型等高新技術(shù)能大大提高排水管網(wǎng)管理和維護(hù)效率，為排水管網(wǎng)診斷、維護(hù)、分析和評(píng)價(jià)提供了