供水管網的爆管原因分析與爆管定位研究

陳康偉

(北海市供水有限責任公司， 廣西 北海 536000)

供水管網是城市重要的基礎設施之一，與城市的運轉息息相關，它保障著城市的居民生活用水、公共服務、生產運營、消防用水。但供水管網在運行過程中，經常因為管道年久老化腐蝕、管材質量差、排氣閥失效、水壓過大、暴雨天氣導致地面沉降、道路開挖施工等發生爆管事故。爆管事故會造成幾方面危害：一是路面塌方，影響地面建筑物、行人和車輛的安全；二是損壞市政電力管線、燃氣管道、通信管道、雨污水管道，浪費大量的水資源；三是影響人們的生產生活，造成較大的經濟損失。

某市現擁有3座自來水廠，分別是北郊水廠、龍潭水廠、禾塘水廠。該市供水管網始建于20世紀80年代，截至2019年管網總長度達930 km，DN400～ DN1 200主干管道長度達277 km，占比30 %，其中鋼筋混凝土、PE、鑄鐵管的爆管率最高。鋼筋混凝土管長度為55 km，建設年份在1985年至2008年之間；鑄鐵管長度為4 km，建設年份在1985年至2002年之間；PE管長度為24 km，建設年份在2007年至今。主干管中鋼筋混凝土管的長度占比最高、管齡最大，是供水管網中最敏感脆弱的部位。

該市供水管網近年來出現多起主干管的爆管事故，造成較壞的社會影響，且浪費大量水資源，對爆管的準確定位提出了更高的要求。快速定位爆管點位置有三個好處：一是可以及時止損；二是有利于快速制定調度與搶修方案；三是縮短恢復正常供水的時間，減少社會影響。以往憑借SCADA系統測壓點的最大壓降值判斷爆管位置不夠準確，尤其是管道暗漏或凌晨時段發生的爆管事故，往往會增加爆管定位的難度，延誤搶修時間，所以精準定位爆管位置顯得極其重要。由于小管徑管道爆管對測壓點壓力產生的壓降值較小，故本文只對DN400～DN1 200口徑的主干管作爆管定位分析。

1 爆管原因分析

1.1 日均供水量快速增長

近幾年來，隨著城市快速發展，用水量激增，三大水廠之一的北郊水廠逐漸提高供水量。市區的日均供水量由2017年的13.2×104m3/d增長至2019年的20.4×104m3/d，增長了55%，雖然滿足了城市大部分片區的水量和水壓需求，但是使供水管網處于高負荷運行的狀態。北郊水廠出廠總管附近的工業園區測壓點壓力達到0.45 MPa以上，其它地區測壓點的平均壓力在0.3 MPa，超過國家標準規定的市政管網最低水壓0.28 MPa，容易誘發爆管事故。SCADA系統的歷史數據顯示，DN400～DN1 200主干管爆管次數隨著水量和水壓的增加呈現遞增的趨勢，由2017年的5次增加到2019年的10次。說明供水量上升是引起主干管爆管次數增加的主要原因之一。

1.2 臺風、暴雨天氣

該市的氣候條件為亞熱帶海洋性季風氣候，每逢夏季7—9月，臺風、暴雨天氣高發。2019年8月，分別有3 d暴雨、4 d大雨、14 d中小雨天氣。特別是2019年第七號臺風“韋帕”于8月2日登陸該市，造成強風暴雨天氣。頻繁的雨天使地面積水過多，導致土壤被浸泡變軟，土壤發生沉降。由于鋼筋混凝土管、鑄鐵管管壁脆，容易被土壤擠壓拉扯產生變形破裂，承插口連接處易脫節。2016—2019年的7—9月總計發生13起爆管事故，其中2019年8月出現5次爆管事故，為近3年單月爆管的最高紀錄。由此可見，臺風暴雨天氣是引起爆管事故的重要因素。

1.3 排氣閥失效問題

管道在運行過程中，水中的氣體極易在管道高點集聚形成氣囊，經不斷壓縮和擴張后，超過正常水壓幾十倍，容易造成爆管事故。根據《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)的規定，輸水管道隆起點上應設通氣設施，管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設一座通氣設施。

供水管網GIS數據顯示，DN50～DN150口徑的管道總長度為400 km，不設排氣閥；DN200以上口徑的管道總長度約530 km，設排氣閥432個，具體分布如圖1所示。按間隔1 000 m計算，排氣閥的缺口達98個，其中DN400以上主干管45個，DN200～DN300支干管53個。一般來說，DN50～DN150口徑之間的管道爆管率最高。由于小管徑的水壓更高且未設排氣閥，所以爆管的幾率要遠高于大管徑的管道，這與調度中心和搶修隊伍反饋的爆管數據一致。特別是該市幾乎每天都有DN50～DN150口徑的管道漏水或爆管。

圖1 排氣閥的分布情況Fig.1 Distribution of exhaust valve

2020年的排氣閥普查結果顯示，86個排氣閥無法正常排氣，失效率達19.9%。排氣閥的維護和管理并未受到重視，排氣閥數量不足及無法排氣可能是造成爆管的另一大誘因。

1.4 管網老齡化與管材質量

長期埋設在地下的供水管道由于受到土壤腐蝕和電化學腐蝕的作用，管壁變薄、強度降低，從而增加發生爆管事故的可能性。根據歷史爆管數據統計，爆管事故主要發生在鋼筋混凝土管、鑄鐵管、PE管，排除人為因素破壞，確定爆管位置時應首先考慮這幾種管材的管道。供水管網GIS系統數據顯示，口徑DN600～DN1 200的鋼筋混凝土管分布于全市50 %的主干道上。2016—2019年的爆管數據顯示，90%以上的爆管事故管材為鋼筋混凝土管。由此可見，鋼筋混凝土管為高危管，應首先作為考慮分析主干管爆管的第一選擇。

由于PE管存在質量參差不齊的情況，加上接口熱熔連接的質量較難保證，特別是一些主干道路的主干管因規定不能明挖，只能采取PE管頂管安裝，埋深較深，導致管道易受熱脹冷縮、地基沉降等影響，造成管道爆管。GIS數據顯示，全市80%主干道的交叉路口分布著DN400～DN1 000口徑的PE過路管。根據2017—2019年的歷史爆管數據，10%的爆管事故發生在PE過路頂管的主干管上，所以PE管應作為考慮爆管可能的第二選擇。

球墨鑄鐵管自2006年采用以來，由于性能優良且管齡小，幾乎從未出現過除道路施工損壞造成爆管事故的現象，應作為考慮爆管的最后選擇。

2 壓力分析

當壓力出現驟降，供水管網中分布著的測壓點在同一時刻均會有明顯壓降，水廠出廠水的瞬時流量會驟升[1]。選取2016—2019年發生的18次DN400以上主干管爆管事故，查詢SCADA系統測壓點數據得到壓降幅度在0.07～0.2 MPa之間。由于測壓點采樣間隔時間為1 min，壓力值波動較小，所以選取4 min間隔的數據進行分析。

3 爆管實例分析

3.1 吉林路DN1 000 PE管爆管

2019年8月7日，SCADA系統中的“吉林路”測壓點于14:50—14:55出現了0.2 MPa的壓降，同時其它測壓點也出現了不同程度的壓力下降。調度中心指揮查漏人員對吉林路的DN1 000主干管進行排查，但未發現異常，然后查漏人員對全市范圍內的主干管進行排查，仍未發現異常，確定為管道暗漏事件。最后，查漏人員通過聽漏儀器確定爆管的位置在與臺灣路交界的DN1 000 PE管，爆管點距吉林路測壓點僅20 m。因此選取這個實例進行分析，將各個測壓點的壓降值繪制成等值線圖如圖2所示。

圖2 吉林路 DN1 000 管爆管壓降等值線Fig.2 Pressure drop contour map of DN 1 000 pipe burst in Jilin Road

從圖2可以看到，在“吉林路”測壓點附近形成一個超過20 m的壓力下降中心，并向四周擴散，由于爆管造成。因此，通過該唯一的壓降中心，可以很快定位圖2中所示的爆管位置。

3.2 DN600鋼筋混凝土爆管

2019年4月20日，廣東南路DN600鋼筋混凝土管發生爆管。通過調取SCADA系統壓力監測點的壓降數據，做壓降等值線圖，如圖3所示。可以看到，整個管網形成了2個明顯的壓降中心，分別是“雷達營房”和“廣東南路”監測點，壓降分別達到了10 和11 m。歷史爆管數據顯示，廣東南路DN600鋼筋混凝土管爆管次數較多，而“雷達營房”監測點在新世紀大道兩側管齡均不超過十年的 DN600球墨鑄鐵管上，且近幾年未出現爆管事故。這兩個壓降中心均在廣東南路上，所以可以確定為廣東南路爆管。

圖3 廣東南路DN600管爆管壓降等值線Fig.3 Pressure drop contour map of DN600 pipe burst in Guangdong South Road

3.3 DN500球墨鑄鐵管爆管

2019年4月20日，金海岸大道 DN500球墨鑄鐵管發生爆管。查漏人員對距離壓降中心最近的四川路DN600鋼筋混凝土管和DN800 PE管進行檢查，并未發現任何異常，對市區其他主干管的排查仍未發現異常。最后，在金海岸大道與南京路交界的工地圍擋里，發現道路正在開挖施工引起地面坍塌，導致DN500球墨鑄鐵過路管從中間斷開。通過調取SCADA系統壓力監測點的壓降數據，做壓降等值線圖，見圖4。

圖4 南京路DN500管爆管壓降等值線Fig.4 Pressure drop contour map of DN500 pipe burst in Nanjing Road

從圖4可以看到，整個管網形成了以 “四川南路”“僑港”“銀灘”3個測壓點包圍的最大壓降區域，壓降達到17 m。此區域內3條主干管分別是四川南路DN600鋼筋混凝土管、金海岸大道DN500球墨鑄鐵管、銀灘大道DN800 PE管。考慮到壓降過大和管材問題，首先排除了金海大道的DN500球墨鑄鐵管，但發生的道路施工事故證明，金海岸大道DN500管在環狀管網內，管道從中間完全斷開，相當于兩根DN500并聯成1根DN650管，產生比DN600管爆管更大的壓降。

4 結論

① 造成爆管的原因是多方面的，往往是多個因素同時綜合作用在管道上的結果。針對老舊管網改造，加強排氣閥的維護和管理，選用優質管材是減少爆管事故的有效手段。雖然道路開挖施工導致爆管的幾率小，但仍然要針對施工現場加強巡邏，施工開挖時應安排人員進行跟蹤監視，防止事故發生。

② 確定爆管點位置，應該做到三點。首先，排除二級泵房突然停電的情況，并檢查所有測壓點是否同時出現大幅壓降；其次，計算SCADA系統所有壓力監測點爆管前后時刻的壓降值，做出壓降等值線圖，確定壓降中心；最后，結合歷史爆管數據和壓降中心周圍管道的管徑、管材、管齡，逐步縮小范圍，從而確定大致的爆管位置。運用此方法可大大縮小巡查人員的搜索范圍，為爆管搶修爭取更多的時間。但是，由于等值線壓降中心與測壓點的位置有關，實際爆管位置會出現一定偏差，壓力監測點如果布置得越合理、密度越大，爆管定位也就越精確。