南方某城市地下綜合管廊應急排水設計思考

符 威,玉旭日,龍志宏,柳君俠,,*,王 琦

(1.廣東工業大學土木與交通工程學院,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設施的重要組成部分,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生爆漏,海珠區、越秀區部分區域、天河區珠江新城、員村一帶等供水壓力將有明顯波動,出現停水現象。 爆管不僅造成公共財產的重大損失,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,爆管應急排水設施在管廊建設過程中應予以重點考慮。 然而,目前國內各綜合管廊的排水系統在設計時僅只考慮了管廊及給水管滲水的情況,預留的排水泵站規模較小,并未考慮爆管時應急排水需求。 此外,現行《城市綜合管廊工程技術規范》(GB 50838—2015)[1]僅對管廊日常排水設施作相關說明(比如設置排水明溝、集水坑等),而并未對應急排水作較為明確的指導說明。 因此,探究爆管應急排水技術是管廊給水管道安全運行亟待解決的關鍵問題。

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、管廊結構縫處滲漏水、管廊接出口滲漏水、管廊內沖洗排水、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,針對不同規模的爆管漏失面積,提出了相應的應急排水設施,其中包括排水泵的設置及型號選擇。此外,本文研究建立了管廊內給水管爆漏應急預案,提出了爆管突發事件的監測要求和應急處置流程,以期最大限度地減少突發性爆管造成的影響。 研究成果對綜合管廊供水管道安全運行及應急排水設計具有重要的指導意義。

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,屬于環形綜合管廊,總長度為45.7 km,全部采用地下敷設方式,共設46 座出地面井。 根據目前設計方案,管廊內徑為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,規劃預留一條DN1600 給水管管位,具體布局可參考圖1(b)。 規劃給水管道的功能定位為加強該市各大自來水廠的互聯互通,形成中心城區的應急供水高速通道,有效保障中心城區的供水生命線安全,增強城市的防災抗災能力。

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爆管。 一旦出現爆管,將對管廊結構本體以及管廊內其他管線造成極為嚴重的破壞。 由于管廊的排水系統在設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,針對本項目開展應急排水研究是當務之急,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——設計重現期,年;

t——降雨歷時,min。

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

根據暴雨強度和通風口面積即可計算出管廊開口處進水流量。

(2)管廊結構縫處滲漏水

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

其中:Q漏——滲漏水量,m3/s;

A——管廊計算區間面積,m2;

q漏——平均滲水量,L/(m2·d),取0.05 L/(m2·d)。

根據相關資料,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有防水套管,滲漏水量較少,可忽略不計。

(4)管廊內沖洗排水

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、長期停水恢復供水前需要沖洗消毒,根據文獻[5]相關計算方法,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滲漏水,且在管廊全線都會設置有監控,當看到供水管道有滲漏情況時可及時關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,而現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、管廊結構縫滲漏水、管廊內沖洗排水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,通過調節閥門排放無需額外考慮;而管道事故排水屬于應急排水,根據爆管面積的改變,使排水量發生變化,應予以重點考慮。

3 管廊應急排水措施

針對管廊給水管道爆管排水,考慮以下3 種應急方案。

(1)在日常排水設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間最低點廢水坑各設置兩臺排水泵,日常工作時1 用1 備,依次輪換工作,發生爆管時兩臺泵同時使用,可應對較小面積滲漏時應急排水(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的工作井最大流量不超過80 m3/h;若水泵設計流量適當放大到100 m3/h,日常工作時1 用1 備;而發生爆管時,兩臺泵同時工作可滿足DN1600 管段滲漏面之比(1 ∶500)的應急排水量,也可以滿足DN1200管段滲漏面之比(1 ∶300)的應急排水量。 具體實施來說,集水坑中設4 個水位,如圖2 所示:①低水位報警,同時控制回路應保證水泵均處于停泵狀態;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,控制回路應保證兩臺泵都處于運行狀態,同時發出超高水位報警信號。 由圖2 可知,管廊中的污水經集水槽匯入集水井后,由區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生爆管;而選擇管徑較大的管道,成本相應會增加。 在本項目中,排水管道已鋪設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急排水泵,在發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,影響使用或產生安全性問題。 本項目工作井空間較為寬敞,在易爆點兩側工作井各配備一臺大流量高揚程的應急排水泵,可滿足一定程度的應急排水需求。比如在易爆管段兩端工作井各配備一臺設計流量為1 000 m3/h 的應急水泵,可滿足DN1600 管段滲漏比約為1 ∶50 的應急排水量,也可以滿足DN1200管段滲漏比約為1 ∶30 的應急排水量。 在具體排水過程中,可利用管廊中現有的排水管道,在工作井處的排水管上設置一個三通接口,以便在爆管時,能把應急排水泵的出水口與排水管連接。 此外,在配備應急水泵的同時,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,在接到爆管預警信息后,快速調度移動排水車到達事故處地面進行協助排水作業,快速抽出積水。比如移動排水車采用兩臺設計流量為10 000 m3/h的排水泵,可滿足DN1600 管段滲漏比約為1 ∶5 的應急排水量,也可以滿足DN1200 管段滲漏比約為1 ∶3 的應急排水量。

4 爆管預警系統

給水管道安全預警技術必不可少。 針對本項目給水管道系統,可考慮以下設備監控。

在供水管道的關鍵位置間距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、水竊聽計采集管網中的壓力、聲音和流量數據,通過信號分析算法及機器學習算法識別管線中的壓力瞬變、異常噪聲及流量變化,監測管線中的現存漏點和新增漏點,快速定位爆管區域。 此外,高頻壓力計和水竊聽計數據,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致漏水。 一旦發生異常,即歷史未發生過的壓力變化,系統將自動報警,提示用戶關注異常事件,提高管理水平,實現精細化管理。 工作流程如圖3 所示。

圖3 爆管預警系統流程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,需要在局部節點安裝水質檢測儀EXO(電極插入式安裝),為了對原水管線和配水管網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。水質檢測儀EXO 能夠提供水質異常報警,組合各種水質檢測及運行指標(如渾濁度、氧化還原電位、pH、電導率、溫度等),并在空間上關聯到地理區域內發生的水質事故。 管線上的流量計接入相關檢測平臺,能夠實現長距離管線的流量監控功能。

本綜合管廊的工作井平均間距為1 km 左右,因此,在工作井處設置隔斷閥可以滿足管道系統隔離檢修的需求,且方便閥門的檢修與維護。 此外,在給水管道的最低處設置排泥閥,在最高處設置排氣閥,以保證管道的安全運行。 爆管檢測系統的數據分析中心根據給水管道系統中安裝的高頻壓力計、水竊聽計、流量計等檢測設施反饋的數據判斷管道是否產生異常。 若數據異常則根據算法定位爆管區域,并發出警報并傳達給管理人員,管理人員得到消息后及時響應,關閉爆管點兩側工作井處的隔斷閥。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,管理人員發現兩臺日常排水泵已同時工作但通過管廊中的監控視頻發現有積水時,通知并安排工作人員進入工作井中啟動應急排水泵;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度移動排水車到達事故處地面進行排水作業,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 結論

綜合管廊給水管道爆管具有突發性強、危害大、影響面廣的特點,但目前在管廊設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,提出事故爆管時應急排水預案。 研究成果對綜合管廊供水管道安全運行及應急排水設計具有重要的借鑒意義。

(1)針對管廊日常排水,在區間和工作井廢水集水坑設兩臺潛污泵,1 用1 備。

(2)發生爆管時,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),在易爆管兩側的工作井額外配備一臺大流量的應急排水泵,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),應在啟動應急排水泵工作的同時,快速調度移動排水車到達事故處地面進行排水作業,快速抽出積水。

(5)給水管道應安裝智能報警系統,在供水管道的關鍵位置間距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域,以期最大限度地減少突發性爆管造成的影響。