基于可靠度的腐蚀混凝土排水管道评估方法

王诗烽

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

1 钢筋混凝土排水管道腐蚀损坏概况

在排水管道设施量快速增长，数量日益庞大的同时，大量建造时间比较久远的管道仍在使用。在排水管道运行使用的过程中，因排水管道腐蚀性损坏造成的污水冒溢、道路积水、水体污染、地面沉陷等事故时有发生，此类事故征兆不明显，在日常养护过程中难以发现。同时，由于管道渗漏等病害，造成大量地下水随管道流失，造成水资源的浪费和下游泵站及污水厂能源的损失。

从排水管道建设和运行调研结果看，除了建国初期开始建设的、使用已达半个世纪以上的管道出现损坏外，一些尚在设计使用年限中的管道也由于使用环境因素发生腐蚀等损坏现象。这些情况严重影响了排水管道的安全运行。及时修复排水腐蚀排水管道是排水管道运行的必要条件。

2 可靠度的基本概念［1］

可靠度理论在结构安全性评估领域已经有较为广泛的应用，在研究计算腐蚀的钢筋混凝土排水管道损坏概率时，将排水管道作为一个结构体系，并将结构可靠度理论中的方法与概念移植到钢筋混凝土排水管道的可靠度分析研究工作。结构可靠度基本定义为在规定的时间和条件下，结构体系完成预设功能的概率，是结构体系可靠度的概率度量。工程结构可靠度，是设定的时间和条件下，结构体系具有的满足预期安全性、适用性、耐久性等功能的能力。决定可靠度的各种因素存在不确定性，如材料、荷载等性能的变异，环境的改变，工程质量的不稳定性等等，上述影响因素一般是随机的，因此，结构体系完成预定功能的能力只能用概率度量。结构体系能达到预设功能的概率，即为可靠概率;结构不能达到预设功能的概率，即为失效概率。对于钢筋混凝土排水管道，安全性即要求正常施工和使用时，在可能出现的各种地面动荷载、静荷载的作用，以及在偶然的大荷载发生时和发生后，仍然能够保证整体稳定性，不破裂、不坍塌;适用性即要求在正常的使用时具有良好的工作性能，保障管道不渗漏，输送的水不进入土壤;耐久性，即要求在正常的使用条件下具有足够的耐久性能，在设计使用年限内，混凝土及钢筋损耗在可接受范围内。

3 可靠度用于排水管道腐蚀评估的意义

由于腐蚀所造成的排水管道结构强度降低、修复代价较大，采取表观判断与应力状态评估并不非常准确，无法准确体现管道的结构状态，造成管道修复是否需要对结构进行加强无有效依据，难以把握管道修复的时机与修复目的。腐蚀排水管道修复设计的目的，就是力求最佳的经济效益，将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补的。因此，腐蚀排水管道钢筋混凝土管道修复的目的，就是力求最佳的经济效益，将结构失效概率限制在排水管道所处环境所能接受的水平之上。在判断管道损坏程度时，首先需要进行结构强度计算，其次还需要进行可靠度分析评价。管道在均匀腐蚀条件下，除了应力水平的升高，其可靠度也将逐年下降，因此，有必要对排水管道在设计使用年限内的可靠度进行计算分析，以指导管道的修复设计。

4 腐蚀混凝土管道可靠度评估方法

首先应进行排水管道调查，包括管道建设年代、管径、埋深。管道腐蚀环境检测，包括硫化氢浓度，腐蚀深度检测。其次应在排水管道调查的基础上进行腐蚀寿命预测与设计使用寿命下的可靠度评估:

1)排水管道失效概率标准。采用可靠度的评估方法，管道目标失效概率应不大于设定的可以接受的失效概率，即为管道目标安全水平。其确切定义为:对于一个可接受的最大失效概率，超过目标失效概率即视为不安全，需采取结构补强措施予以加固。管道安全水平的确定是从安全、经济的角度出发，达到一个为管道所处环境下的公众可普遍接受的安全可靠度。选择排水管道目标失效概率时，同时需要考虑失效性质、失效的不良后果以及修复管道的经济、社会代价。确定管道目标失效概率的方法主要是对比管道失效破坏事故的资料及现有管道设计标准对应的可靠度安全水平。按以上原则，根据管道所处地区的重要性和风险等级来确定排水管道运行的目标安全可靠度和可接受的失效概率。具体的目标可靠度和可接受失效概率指标，一般情况下，偏僻地区排水支管、管径较小的管道失效风险较低，可以接受的失效概率为2.275×10－3，对于处在一般地区的管道，排水干管，管径中等，管道失效带来的风险适中，可以接受的失效概率为1.350×10－3，对于处在商业、住宅地区的管道及重要输送管道或大口径管道，管道失效带来的后果较为严重，风险较高，可接受的失效概率为3.167 ×10－5，如表1 所示。

表1 管道可靠度等级表

2)管道可靠度计算与腐蚀寿命预测。混凝土腐蚀深度有着随机和随机过程性，可采用非平稳随机过程进行表述。腐蚀程度的概率密度函数可按式(1)表达:

其中，t为腐蚀时间，年;σx(t)，μx(t)分别为混凝土腐蚀深度的平均值函数与标准差函数，可以表示为:

其中，μk为腐蚀速度系数平均值;σk为腐蚀速度系数标准差。

保护层厚度、腐蚀系数服从正态分布。

3)混凝土管道腐蚀寿命分析。混凝土管道腐蚀蚀穿导致耐久性失效，建立关于极限状态方程:

即:

其中，X(t)为混凝土腐蚀深度。

混凝土管道管壁发生腐蚀蚀穿耐久性失效的概率为:

相应的可靠指标为:

当混凝土保护层厚度和腐蚀深度均为正态随机变量时，其可靠指标表达式为:

给定结构的目标可靠指标［β］，即可由式(7)求出结构的腐蚀寿命［3］。

5 案例分析

发生腐蚀损坏钢筋混凝土排水管道管径1 400 mm，管壁厚度16 cm，混凝土标号C20，使用20年，管道封堵清淤后人工进入管道内部进行测量，管道保护层厚度和腐蚀深度见表2，表3。

排水管道的管壁混凝土保护层和腐蚀深度均服从正态分布。根据管道所处的地理位置与重要程度，取目标可靠度［β］=3.0(Pf=1.35×10－3)，相应的可以采用式(7)算出该管道管壁结构的腐蚀寿命为20年。该结构已经服役17年，经检测，混凝土保护层已几乎完全缺失，内层钢筋腐蚀殆尽。在给定的失效准则下，该结构将在3年后达到其腐蚀寿命，而该管道原设计使用年限为50年，故需要采取加固手段进行修复。

表2 管道混凝土保护层厚度和腐蚀深度测量结果

表3 管壁混凝土腐蚀速度系数计算指标

6 主要结论

对腐蚀钢筋混凝土排水管道进行修复设计前，需要详细调查管道的使用情况与重要程度，确定管道可靠度等级。并依据现场调查统计的腐蚀深度、腐蚀速度的数据进行设计使用寿命期限内的可靠度验算。在可靠度计算结果基础上，所求得的腐蚀寿命可以作为现状排水管道管壁结构适时维修及进一步预测管道结构寿命的依据。

［1］赵国藩.结构可靠度理论［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［2］李 田，刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计［M］.北京:科学出版社，1999:1-16.

［3］夏明进.基于可靠度分析的现役结构安全评价与剩余寿命预测［M］.北京:北京工业大学，2005:101-106.