污水管道缺陷類型及成因分析

劉靜偉 張云 劉小英

污水管道作為污水收集處理系統的重要環節，由于其自身隱蔽性、復雜性等特點，導致后期運維及監管較為薄弱。近年來，隨著城市迅速發展，作為城市基礎設施的重要組成部分的排水系統，在長期運行中，暴露出諸多問題。如，雨天污水管網高水位運行、污水廠進水有機物含量偏低、污水下滲導致土壤環境質量惡化等問題，因此對排水管道進行維護和修復是城市管網系統普遍面臨的一個重要研究課題。本文以污水管徑為DN200-d1600，管道總長約491.4km的區域為研究對象，基于前期排查結果發現區域內排水管網普遍存在雨污分流不徹底、缺陷問題嚴重，污水提升泵站超負荷運行，污水廠進水水質指標偏低等問題，利用閉路電視檢測（CCTV）及管道潛望鏡（QV）檢測方法對污水管道進行詳細排查，深入分析管道缺陷類型及其成因，為污水管道維護和修復提供重要的技術支持。

一、排水管網缺陷類型及檢測技術

1.缺陷類型及等級劃分

城鎮排水管道缺陷分為功能性缺陷和結構性缺陷兩種。功能性缺陷指由于沉積、結垢、障礙物、樹根、殘墻壩根和浮渣引起管道過水斷面發生變化，從而影響管道過流能力。結構性缺陷指管道結構本體出現損傷從而影響管道的強度、剛度和使用壽命。它包括破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節、接口材料脫落、支管暗接、異物侵入和滲漏等10種類型。兩種缺陷按照損傷程度分為輕微缺陷、中等缺陷、嚴重缺陷和重大缺陷4個等級。

2.管道缺陷檢測技術

檢測方法包括管道潛望鏡（QV）、閉路電視檢測（CCTV）、聲吶檢測、檢測等。其中，管道潛望鏡檢測效率較高，但只能粗略定位缺陷部位；閉路電視檢測可以對缺陷部位精確定位，但其效率較低；聲吶檢測效率較低，在管道降水困難的情況下可作為管道潛望鏡檢測和閉路電視檢測的補充測量手段。鑒于QV檢測的靈活性及全覆蓋性，本研究采用QV檢測作為主要手段，針對重點管段采用CCTV檢測進行詳細排查，同時增加聲吶及人工檢測作為輔助手段。

二、管道缺陷檢測結果與分析

1.管道缺陷檢測結果

利用上述管道檢測技術對武漢市湯遜湖片區內管徑在DN200～d1600mm之間491.4km的管道進行檢測，其結果見表1。

表1 研究區域內管道缺陷檢測結果

表1調查結果顯示，研究區域內缺陷總數26871處，其中結構性缺陷9791處，占缺陷總數的36.43%，功能性缺陷17080處，占缺陷總數的63.56%。功能性缺陷為結構性缺陷的1.74倍，本區域管道缺陷主要為功能性缺陷，但結構性缺陷也不容小覷。對管道缺陷按損傷程度進行分析，其結果見圖1。

圖1 管道缺陷結果柱狀圖

結合表1和圖1可以看出，管道1級缺陷總數為16810，其中結構性和功能性占比分別為24.2%和38.36%；2級缺陷總數為5546，結構性和功能性占比分別為7.68%和12.96%；3級缺陷總數為2347，結構性和功能性占比分別為2.92%和5.81%；4級缺陷總數為2168，其中結構性和功能性占比分別為1.63%和6.43%。其中，1級缺陷最多，2級缺陷次之，3、4級缺陷數量基本相當；在1、2級缺陷中，功能性缺陷是結構性缺陷的1.6倍左右，3級缺陷中功能性缺陷為結構性缺陷的2倍，4級缺陷中功能性缺陷為結構性缺陷的3.9倍。由此看出，管道主要表現為1級輕微缺陷，隨著缺陷等級的提高缺陷數量降低，而功能性缺陷的占比增加，管道缺陷主要表現為功能性缺陷。

2.功能性缺陷分析

（1）缺陷類型

表2為管道功能性缺陷的種類及發生的數量，各缺陷種類在結構性缺陷中的占比見圖2。由表2可以看出，功能性缺陷中1級缺陷10307處，2級缺陷3482處，3級缺陷1562處，4級缺陷共計1729處。2、3及4級缺陷中沉積與障礙物是功能性缺陷的主要表現形式，1級缺陷中除上述表現形式外，結垢類型數量高達1213處，僅次于障礙物類型。另外，樹根類型數量為111處，也需引起關注。功能性缺陷大多為1級缺陷和2級缺陷，總占比80.73%，4級缺陷數量高于3級缺陷數量，可見功能性缺陷引起的后果較為嚴重。

圖2 不同功能性缺陷占比

表2 研究區域內不同損傷程度下各功能性缺陷的數量

從圖表中可以看出，研究區域內功能性缺陷中沉積類型數量為12120處，占比70.96%；障礙物類型數量為3338處，占比19.54%；結垢類型數量為1291處，占比7.56%。沉積類型為主要功能性缺陷表現形式，其次為障礙物、結垢，而樹根、殘墻壩根、浮渣等缺陷類型出現較少。

（2）成因分析

功能性缺陷中沉積、結垢等缺陷類型的產生與區域功能、人口密度、排水體制、污水水質水量、降雨強度和降雨時空分布等條件有關。其中，按Crabtree研究結果將管道沉積物分為五類：Type A為沉降在管道底部的粗糙、松散并且能夠抵抗水力沖刷的顆粒物；Type B與A類似，但由于其中摻雜脂肪等物質而具有較大粘性；Type C為污水與沉積物的交界面，是微生物生長代謝活動旺盛以及沉積物與污水間物質遷移轉化活動頻繁的區域，以上三類與管道底部沉積有關；Type D是管璧附著的生物膜，具有較高的生物活性，能夠增強沉積物的凝聚性，大大降低其表面的粗糙度，從而增強抗剪強度，與結垢有關。同時，生物膜的存在減少了污水與管壁的接觸，對混凝土管道具有一定的保護作用。

另外，排水系統中顆粒物往往含有大量帶有粘性成分或細小顆粒物。Tait等在2003年研究指出，帶有粘性的沉積物對于沖刷作用擁有更強的抵擋能力，即具有更高的臨界剪切力。因此，地勢平坦地區污水管道流速不大，管道水質、水量波動較大，管道流態不穩定，容易出現沉積、結垢現象，這些物質在長期的低剪切力環境下出現內部結構加強的情況而具備更強的抗沖刷能力。而浮渣、樹根、殘墻、壩根、障礙物等缺陷類型產生主要與施工、污水排放及后期運行維護有關。

2.結構性缺陷分析

（1）缺陷類型

表3為管道結構性缺陷的種類及發生的數量，各缺陷種類在結構性缺陷中的占比見圖3。

圖3 不同結構性缺陷占比

表3 研究區域內不同損傷程度下各結構性缺陷的數量

由表3看出，研究區域內結構性缺陷中1級缺陷6503處，2級缺陷2064，3級缺陷785處，4級缺陷共計439處，結構性缺陷大多為1級、2級，占比87.5%。各類型缺陷中，1級2級缺陷所占比例較大。1級缺陷中滲漏類型最少，僅為20處，其他類型則均在100處以上，錯口類型高達4267處。2級缺陷中，除錯口、破裂、脫節和變形類型外，其他缺陷類型發生處均在兩位數。3級和4級缺陷中，除錯口和破裂類型外，其他缺陷類型發生處均在兩位數。由此可見，錯口和破裂最為常見其引起的破壞性最大。

對上述缺陷進一步分析可以看出，錯口數量為5940處，破裂數量為1000處，異物穿入數量為599處，變形數量為575處，腐蝕數量為515處，脫節446處。錯口為主要結構性缺陷類型，占總缺陷的60.67%，其次為破裂（10.21%）、異物穿入（6.12%）、變形（5.87%）、腐蝕（5.26%）、脫節（4.56%）。

（2）成因分析

引起管道發生結構性缺陷，諸如變形、錯口、破裂、起伏、滲漏、脫節、接口脫落等，根本原因在于管道受力異常，其主要表現在如下幾個方面。

①不同土體沉降作用

不同土體性質管道沉降量不同，一般而言管道沉降量次序為：細砂＞粉土＞粘土。此外，降水是引起土體沉降的重要因素，不均勻沉降地質條件下，降水水位與管道沉降量呈現線性變化關系。由于土體發生不均勻沉降，對管道造成附加應力作用影響管道的正常受力狀態從而引起結構性缺陷。

②管道自身條件

常見的排水管材有鋼筋混凝土管和HDPE管。鋼筋混凝土管延展性差、自重大，受到外部荷載作用時易導致接口問題，單節長度一般為2m，更容易引發接口問題甚至整段沉降破壞。HDPE管具有良好的撓曲性能，對土體的不均勻沉降有更好的適應能力，單節長度一般為6m，接口問題相對少，但該類型管道剛度相對偏低，當局部受力時，易產生變形甚至破裂等結構性缺陷。

在不均勻沉降地質條件下管道管徑和管道沉降量成反比，管徑越大管道的沉降量越小，管道抗錯位能力越好。管道的沉降量和管道的埋深成正比，隨著管道埋深的增大，上覆土體對管道的應力越大，土體對管道的束縛也會增加。

③施工質量

當排水管采用砂石基礎、中粗砂回填時，管道施工過程中常出現管道銜接不合格、回填材料不達標、密實度不符合標準、回填直接用機械壓實等情況，就產生管道結構性缺陷問題。

另外，支管暗接、異物穿入等缺陷類型與施工質量控制、后期運維有關，根據影像判斷，異物穿入主要為從檢查井穿入的各類線路、管線等。而腐蝕常見于鋼筋混凝土管，主要由于污水各指標，如pH值、溶解氧、硫酸鹽，COD值及懸浮物對混凝土腐蝕作用。

4.不同管道缺陷修復方法

制定管道修復方案時應針對不同情況選擇適宜的修復方法。一方面在滿足管道荷載、過流能力、使用年限等性能要求的同時應方便后期運維，做到合理、安全、經濟；另一方面，注意對周邊環境的影響，做好施工期間交通組織以及廢棄物的合理處置。大范圍片區的管網修復，更應在弱化影響周邊環境以及居民生產生活這方面細化方案。

（1）功能性缺陷修復

管道功能性缺陷修復手段為工程清淤及管道機器人清淤。其中，工程清淤流程一般為：堵水、降排水→稀釋淤泥→吸淤和截污→高壓清洗疏通→通風、檢測和井室管道清理→CCTV檢測驗收。目前應用較常見。淤泥現場處置對周邊的環境影響較大，各路段應錯開清淤時間。現場淤泥經簡單靜置脫水后，就近運至淤泥堆場進行自然干化，干化后的淤泥運至消納場集中處理。而管道清淤機器人則利用搭載的淤泥吸泵抽吸沉積物，搭載的高壓沖刷或淤泥松動設備去除硬度較大沉積物，作業過程對管道運行影響較小，但該法應用案例偏少，清淤效果有待檢驗。

（2）結構性缺陷修復

管道結構性缺陷修復主要分為開挖修復和非開挖修復兩類。常見的為非開挖修復方法，包括土體注漿法、裂縫嵌補修復、不銹鋼雙脹環修復、不銹鋼發泡筒、局部現場固化修復、現場固化內襯、機械制螺旋管內襯、短管焊接內襯、折疊管牽引內襯和水泥基聚合物涂層等。各種非開挖修復方法均有其適用的條件，如土體注漿一般要與其他修復方式聯合使用；管道直徑較大采用整體修復造價高；裂縫嵌補法造價較低，可操作性高，適用于d800及以上管徑的鋼筋混凝土管；短管焊接內襯、折疊管牽引內襯、不銹鋼雙脹環對過水斷面影響較大；不銹鋼雙脹環、不銹鋼發泡筒不適用絞車疏通，后期管道維護需配備相應的設備。

三、總結

本研究區域內污水管道缺陷總數為26871處，其中功能性缺陷占缺陷總數的63.56%。功能性缺陷中，主要缺陷類型表現為沉積，1級和2級占比80.73%，功能性缺陷成因與區域功能、人口密度、排水體制、污水水質水量、降雨強度和降雨時空分布等有關。結構性缺陷中，錯口為主要類型，1級2級缺陷占比87.5%，結構性缺陷成因主要與管道受力異常、施工質量、后期運維等有關。管道缺陷修復應針對不同情況選擇適宜的修復方法，綜合考慮對周邊環境的影響。