污水管道缺陷类型及成因分析

刘静伟 张云 刘小英

污水管道作为污水收集处理系统的重要环节，由于其自身隐蔽性、复杂性等特点，导致后期运维及监管较为薄弱。近年来，随着城市迅速发展，作为城市基础设施的重要组成部分的排水系统，在长期运行中，暴露出诸多问题。如，雨天污水管网高水位运行、污水厂进水有机物含量偏低、污水下渗导致土壤环境质量恶化等问题，因此对排水管道进行维护和修复是城市管网系统普遍面临的一个重要研究课题。本文以污水管径为DN200-d1600，管道总长约491.4km的区域为研究对象，基于前期排查结果发现区域内排水管网普遍存在雨污分流不彻底、缺陷问题严重，污水提升泵站超负荷运行，污水厂进水水质指标偏低等问题，利用闭路电视检测（CCTV）及管道潜望镜（QV）检测方法对污水管道进行详细排查，深入分析管道缺陷类型及其成因，为污水管道维护和修复提供重要的技术支持。

一、排水管网缺陷类型及检测技术

1.缺陷类型及等级划分

城镇排水管道缺陷分为功能性缺陷和结构性缺陷两种。功能性缺陷指由于沉积、结垢、障碍物、树根、残墙坝根和浮渣引起管道过水断面发生变化，从而影响管道过流能力。结构性缺陷指管道结构本体出现损伤从而影响管道的强度、刚度和使用寿命。它包括破裂、变形、腐蚀、错口、起伏、脱节、接口材料脱落、支管暗接、异物侵入和渗漏等10种类型。两种缺陷按照损伤程度分为轻微缺陷、中等缺陷、严重缺陷和重大缺陷4个等级。

2.管道缺陷检测技术

检测方法包括管道潜望镜（QV）、闭路电视检测（CCTV）、声呐检测、检测等。其中，管道潜望镜检测效率较高，但只能粗略定位缺陷部位；闭路电视检测可以对缺陷部位精确定位，但其效率较低；声呐检测效率较低，在管道降水困难的情况下可作为管道潜望镜检测和闭路电视检测的补充测量手段。鉴于QV检测的灵活性及全覆盖性，本研究采用QV检测作为主要手段，针对重点管段采用CCTV检测进行详细排查，同时增加声呐及人工检测作为辅助手段。

二、管道缺陷检测结果与分析

1.管道缺陷检测结果

利用上述管道检测技术对武汉市汤逊湖片区内管径在DN200～d1600mm之间491.4km的管道进行检测，其结果见表1。

表1 研究区域内管道缺陷检测结果

表1调查结果显示，研究区域内缺陷总数26871处，其中结构性缺陷9791处，占缺陷总数的36.43%，功能性缺陷17080处，占缺陷总数的63.56%。功能性缺陷为结构性缺陷的1.74倍，本区域管道缺陷主要为功能性缺陷，但结构性缺陷也不容小觑。对管道缺陷按损伤程度进行分析，其结果见图1。

图1 管道缺陷结果柱状图

结合表1和图1可以看出，管道1级缺陷总数为16810，其中结构性和功能性占比分别为24.2%和38.36%；2级缺陷总数为5546，结构性和功能性占比分别为7.68%和12.96%；3级缺陷总数为2347，结构性和功能性占比分别为2.92%和5.81%；4级缺陷总数为2168，其中结构性和功能性占比分别为1.63%和6.43%。其中，1级缺陷最多，2级缺陷次之，3、4级缺陷数量基本相当；在1、2级缺陷中，功能性缺陷是结构性缺陷的1.6倍左右，3级缺陷中功能性缺陷为结构性缺陷的2倍，4级缺陷中功能性缺陷为结构性缺陷的3.9倍。由此看出，管道主要表现为1级轻微缺陷，随着缺陷等级的提高缺陷数量降低，而功能性缺陷的占比增加，管道缺陷主要表现为功能性缺陷。

2.功能性缺陷分析

（1）缺陷类型

表2为管道功能性缺陷的种类及发生的数量，各缺陷种类在结构性缺陷中的占比见图2。由表2可以看出，功能性缺陷中1级缺陷10307处，2级缺陷3482处，3级缺陷1562处，4级缺陷共计1729处。2、3及4级缺陷中沉积与障碍物是功能性缺陷的主要表现形式，1级缺陷中除上述表现形式外，结垢类型数量高达1213处，仅次于障碍物类型。另外，树根类型数量为111处，也需引起关注。功能性缺陷大多为1级缺陷和2级缺陷，总占比80.73%，4级缺陷数量高于3级缺陷数量，可见功能性缺陷引起的后果较为严重。

图2 不同功能性缺陷占比

表2 研究区域内不同损伤程度下各功能性缺陷的数量

从图表中可以看出，研究区域内功能性缺陷中沉积类型数量为12120处，占比70.96%；障碍物类型数量为3338处，占比19.54%；结垢类型数量为1291处，占比7.56%。沉积类型为主要功能性缺陷表现形式，其次为障碍物、结垢，而树根、残墙坝根、浮渣等缺陷类型出现较少。

（2）成因分析

功能性缺陷中沉积、结垢等缺陷类型的产生与区域功能、人口密度、排水体制、污水水质水量、降雨强度和降雨时空分布等条件有关。其中，按Crabtree研究结果将管道沉积物分为五类：Type A为沉降在管道底部的粗糙、松散并且能够抵抗水力冲刷的颗粒物；Type B与A类似，但由于其中掺杂脂肪等物质而具有较大粘性；Type C为污水与沉积物的交界面，是微生物生长代谢活动旺盛以及沉积物与污水间物质迁移转化活动频繁的区域，以上三类与管道底部沉积有关；Type D是管璧附着的生物膜，具有较高的生物活性，能够增强沉积物的凝聚性，大大降低其表面的粗糙度，从而增强抗剪强度，与结垢有关。同时，生物膜的存在减少了污水与管壁的接触，对混凝土管道具有一定的保护作用。

另外，排水系统中颗粒物往往含有大量带有粘性成分或细小颗粒物。Tait等在2003年研究指出，带有粘性的沉积物对于冲刷作用拥有更强的抵挡能力，即具有更高的临界剪切力。因此，地势平坦地区污水管道流速不大，管道水质、水量波动较大，管道流态不稳定，容易出现沉积、结垢现象，这些物质在长期的低剪切力环境下出现内部结构加强的情况而具备更强的抗冲刷能力。而浮渣、树根、残墙、坝根、障碍物等缺陷类型产生主要与施工、污水排放及后期运行维护有关。

2.结构性缺陷分析

（1）缺陷类型

表3为管道结构性缺陷的种类及发生的数量，各缺陷种类在结构性缺陷中的占比见图3。

图3 不同结构性缺陷占比

表3 研究区域内不同损伤程度下各结构性缺陷的数量

由表3看出，研究区域内结构性缺陷中1级缺陷6503处，2级缺陷2064，3级缺陷785处，4级缺陷共计439处，结构性缺陷大多为1级、2级，占比87.5%。各类型缺陷中，1级2级缺陷所占比例较大。1级缺陷中渗漏类型最少，仅为20处，其他类型则均在100处以上，错口类型高达4267处。2级缺陷中，除错口、破裂、脱节和变形类型外，其他缺陷类型发生处均在两位数。3级和4级缺陷中，除错口和破裂类型外，其他缺陷类型发生处均在两位数。由此可见，错口和破裂最为常见其引起的破坏性最大。

对上述缺陷进一步分析可以看出，错口数量为5940处，破裂数量为1000处，异物穿入数量为599处，变形数量为575处，腐蚀数量为515处，脱节446处。错口为主要结构性缺陷类型，占总缺陷的60.67%，其次为破裂（10.21%）、异物穿入（6.12%）、变形（5.87%）、腐蚀（5.26%）、脱节（4.56%）。

（2）成因分析

引起管道发生结构性缺陷，诸如变形、错口、破裂、起伏、渗漏、脱节、接口脱落等，根本原因在于管道受力异常，其主要表现在如下几个方面。

①不同土体沉降作用

不同土体性质管道沉降量不同，一般而言管道沉降量次序为：细砂＞粉土＞粘土。此外，降水是引起土体沉降的重要因素，不均匀沉降地质条件下，降水水位与管道沉降量呈现线性变化关系。由于土体发生不均匀沉降，对管道造成附加应力作用影响管道的正常受力状态从而引起结构性缺陷。

②管道自身条件

常见的排水管材有钢筋混凝土管和HDPE管。钢筋混凝土管延展性差、自重大，受到外部荷载作用时易导致接口问题，单节长度一般为2m，更容易引发接口问题甚至整段沉降破坏。HDPE管具有良好的挠曲性能，对土体的不均匀沉降有更好的适应能力，单节长度一般为6m，接口问题相对少，但该类型管道刚度相对偏低，当局部受力时，易产生变形甚至破裂等结构性缺陷。

在不均匀沉降地质条件下管道管径和管道沉降量成反比，管径越大管道的沉降量越小，管道抗错位能力越好。管道的沉降量和管道的埋深成正比，随着管道埋深的增大，上覆土体对管道的应力越大，土体对管道的束缚也会增加。

③施工质量

当排水管采用砂石基础、中粗砂回填时，管道施工过程中常出现管道衔接不合格、回填材料不达标、密实度不符合标准、回填直接用机械压实等情况，就产生管道结构性缺陷问题。

另外，支管暗接、异物穿入等缺陷类型与施工质量控制、后期运维有关，根据影像判断，异物穿入主要为从检查井穿入的各类线路、管线等。而腐蚀常见于钢筋混凝土管，主要由于污水各指标，如pH值、溶解氧、硫酸盐，COD值及悬浮物对混凝土腐蚀作用。

4.不同管道缺陷修复方法

制定管道修复方案时应针对不同情况选择适宜的修复方法。一方面在满足管道荷载、过流能力、使用年限等性能要求的同时应方便后期运维，做到合理、安全、经济；另一方面，注意对周边环境的影响，做好施工期间交通组织以及废弃物的合理处置。大范围片区的管网修复，更应在弱化影响周边环境以及居民生产生活这方面细化方案。

（1）功能性缺陷修复

管道功能性缺陷修复手段为工程清淤及管道机器人清淤。其中，工程清淤流程一般为：堵水、降排水→稀释淤泥→吸淤和截污→高压清洗疏通→通风、检测和井室管道清理→CCTV检测验收。目前应用较常见。淤泥现场处置对周边的环境影响较大，各路段应错开清淤时间。现场淤泥经简单静置脱水后，就近运至淤泥堆场进行自然干化，干化后的淤泥运至消纳场集中处理。而管道清淤机器人则利用搭载的淤泥吸泵抽吸沉积物，搭载的高压冲刷或淤泥松动设备去除硬度较大沉积物，作业过程对管道运行影响较小，但该法应用案例偏少，清淤效果有待检验。

（2）结构性缺陷修复

管道结构性缺陷修复主要分为开挖修复和非开挖修复两类。常见的为非开挖修复方法，包括土体注浆法、裂缝嵌补修复、不锈钢双胀环修复、不锈钢发泡筒、局部现场固化修复、现场固化内衬、机械制螺旋管内衬、短管焊接内衬、折叠管牵引内衬和水泥基聚合物涂层等。各种非开挖修复方法均有其适用的条件，如土体注浆一般要与其他修复方式联合使用；管道直径较大采用整体修复造价高；裂缝嵌补法造价较低，可操作性高，适用于d800及以上管径的钢筋混凝土管；短管焊接内衬、折叠管牵引内衬、不锈钢双胀环对过水断面影响较大；不锈钢双胀环、不锈钢发泡筒不适用绞车疏通，后期管道维护需配备相应的设备。

三、总结

本研究区域内污水管道缺陷总数为26871处，其中功能性缺陷占缺陷总数的63.56%。功能性缺陷中，主要缺陷类型表现为沉积，1级和2级占比80.73%，功能性缺陷成因与区域功能、人口密度、排水体制、污水水质水量、降雨强度和降雨时空分布等有关。结构性缺陷中，错口为主要类型，1级2级缺陷占比87.5%，结构性缺陷成因主要与管道受力异常、施工质量、后期运维等有关。管道缺陷修复应针对不同情况选择适宜的修复方法，综合考虑对周边环境的影响。