排污管道地下水入滲的解析模型研究 ①

段園煜， 郭 帥

(1.合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)市政工程系，安徽 合肥 230009)

0 引 言

地下水的入滲，在排污管道的管理中是個(gè)常規(guī)問題。由于施工的不當(dāng)、管材的老化及腐蝕等多種因素，排污管道往往會(huì)存在破裂、脫節(jié)、錯(cuò)口等多種類型的破損口，當(dāng)?shù)叵滤桓哂诠艿罆r(shí)，破損口便往往成為地下水滲流入管道的通道。特別在地下水位偏高的東南沿海地區(qū)，地下水的入滲問題更為明顯和嚴(yán)重，對(duì)排污管道的日常管理造成多方面的危害[1-3]。

而我國大部分排污管網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初并沒有考慮地下水入滲量。我國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006(2016年修訂版))規(guī)定：在地下水位較高的地區(qū)，城鎮(zhèn)旱流污水設(shè)計(jì)流量應(yīng)考慮地下水入滲量。但規(guī)范既沒給出計(jì)算方法或公式，也未推薦統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),既可按單位管長和管徑的入滲地下水量計(jì)(單位為m3/d·km-1)，也可按平均日綜合生活污水與工業(yè)廢水總量的10%-15%計(jì)，還可按每天每單位服務(wù)面積入滲的地下水量計(jì)(單位為m3/(d·(hm2)-1)。然而，近些年國內(nèi)一些排污小區(qū)入滲量的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，按照上述三種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估地下水入滲量，結(jié)果存在很大差異[4]。這反映出當(dāng)前我國對(duì)排污管道地下水入滲的機(jī)理缺乏深刻研究與認(rèn)識(shí)，我國在地下水入滲量評(píng)估問題上尚有一系列技術(shù)難題有待深入研究與解決。

1 影響地下水入滲的物理因素分析

如圖1、圖2所示，排污管道地下水入滲現(xiàn)象的發(fā)生，從物理機(jī)理上是地下水在孔隙水壓力的作用下通過破損口進(jìn)入到排污管道系統(tǒng)中。郭帥[5-7]歸納總結(jié)了影響排污管道地下水入滲量的主要因素，具體包括(見圖1)： 1)破損口性質(zhì)(如大小、形狀與位置)；2)地下水位；3)管周土體性質(zhì)(滲透系數(shù))。

圖1 正在入滲的地下水

首先，老化管道的管壁上不可避免地存在著各種各樣的裂縫或破損口，這些破損口按其形態(tài)可分為三種典型類型：環(huán)向的破損口、徑向的破損口以及圓孔形的破損口。而破損口的形態(tài)往往和管道的受力特性密切相關(guān)；環(huán)向破損口往往發(fā)生在管段間連接處，主要由于管道的不均勻沉降造成的錯(cuò)位變形所引起；徑向破損口往往為貫穿整個(gè)管段的長線形裂隙，主要是由地面交通荷載等因素造成的管道受壓變形所引起；而孔洞形破損口則往往由于管道的腐蝕所引起[8]。

圖2 破損口周圍地下水流場(chǎng)示意圖

其次，現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，入滲量與地下水位的季節(jié)性波動(dòng)呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系；枯水季節(jié)，地下水位較低時(shí)，平均入滲量較小；反之，在豐水季節(jié)，地下水位處于高值，平均入滲量則較大。

最后，管道埋設(shè)的管周土體性質(zhì)對(duì)入滲量也有直接的影響；天然土體的滲透性變化巨大，例如，粗沙的滲透系數(shù)可以達(dá)到粘土的107倍。如果排污管埋設(shè)于透水性較好的土體中，例如沙土，則可能會(huì)存在較為嚴(yán)重的地下水入滲問題；相反，如果管道埋設(shè)與透水性較差的土體中，則地下水的入滲問題則可能得到有效緩解。

因此，從理論上構(gòu)建入滲量的解析解，必須獲得以上所述三個(gè)方面的數(shù)據(jù)信息。而近些年蓬勃發(fā)展的排污管道系統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述目的提供了條件。國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出來的無損檢測(cè)技術(shù)包括閉路電視技術(shù)(Closed Circuit Television, CCTV)、探地雷達(dá)技術(shù)(Ground Penetrating Radar, GPR),激光掃描技術(shù)(Laser Scanning System)、聲納測(cè)距技術(shù)(Sonic Distance Measurement Method)、紅外熱成像技術(shù)(Infrared Thermography System,)以及一體化多傳感器檢測(cè)平臺(tái)(Multi-sensor System)[9-10]。這些無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以較為方便地獲得詳細(xì)的管道內(nèi)、外的數(shù)據(jù)信息。如利用CCTV、激光掃描技術(shù)或聲納測(cè)距技術(shù)可以獲得管道內(nèi)部破損口的數(shù)量、大小、位置及形狀信息，利用探底雷達(dá)、紅外熱成像技術(shù)可以獲得管道埋深、地下水位等信息。目前，國內(nèi)最常用的無損檢測(cè)技術(shù)為傳統(tǒng)的閉路電視技術(shù)。簡(jiǎn)單的閉路電視是用一部攝像機(jī)將拍攝信號(hào)通過電視電纜傳送到監(jiān)視器上。而排污管道系統(tǒng)探測(cè)常用的閉路電視則是將攝像機(jī)與照明設(shè)備集成于一個(gè)管道機(jī)器人上，通過管道機(jī)器人在管內(nèi)的行進(jìn)，將管道內(nèi)部的信息傳輸?shù)诫娔X上，并進(jìn)行分析。

在這種背景下，研究提出了基于解析模型法的地下水入滲量評(píng)估方法，并構(gòu)建了地下水入滲量的二維與三維數(shù)值模型。

2 基于解析法的入滲量評(píng)估模型

2.1 二維解析模型的構(gòu)建

考慮一個(gè)半徑為r的圓形排污管道，假設(shè)其管周土體為全飽和的半無限空間透水層，其管壁上有一條長線形的破損口，如圖3所示。現(xiàn)實(shí)中，這種徑向的破損口往往很長。因此，地下水在這種破損口周圍的運(yùn)動(dòng)可以被近似成二維勢(shì)流問題，見圖4。

圖3 徑向破損管道

地下水流動(dòng)遵循達(dá)西定律。由達(dá)西方程和質(zhì)量守恒方程, 在線形破損口附近的地下水的運(yùn)動(dòng)由如下拉普拉斯方程所描述：

(1)

式中，φ為總水頭。

代入地下水位及破損口處的邊界條件，推導(dǎo)得到徑向破損口入滲量模型，如式(2)所示：

(2)

式中，Q為入滲流量，K為土體滲透系數(shù)，Δh為地下水位，Pi為管內(nèi)水壓，r為管徑，α為破損口位置，β為徑向破損口開度(見圖4)。

圖4 徑向破損管道平面示意圖

2.2 三維解析模型的構(gòu)建

相比于徑向破損口，對(duì)如圖2所示的孔洞形破損口而言，破損口周圍流場(chǎng)無法簡(jiǎn)化為二維流動(dòng)問題，在平面內(nèi)進(jìn)行處理，因此孔洞形破損口入滲量的求解是個(gè)三維問題。通過對(duì)滲流場(chǎng)的對(duì)稱簡(jiǎn)化處理，最終得到圓孔形破損口的入滲量公式(3):

(3)

式中，A為土體滲透系數(shù)的倒數(shù)，B為土體慣性阻力,Δh為地下水位，k為破損口綜合阻力系數(shù)，D0為破損口直徑。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論模型的可靠性，開展了室內(nèi)物理模型試驗(yàn)。圖5為三維理論模型的驗(yàn)證結(jié)果。理論預(yù)測(cè)值與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)入滲量的誤差均在10%以內(nèi)，有效地驗(yàn)證了理論模型的可行性。

圖5 三維模型理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比分析

3 結(jié) 語

當(dāng)前，世界各國都在積極地開展排污管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估工作。先進(jìn)的無損探測(cè)技術(shù)不僅可以提供管道的內(nèi)部情況如破損口的類型，大小和位置等等，而且還可以檢測(cè)地下水位和土體類型等等。通常，一次檢測(cè)工作所收集的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫里，如地理信息系統(tǒng)GIS。因此，管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫的逐步完善為本文所提出的計(jì)算模型在將來的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。然而，適用于環(huán)向破損口的入滲量評(píng)估模型還需要進(jìn)一步的研究。