法兰式球墨铸铁井盖与井周路面服役状态研究

翁洋 邓禄 王煜轩 陈佳

摘  要：法兰式球墨铸铁井盖是一种新型、广泛使用的窨井盖，井盖与井周路面的服役状态是市政道路管养重点关注的方面。文章通过现场测量调查和数据统计分析，确定了评价法兰式球墨铸铁井盖与井周路面服役状态的4个指标，详细介绍了各评价指标的测量及计算取值方法。运用层次分析法（AHP）确定各评价指标权重，采用模糊数学理论构建了井盖与井周路面服役状态综合评价模型，该模型还能预测井盖及周围路面的服役生命期。结果表明：建立的评价模型能很好反映真实井盖与井周路面的服役状态，文章发展的预测理论与方法可为智慧城市建设提供理论与技术支持。

关键词：法兰式球墨铸铁井盖;服役状态;模糊层次分析法;智慧管养

中图分类号：TU990.3       文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0036-06

Abstract： Flange nodular cast iron manhole cover is a new and widely-used manhole cover. The service state of the manhole cover and the surrounding pavement is the key aspect of municipal road management and maintenance. In this paper， through field survey and statistical analysis of data， four indexes for evaluating the service state of the flange nodular cast iron manhole cover and the surrounding pavement are determined， and the measurement and calculation methods of each evaluation index are introduced in detail. The weight of each evaluation index is determined by analytic hierarchy process （AHP）， and the comprehensive evaluation model of service state of the manhole cover and the surrounding pavement is constructed using Fuzzy Mathematics Theory. The model can also predict the service life of manhole cover and surrounding pavement. The results show that the evaluation model can well reflect the service state of the real manhole cover and the surrounding pavement， and the prediction theory and method developed in this paper can provide theoretical and technical support for the construction of intelligent city.

Keywords： flange nodular cast iron manhole cover; service status; fuzzy analytic hierarchy process; intelligent maintenance

由于設计、施工、运营和养护管理等多方原因，传统的市政道路在窨井（盖）附近的病害非常普遍，主要表现在井框周围沥青层的龟裂、井盖跳动、井盖框区域下沉或突起，潜藏着巨大安全风险。治理这些病害不仅需要花费大量的人力物力，还阻碍交通的正常运行[1]。

为消除传统窨井盖周围路面病害，近年来国内外开始大量使用新型法兰式井盖。该井盖由球墨铸铁制成，利用弹簧锁闭井盖，利用承插结构将井盖支座与井体连接，采用法兰式上盘面来扩大井盖与路面的结合面，将来自井盖上部80%左右的荷载直接均匀分散到路面结构层，有效缓解车行荷载冲击，延长了井盖及井周路面使用寿命[2]。调查发现，新型法兰式井盖虽有效减缓了病害的发展速度，但由于道路环境、施工技术等因素，新型井盖周围仍存在沉降和沥青路面松散破碎等问题，对道路安全产生了不容忽视的影响。

国内目前尚无成熟的窨井盖及其周围路面服役状态评估体系。我国主要根据《CJJ 68-2007城镇排水灌渠与泵站维护技术规程》中的窨井检测项目来评估窨井体系的服役状态，其中现场检测项目包括井盖埋没、井盖丢失、井盖破损、井框破损等[3]。美国国家下水道服务公司协会（NASSCO）于2010年发布了一份管道评估和认证程序（PACP），强调了现场调查、测量和记录对窨井体系评价的重要性[4]。然而，这些规范或程序并未提供一套针对交通风险路面病害的井盖及井周路面服役状态评价方法。

为此，本文以正在服役的法兰式球墨铸铁防沉降井盖及其周围路面为研究对象，对南京市浦口区某道路的18个井盖及井周路面病害和服役状态进行实测研究，提出了基于模糊层次分析的井盖及井周路面服役状态综合评价模型，预测了新型井盖的服役生命期，研究成果可为市政道路管养提供依据。

1 井盖与井周路面服役状态调查

选取南京市浦口区某道路上18个井盖及井周路面为研究对象，于2018年3月24日、5月21日、7月21日、9月20日和11月22日进行5次实地观测，得到了能反映井盖与井周路面服役状态随时间演变的实测数据。

1.1 井盖状态观测和计算

井盖本身的服役状态主要通过井盖平整度反映。井盖平整度是指井盖周围路表面纵向的凹凸偏差值，可用井盖倾角（井盖与井周路面之间的夹角）和井盖沉降两个指标衡量。为方便井盖状态的量化表征，沉降取井盖与井周路面的最大高差。本研究在现场使用激光测距仪（精度0.1mm）、三脚架、量角尺按照以下步骤测量井盖状态。

（1）将激光测距仪水平安置在三脚架上，置于距窨井边框1.0-1.5m处。

（2）将激光测距仪分别对准如图1所示的点1、3、5处，读取并记录测距仪与测点间距离和测距仪倾角。其中测点1和测点3位于井盖直径上;为方便计算，将测距仪水平旋转5°后，激光垂面与井盖周交点即为点5。

（3）通过反演计算出点1、3、5的空间坐标，得出井盖与井周路面的空间位置关系，计算出井盖倾角和最大沉降。此处假定井盖为标准圆形刚体。

图2、3分别为井盖倾角、沉降的统计结果。图中折线为18个井盖的统计平均值。由图2中倾角分布可知，3月和5月观测时倾角分布在0°～1°之间的井盖数量最多，而7月、9月和11月观测时分布在1°～2°之间的井盖数量最多，井盖倾角平均值随时间近似呈线性增长，平均每月增加0.2°。图3表明，井盖沉降从3月到5月发展迅速，其后发展速率有所放缓，测量期间平均每月增加0.12mm。

1.2 井周路面状态观测和计算

通过现场调查测量发现，井周路面主要出现的病害包括：（1）松散，即路面结合料失去粘结力，集料松动，面积在 0.01m2以上的区域视为松散区;（2）坑槽，即路面破坏成坑洼状，深度大于20mm、面积在0.01m2以上的区域视为坑槽区，如小面积坑槽较多且间距又小则合并视为一个坑槽[5]。

现场测量时，利用三脚架固定相机，从1.3米高度处垂直俯拍，同时根据不同病害的特征，利用测距仪的面积测量功能对坑槽区和松散区进行面积测量，对符合要求的区域在电子照片中进行标记。

利用Photoshop图像处理功能，对井周路面以外其他区域进行隔离，去除井盖部分，仅保留井周圆环形路面。环形区域内径为0.9m，外径为1.48m。坑槽区、松散区与完好路面具有明显的颜色差异，参照现场标记的照片，利用Photoshop像素识别功能检验病害区域边缘，用深色标记坑槽区，浅色标记松散区，结果如图4所示。为方便计算和数据分析，用松散区和坑槽区的像素点个数分别占井周环形路面的像素点个数百分比表示松散率和坑槽率。

根据观察，相关部门在7月至9月之间对1号井盖的井周路面进行了修补。为便于找出无人为干扰状态下井周路面破坏发展规律，将1号井盖剔除，对其余17个井盖进行统计分析，如图5、6所示。

如图5所示，松散率在9月前有一定增长，随后略有下降。观测发现，这主要是由于车辆碾压井周路面时，加剧了松散区的破坏，部分路面结合料脱离回填路面被带走，使松散区转化为坑槽区的面积大于完好區域转化为松散区域的面积。由图6中坑槽率频率分布可知，测量初始时刻井周路面坑槽率均较小，一般低于3%，而7月和9月时坑槽率在3%～6%的井盖数量最多。图6还显示，井周路面的平均坑槽率随服役时间增长而增加，且增加速率越来越大，观测期间平均每月增加1.4%。

结合数据分析和现场观测，新型井盖并不能完全消除路面病害，可归纳为两方面原因：（1）新型井盖采用了法兰式上盘面，由于其独特的T字形结构，在施工过程中难以与回填路面完全贴合，可能导致其底部脱空，引起井盖倾斜、沉降;（2）井盖更换时需在井盖周围一定范围内破除路面，而随后回填时因回填区面积较小，容易出现碾压不密实的缺陷[6-7]，在车辆冲击荷载下，井周路面易出现松散区和坑槽区。

2 服役状态指标的标准化

井盖倾角与沉降、井周路面松散率与坑槽率为不同性质、不同量纲的指标。为消除量纲影响，需将其转化为可综合处理的相对标准值[8]。

通过对南京市井盖病害的调研，倾角一般达15°及其以上时，行车发生显著跳动，井盖松动明显。因此将倾角达15°时作为破坏极限值，其标准值计算方法如表1所示，倾角在0°和15°之间时插值计算。

根据《城镇道路养护技术规范CJJ 36-2016》，沥青回填路面与井盖的高差应控制在±5mm以内。对井盖沉降的极限破坏值，目前国内尚无系统的定义，根据南京市的实际调查情况并参照郑州、广州等地窨井盖更换标准，拟取极限破坏沉降值为±30mm，井盖沉降标准值计算方法如表2所示，沉降在5mm和30mm之间时插值计算。

3 基于模糊层次分析的井盖与井周路面服役状态综合评价模型

层次分析法是一种确定指标权重的方法，通过对评价目标进行逐层分解和指标细化，并邀请专家对各指标进行评判打分、建立判断矩阵，进而计算出各指标相应权重。模糊理论是在确定各指标权重基础上，运用模糊集合变换原理，以隶属度描述各因素及因子的模糊界限，构造模糊矩阵，通过多层的复合运算，最终确定评价对象的等级[9]。但两种方法存在较强的主观性，缺乏一定的科学性。一些学者提出了模糊层次分析法（FAHP），将两种方法结合使用，有效降低了主观因素对评价结果的影响，更具有科学性[10]。本文即采用模糊层次分析法建立井盖与井周路面服役状态评价模型。

3.1 评价指标的权重确定

现采用层次分析法确定倾角、沉降、松散率、坑槽率四个指标的权重，具体步骤如下：

（1）确定目标层、准则层和指标层。目标层为井盖与井周路面服役状态综合评价体系，准则层为井盖本身状态和井周路面状态;指标层包括倾角、沉降、松散率和坑槽率，如图7所示。

（2）构造判断矩阵。判断矩阵用来表示各指标间的相对重要性。采用九标度法对各指标引用数字1-9及其倒数作为相对重要性标度[11]，构造判断矩阵B：

（1）

式中，bij表示第i个指标重要性与第j个指标重要性的比值。指标1-4分别为倾角、沉降、松散率和坑槽率。

（3）一致性检验。判断矩阵由人为确定，存在一定的主观性，需进行一致性检验以保证各元素重要度之间的协调性（即不自相矛盾）。判断矩阵的一致性指标CI度量了判断矩阵偏离一致性的程度，CI越小，判断矩阵的协调性越好[12]。

一致性指标CI采用下式计算：

3.2 模糊综合评价模型的建立

模糊综合评价模型是将指标权重向量与单个井盖的模糊矩阵相乘，得到井盖与井周路面服役质量综合评分。评价模型构建步骤如下：

（1）确定工作状态等级评语集。根据工程习惯，记评语集合为{优，良，合格，不合格}，各指标标准值对应等级如表5所示。Xi为表1-4计算得出的各评价指标标准化后的取值。

表5 井蓋与井周路面服役性能评价等级标准

（2）确定隶属函数。仅根据表5由各指标的标准值对照出井盖及井周路面工作状态等级存在人为主观性，特别是各等级分界线处的划分存在突变，不够合理。此处采用模糊数学中的隶属度概念使各等级的界限模糊化。此处采用半梯形与梯形分布隶属函数，如表6所示。其中ri1表示第i个指标对等级1（优）的隶属度，以此类推。以倾角指标X1=85为例，{r11，r12，r13，r14}={0.5，1，0.5，0}，表示该指标（倾角）隶属等级优、良、合格和不合格的程度分别为0.5、1、0.5和0，其中1代表完全隶属，0代表完全不隶属。可见，借助隶属度，某一指标得分标准值不再对应单一等级，而是以不同隶属程度对应各个等级，由此在一定程度上消除了表5中人为划分等级的不合理性。

对18个井盖5次调查结果用上述模型进行评判，结果如图8所示。从图8可以看出，所有井盖与井周路面服役状态均随服役时间的增长而出现不同程度的降低，其中1号井盖和15号井盖评分下降幅度大且评分低。经现场调查，1号井盖位于交叉路口，15号井盖位于小区门口，被车碾压频率高，故服役状态下降较快。在2018年7月至9月间有关部门对1号井盖的周围路面进行了修补，说明1号窨井质量已经不合格，这与评价结果大致符合。1号井盖修补后评分也不高，主要是由于该井盖位于交叉路口，工作环境差，服役性能降低极快。

4 井盖服役生命期预测

图9为17个（除去1号）井盖得分与得分变化率的关系。其中，横坐标（得分）=（后一次测量得分+前一次测量得分）/2，纵坐标（得分变化率）=（后一次测量得分-前一次测量得分）/2。由图可知：得分越低，其变化率越大。这表明，窨井盖及周围路面服役状态越差时，其服役性衰减速度越快。这是由于一旦出现井盖倾斜、下沉以及路面坑槽和松散，经过车辆对井盖和路面动力冲击荷载越大，进一步促使其服役性能的降低。

由此可预测得分低于60所需的最短时间和最长时间，结果如图10所示。结果表明，按照最高速率发展，在5-10个月后所研究井盖将达到无法正常使用的状态;若按照最低速率发展，则所研究井盖寿命在15-44个月不等。

5 结论与展望

本研究针对法兰式球墨铸铁井盖与井周路面的服役状态进行了实测与理论分析，得出以下结论：

（1）实地测量结果表明，新型井盖的使用有效延缓了传统井盖病害的发展速度，增加了井盖及井周路面的服役时间。

（2）基于模糊层次分析法建立了新型井盖与井周路面的服役状态评价模型，采用的权重指标与模糊评价能很好地量化反映井盖及井周路面的综合服役状态。

（3）基于实测结果拟合了井盖服役生命期上下限预测公式，能较好反映服役状态随时间的发展规律。

值得注意的是，本文实地调研井盖的数量虽少，但所提出的井盖与井周路面服役状态理论模型与寿命预测方法具有普适性。后续研究将采用计算机视觉、先进传感等自动信息采集技术，采用大数据分析进一步发展本文模型与方法，最终构建智能化的市政道路与窨井管理养护系统，为智慧城市系统提供理论与技术支持。

参考文献：

[1]田启超.市政窨井周围沉降与碎裂问题研究[D].郑州大学，2014：1.

[2]陈奕.道路检查井的适用性分类[J].城市问题，2013（04）：31-36.

[3]上海市排水管理处.CJJ 68-2007城镇排水管渠与泵站维护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]邬星伊，王和平，郑以微.美国《检查井评估和认证程序》简介[J].给水排水，2013，49（08）：104-107.

[5]北京市市政管理处.CJJ 36-2016城镇道路养护技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[6]李记军，杨秋浩.城市道路检查井盖通病防治——法兰盘井盖加固安装工艺[J].科技资讯，2012（23）：52.

[7]陈晓强.城市道路检查井病害及防治措施[J].科学之友，2010（23）：46-47.

[8]张立军，袁能文.线性综合评价模型中指标标准化方法的比较与选择[J].统计与信息论坛，2010，25（08）：10-15.

[9]郑圆圆，陈再良.模糊理论的应用与研究[J].苏州大学学报（工科版），2011，31（01）：52-58.

[10]于博.模糊层次分析法在桥梁安全评估中的应用[J].北方交通，2014（03）：33-35.

[11]Saaty T L. Axiomatic foundation of analytic hierarchy process[J].Management Science，1986，32（7）：841-855.

[12]魏立力，马江洪.概率统计引论[M].北京：科学出版社，2012：64.

[13]闫威，陈长怀，陈燕.层次分析法一致性指标的临界值研究[J].数理统计与管理，2011，30（03）：414-423.

[14]刘小艳，刘欣宇，王梅.隶属函数的确定及应用[J].电脑知识与技术，2010，6（31）：8831-8832.