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西安建筑科技大学硕：t 沦文 天津市供水管网爆管折管分析及降漏对策研究 专业：市政工程 硕士生：张铁刚 指导教师：黄廷林教授 摘要 当前，我国大部分城市的城市供水管网时有发生管道爆管和折管事故，其 突发性强且危害大，对人民生活、工业生产和环境造成极大影响的同时，既浪费 了宝贵的水资源又增加了供水成本。随着人民对供水要求的不断提高，加强城市 供水安全已刻不容缓。因此，降低城市供水管道爆折事故发生率对促进我国供水 事业的发展意义重大。 本课题在收集了天津市2 0 0 1 年7 月至2 0 0 5 年3 月7 7 4 个供水管网爆管、折 管事故及相关资料的基础上，结合现场调查，通过对该资料的统计、整理和归类， 对天津市爆、折管事故发生的规律进行了分析。根据数理统计结果，对造成爆管、 折管的因素( 包括环境因素、管道因素以及管网的运行管理与维护等) 作了进一 步分析，初步探明了天津市城市供水管网爆、折管的原因和规律性。同时，结合 管网状态估计、水力计算和曲线拟合等方法对管网事故时漏失水量进行了估计。 最后，针对爆管、折管事故发生的原因，从多方面提出了天津市管网爆折管事故 预防和管网降漏对策，为天津市城市供水管网系统的安全运行提供科学依据和技 术支撑。 关键词：爆管；管网漏失；配水管网：降漏技术；漏失估计 西安建筑科技大学硕士论文 a n a l y s i so fp i p ee x p l o d i n ga n db r e a k i n ga n dr e s e a r c ho i l m e a s u r e so fr e d u c i n gl e a k a g ei nt h ew a t e rs u p p l y n e t w o r k so ft i a n j i nc i t y s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：z h a n gt i eg a n g t u t o r ：h u a n gt i n g l i n p r o f e s s o r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p i p ee x p l o d i n ga n db r e a k i n gi so c c u r r i n gi nm o s tc i t i e sw a t e rs u p p l y n e t w o r k si nc h i n a p i p ee x p l o d i n ga n db r e a k i n gh a p p e n su n e x p e c t e d l y ，w h i c h e x t r e m e l ya f f e c t sp e o p l e sl i v e sa n de n v i r o n m e n t ，a n dw h i c hn o to n l yd i s s i p a t e st h e p r e c i o u s w a t e rr e s o u r c eb u ta l s oi n c r e a s e st h ew a t e r s u p p l yc o s t w i t h t h e i m p r o v e m e n to fp e o p l e sn e e d s ，i ti sn e c e s s a r yf o rc i t yw a t e r w o r k st oe n h a n c et h e s a f e t yo ft h ec i t yw a t e rs u p p l y t h e r e f o r e ，i ti sc o n s i d e r a b l ys i g n i f i c a n ti nt h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s ec i t i e sw a t e rs u p p l yt od e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo ft u b i n g e x p l o d i n ga n db r e a k i n g o nt h eb a s i so fm a t e r i a l so ft u b ee x p l o d i n ga n db r e a k i n gi nt i a n j i nf r o mj u l y ， 2 0 01t om a r c h ，2 0 0 5 ，a f t e rd i s p o s i n ga n dc l a s s i f y i n gt h i sd a t u m ，t h eb a s i cl a w st h a t p i p ee x p l o d i n ga n db r e a k i n gh a p p e n e dw e r ed i s c o v e r e d a f t e r w a r d s ，a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c sd a t aa n dr e s u l to nt h es c e n e ，s o m ed e t a i lf a c t o r s ，w h i c ha f f e c t e dw a t e rs u p p l y s a f e t yi nt i a n j i n ，i n c l u d i n ge n v i r o n m e n t ，p i p e s ，o p e r a t i o na n de v e r y d a ym a i n t e n a n c e o ft h en e t w o r ka n ds oo nw e r ea n a l y z e d s o m ed e t a i l e dr e a s o n so ft u b i n ge x p l o d i n g a n db r e a k i n gw e r ev e r i f i e di n i t i a l l y w a t e rl e a k a g ev o l u m ew a sr e a s o n a b l ye s t i m a t e d b yu s i n gc o n d i t i o ne s t i m a t i o na n dh y d r a u l i cc a l c u l a t i o no ft h en e t w o r ka n dc h i v e f i t t i n g f i n a l l y , i nt h ec o n d i t i o no f p i p ee x p l o d i n gr e a s o n s ，s t r a t e g i e so f r e d u c i n gw a t e r l e a k a g ew e r er a i s e d s o m ef e a s i b l es u g g e s t i o n so np r e c a u t i o na n di m p r o v e m e n ti n f i a n j i nw a t e rs u p p l yn e t w o r k sw i l le n s u r et h ew a t e rn e t w o r k ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t yi n f u t u r ea tt h es a n et i m e ，t h e s es t r a t e g i e sw i l lo f f e rs c i e n t i f i cg i s ta n dt e c h n o l o g y s u p p o r t sf o rs a f e l yr u n n i n gi nt i a n j i nw a t e rs u p p l yn e t w o r k s k e yw o r d s ：p i p ee x p l o d i n g ；w a t e rn e t w o r k sl e a k a g e ；d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；r e d u c i n g l e a k a g em e a s u r e s ；l e a k a g ee s t i m a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：缮镀刚 日期：印彩力伊 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 r 保密的论文在论文解密后 论文作者签名：弛刚 注：请：瞎此页附在论文首页。 。jf 西安建筑科技大学硕二l 二论文 第1 章天津市爆管折管影响因素综述 1 1 天津市供水管网爆折管现状 1 1 1 天津市供水管网爆折管的背景 自改革开放以来，我国供水事业得到了迅速的发展。但是，由于供水设施 陈旧、技术水平提高缓慢、管理体制存在许多问题等原因，我国城市供水管网 的漏损率仍然偏高。据统计，1 9 9 8 年全国城市管网漏失率为1 3 0 5 ，产销差 约为1 8 t ”。天津市管网漏失率从1 9 9 1 年的6 9 4 增加到2 0 0 4 年的1 7 5 6 1 2 1 ， 已远远超过了国家规定指标值8 i l l , 更是比发达国家的漏失率高得多。因此， 天津市城市供水降低漏损的潜力较大，降低城市管网爆、折事故和管网漏失率 是非常必要的。供水管网严重的漏水给天津市的水资源带来了极大的威胁，同 时也带来了巨大的经济损失。 1 1 2 天津市供水管网爆折管的危害 天津市的供水管网也经历了上百年的历史，特别是在上世纪八十年代以后， 天津市供水行业有了突飞猛进的发展。随着城市化建设的不断发展，城市的经 济活动日益加强，城市人口急剧增加，这使得用水性质发生了变化，城市用水 量有了大幅度的增加。与此同时，供水管道的口径、管材、管线长度、水压等 都发生了改变。截止目前，天津市的供水管网总长度已经达到约4 1 6 6 k m ，供 水面积达到4 1 0 k m 2 l “。然而，由于天津 市供水管网的锈蚀、老旧、材质陈旧等 原因，管网漏水时有发生，漏失量也在 不断增加。其中，折管、爆管是管网漏 失的一种特例。如图1 1 所示，爆折管 事故具有突发性强、危害大、影响面宽 等特点。对于透水性好的土质，漏水往 往难以在地表及时发现，而且街道均为 硬质路面，即使路面下发生湿陷，也要 经过一段时间才能造成路面破坏，从而图卜1 爆折管事故现场 西安建筑科技大学硕二【二论文 大大延长了爆、折管事故漏水发现的时差，既造成自来水的大量浪费，又增加 了城区道路或市政设施的维护管理费用，对人民生活、：刖k 生产、社会安定和 环境造成极大影响。为了有效的降低供水成本、减少经济损失，保证供水的安 全性、高效性、可靠性和持续性，减少由于管劂维修所造成的环境和交通破坏， 研究降低漏失对策既是各个供水行业的当务之急，又具有极大的经济效益和社 会效益。 1 1 3 天津市供水管网爆折管的问题与控制 城市供水管网的建设和发展是一项长期而持续的艰苦工作。指明天津市供水 管网爆折事故的原因，提出降低管网漏失率是该课题的研究重心。天津市供水管 网主要以铸铁管为主，近年来才逐渐使用了各种新型管材。随着时间的推移，铸 铁管不断的老龄化和腐蚀，爆管和折管主要发生在了铸铁管上。因此，本课题主 要以铸铁管为研究对象。同时，发生在铸铁管的爆、折管尤其以直径3 0 0 r a m 以 上的漏失水量、社会影响以及供水管网正常运行的影响较大。本课题主要对管径 d n 3 0 0 以上( 含d n 3 0 0 ) 铸铁管的爆、折管进行了详细的研究和分析。 通过对天津市2 0 0 1 年至2 0 0 5 年城市供水管网的爆、折管事故的大量资料 进行整理分析后发现，造成天津市管网爆、折管的原因大致有：地质条件、管道 材质、管道腐蚀、管道接口方式、排气阀的设置、阀门的设置、地表荷载、外力 破坏、施：l 二质量、管网维护、水厂工况、管网压力、水温和水质等。 1 2 地质条件 天滓市地处中国北部，临近渤海湾，属于退海地。土质显碱性，土体中含有 大量沙粒，通常称为沙性土。该类二e 粒度较大，其二l 颗粒的排列多为单粒结构， 颗粒间的联结比较薄弱，土质疏松密实度较差，土的结团能力和抗剪切能力差， 遇雨天易沉降且流动性大。地下水位较高，接近地下水位区域易发生流沙和管涌 现象，影响地表二l 二层的稳定。土壤电阻率偏低，给管道的腐蚀提供了条件。另 外，季：肖变化对土质稳定有较大影响。土壤中含有大量的水分，水在4 。c 以上时 热胀冷缩，但在4 以下时就相反。天津市气候冬季寒冷，地表土层通常形成季 节性冻土，较深土层中所含水分向地表土层迁移并形成冰晶体使得土层膨胀， 西安建筑利技大学硕：七论文 会使埋设在土层冻结深度附近的管线发生侧向位移、错位而导致爆、折管事故。 次年温度上升后，地表二仁层解冻融化后，其中冰晶体随之融化使地表土层中含水 量大大增加1 4 】，二e 层处于饱和状态，土质软化，强度明显降低，在地表荷载的作 用下，导致路面开裂甚至翻浆，路面破坏后管线就极有可能发生爆、折管现象了。 _ 【 l j t - ，天津市市区内多河流，许多管线不得不横穿过河，这就加大了施工的 难度，使得供水安全难以保证。 1 3 管道材质 过去由于工业生产水平的限制，通常用作城市供水管网的管材主要是铸铁 管，其中灰口铸铁管占绝大多数。近年来，随着科技生产力的发展，出现了球墨 铸铁管、钢管、塑料管、玻璃钢管、镀锌管等新型管材。 普通灰口铸铁管：普通灰口铸铁是含碳量较高的以铁、碳、硅为主的多元铁 基合金。其中大部分碳以游离态的石墨析出，凝固后断口呈灰暗色。该灰1 3 铸铁 的显微组织为钢基体, h nj 4 状石墨。我国目前多采用连续浇铸工艺制造普通灰口 铸铁管。该工艺是冷金属模的铸造方法，在拉管脱模过程中，管壁内外表首先激 冷凝固，形成渗碳体的硬壳，然后借助其中心液相应的高温进行自行退火1 6 】。该 工艺具有诸多缺点，首先，连续铸造工艺 是人工控制铁水液面高度和拉管速度，整 根管子难以达到冷却均匀、结构密实、组 织一致。其次，由于冷却较快，无退火工 艺，导致表面产生淬硬而形成过冷石墨 层，管壁温度应力无法消除，出现冷脆层， 使管身脆性增加，不耐冲击，, , f e n 震动， 抗弯抗拉强度明显下降。最后，连续铸造图卜2 灰口铸铁管脆性破裂照片 工艺制造的管体组织不密实，难以消除气孔乖i 沙眼、黑渣子和内沟、重皮等铸造 缺陷l 。这些问题都是连续铸造工艺带给普通灰口铸铁管无法消除的先天性缺 陷，更是使用普通灰口铸铁管作为城市供水管的源头性隐患。普通灰口铸铁管作 为一种脆性材料，连续铸造的铸铁管容易损坏，适应不了高压、重载、震动、冲 击和不均匀沉降等复杂、恶劣环境的使用要求，使用时就不可避免的存在爆、折、 西安建筑科技大学硕二l 二论文 漏的风险( 如图1 ，2 所示) 。 球墨铸铁管：球墨铸铁管也称延性铸铁管，是由一定化学成分的铸铁，在浇 铸前用硅稀二l 合金或金属镁作为球化剂进行球化处理而获得，具有钢基体加球状 石墨组成的显微组织1 5 l 。该种管材具有耐冲击、抗腐蚀、韧性好、应变能力强、 抗拉强度高、延伸率大、重量轻、使用年限长等优点。我国从上世纪七十年代中 期开始生产和使用球墨铸铁管。球墨铸铁管通常采用离心浇铸工艺生产1 6 j ，该工 艺生产的管体与连续浇铸工艺的不同之处在于具有水冷退火、离心力作用和经过 热处理工序，使管体迅速降温，可以除掉蜂窝、气泡、夹杂等缺陷，机械性能大 有改观。 与普通灰口铸铁管的层状石墨结构相比，球墨铸铁管中石墨组织呈球状，它 的表而积为最小，这就消除了由层状石墨所引起的金属晶体连续性被割断的缺 陷，使抗拉强度、耐腐蚀程度、使用年限明显高于普通灰口铸铁管。经过热处理 之后，球墨铸铁管显微组织中形成铁素体，不但没有失去普通灰口铸铁的铸造性、 耐腐蚀性，还比普通灰口铸铁管增加了抗拉性、延展性、弯曲性、耐冲击性、抗 震动性和耐热性。此外，球墨铸铁管的壁厚比普通灰口铸铁管壁薄1 3 ，可以节 省钢铁，同时使施工维修更加方便、降低了劳动强度，大大提高了工效。球墨铸 铁管将是今后供水行业管材的首选，普通铸铁管将逐渐被淘汰。目前，发达国家 如美国、德国、日本、法国等国家城市供水管已有9 0 以上使用球墨铸铁管”】， 而我国由于技术和资金问题，球墨铸铁管的使用率还比较低。 1 4 管道腐蚀 城市供水管网大多敷设在地下，因 此，城市供水管道的外腐蚀主要是二e 壤 腐蚀( 如图1 3 ) 。土壤腐蚀是指土壤 的不同组分和性质对材料的腐蚀1 6 1 。土 壤腐蚀多属于电化学腐蚀，所谓电化学 腐蚀就是指金属与电解质溶液( 多为水 溶液) 发生电化学反应而发生的腐蚀。 图1 3 灰口管道的外腐蚀照片 砥安建筑科技大学硕二i ：沦文 由于二l 壤是气、液、吲三相物质构成的复杂系统，二 ：壤腐蚀也是一个很复杂 的过程。通常认为二i 二壤腐蚀有： ( 1 ) 微电池和宏观电池引起的二l 二壤腐蚀 微电池和宏观电池都属于电化学腐 蚀。微观电池腐蚀是由铸铁金属组织不均匀性引起：宏观电池腐蚀是由土壤介质 的不均匀性引起的i “。 ( 2 ) 杂散电流引起的土壤腐蚀杂散电流是指由原定的正常电路漏失而流入 他处的电流，电流从地下管道的某处流入，接着另一处流出，电流流出铸铁管进 入大地处就成为腐蚀电池的阳极区，该区金属经常遭到腐蚀而破坏，其腐蚀程度 与杂散电流强度成正比。 ( 3 ) 土壤中微生物的腐蚀缺氧、密实、潮湿的土壤环境有利于微生物的生 长。因此，铸铁的腐蚀还有微生物的作用，如硫杆菌和硫酸盐还原菌等【6 | 。这些 细菌可能引起土壤物理化学性质的不均匀性，从而造成氧浓差电池腐蚀，同时细 菌的新陈代谢物，如c o ：、h ：s 和酸可能会对金属造成不同程度的腐蚀5 】。 影响土壤腐蚀程度的因素有：孔隙度、电导率或电阻率、溶解盐、湿度、酸 度或碱度等1 7 j 。空隙度越大，有氧的可能就越大，腐蚀的机率就越大；电导率越 高或者电阻率越低，腐蚀的概率就越高；溶解盐越多，腐蚀的就越快；湿度越大， 越易腐蚀；酸度与金属的腐蚀成正比。 铸铁( 包括普通灰口铸铁和球墨铸铁) 的腐蚀主要 与其成分和微观组织结构有密切关系。铸铁的腐蚀包括 内腐蚀和外腐蚀两种。土壤中铸铁的外腐蚀主要是由微 电池腐蚀、宏观电池腐蚀和杂散电流腐蚀等引起。铸铁 管道外表通常采用石棉沥青多层涂层进行防腐，外腐蚀图1 4 管道内腐蚀照片 的根本原因在于施工或维修中没有做好或损坏了管道的防腐层，防腐层的破损导 致了管道的局部腐蚀。土壤中铸铁管的内腐蚀主要是由电化学腐蚀和化学腐蚀引 起9 】。铸铁管道内壁通常采用水泥砂浆转喷层或有机环氧树脂来进行防腐。管道 内腐蚀的主要原因是水泥砂浆内涂层的脱落( 如图1 4 所示) ，导致铸铁管直接 与水流相接触而引起局部腐蚀。 铸铁易于铸造，价廉易得，缺口敏感性低，耐磨性好，在土壤、淡水甚至碱 性溶液中都有较好的抗腐蚀性，受到城市供水企业的青睐。普通灰口铸铁和球墨 西安建筑科技大学硕士论文 铸铁的耐蚀性相近，但球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性优于普通灰r l 铸铁管。 此外，钢管由于抗二e 壤腐蚀能力差，对管道内外防腐保护层施工要求比较高 因此，钢管仅应用在大管径或自然地质条件比较恶劣的环境中。 1 5 管道接口方式 对于城市供水管道而言，不同的管材有 不同的接口方式。钢管常采用焊接或法兰接 口。塑料管通常用热熔或法兰方式来连接。 铸铁管由于铸造成承插式接口，常采用承插 式接口方式。承插式接口包括刚性接口和柔 性接口两种。普通灰口铸铁管常采用石棉水 泥砂浆抹灰刚性接口，球墨铸铁管通常采用 橡胶圈柔性接口方式。图卜5 灰口铸铁管刚，眭接口照片 铸铁管的刚性接i - 分为嵌缝和密封填料两部分。嵌缝的主要作用是使承插 口缝隙均匀和防l l 填料流串到管内。如图1 5 所示，嵌缝的材料有油麻、水泥、 粗麻绳、石棉绳和橡胶圈等。油麻和粗麻绳在管道安装初期增加了承插口的摩擦 力和粘着力，但易于腐蚀，腐蚀后滋生细菌，影响管网水质，同时，对接口的粘 着作用消失，导致接v 1 在外力作用下移位甚至脱落。石棉绳和橡胶圈不仅使缝隙 均匀，而且使填料层具有良好的阻水作用。密封填料既能起到密封又能起到稳定 胶圈的作用，使其在水压作用下，胶圈不会向外脱落。刚性接e l 的缺点是接口坚 硬，不具备抗弯、抗拉、抗剪切能力，在外力作用下，对管道扭转、振动、移 位的抵抗能力差。此外，刚性接口施工和运 行中都受到温度的较大影响【9 l 。 铸铁管的柔性接口分为滑入式橡胶圈接 口和机械式橡胶圈密封接口两种形式1 ”。滑入 式橡胶圈接口施工简便，不需要其他管材附 件，目前应用极为广泛，尤其应用于球墨铸 铁管。如图1 - 6 所示，橡胶圈放入承口预留的图卜6 橡胶圈柔性接口照片 槽内，在接口内处于受压状态，各方向受力均匀，起到密封管道的作用。该种接 西安建筑科技大学硕士论文 口的优点在于：承- 】和插1 仅在橡胶圈处紧密结合，其它部位有一定的问隙，可 以容忍接e 1 两边的管段有定限度的伸缩、沉降、移位、震动，使得接口的抗弯、 抗剪切、抗拉脱和抗扭转应变能力i 岿显优于刚性接口】：橡胶圈的寿命优于油麻 和石棉，且对管网水质污染极小。i t # l - ，柔性接口的施工维修要t t f t l l 性接口省时、 省力得多，从而降低了事故的抢修时问。因此，柔性接口方式今后将会更加普遍 的应用于城市供水铸铁管。 钢管通常采用焊接法来连接，该法施： 方便，但需要电能施工，且焊缝处易 腐蚀，甚至开裂。 1 6 排气阀的设置 水中通常溶解有一定的气体，在输水过程中也随水流带入管道一些气体，这 些气体混合在水中又逐渐释放出来，聚集在管道内顶部，压缩过水断面，增加输 配水过程的水头损失。严重时，造成排气不畅，管道内聚集气团在水流作用下被 压缩。一旦用水量变大，气团膨胀对水流释放高压力形成大型气爆水锤m 】，常常 引起管材的几何变形、裂缝，甚至爆、折管事故。天津市地势较平坦，但市区多 河流，穿河管较多，也有一些地势起伏的地区。在管网停水或新建好启用时，充 水过急，排气不充分1 2 “，管线起点闸门开得过急，管内水流速度过大而形成水锤， 导致严重爆管事故。铸铁管和钢管常常被成块掀掉，造成突发性漏水事故。 目前，排气阀主要分为手动排气阀和自动排气阀两种。手动排气阀需要经常 维护，且人工开闭，受人为因素影响较大。有时难以排净管道内的气体，起不到 排气阀的作用；有时又过度排气，造成大量自来水浪费。自动排气阀设置利用浮 球原理【2 0 】，开启和关闭都是自动的，通常受人为因素的影响较小，维护方便，只 需定期巡检。值得指出的是，目前我国_ - e i i n 造还不先进，自动排气阀质量不高， 寿命短，容易开关失灵，很难保证正常排气。一些供水企业已经开始采用国外公 司的高新排气产品。 1 7 阀门的设置 阀门可以调整城市供水管网中水流的方向和流量，同时在紧急漏水事故抢修 中可以迅速隔离漏失管道，对减少事i 坟危害有至关重要的作用。i ! i 前，天津市城 西安建筑科技大学硕二1 二论文 市供水管网拥有一万多个阀门 z o j ，它们 是城市供水管网不司或缺的重要部分。 在城市供水管网中，由于管道管径较大， 主要应用闸阀和蝶阀两种。闸阀是管网 中应用最广泛的一种阀门。闸阀具有水 阻力小、启闭力小、水流可反向流和造 价低等优点；但是，其结构复杂、体积 大、笨重、启闭速度慢、密封面容易擦 图卜7 闸阀的启闭部件照片 伤、易腐蚀、施工及维修工程量大而复 杂。如图1 7 所示，塘沽生产的d n l 0 0 0 的闸阀，其完全开启或关闭需要转动4 0 0 5 0 0 圉，劳动强度大，开关闸速度慢，启闭闸时问长，无形中加大了漏水量。由 于转动圈数过多，闸杆与闸体的密封部位摩擦较大”，仅仅数次的启闭就会造成 该部位出现缝隙而持续漏水。日积月累，这种漏水可能要比一次大型事故的漏失 水量更为显著。闸阀内侧和闸板仅涂有防腐层，一旦防腐层破损，抗腐蚀能力差， 严重时闸板和闸阀内侧无法紧密接触，起不到关闸止水的作用。此外，闸阀不能 处于半开启状态，因为闸板与闸杆是一端相连，在半启闭状态闸板受到冲击负荷 较大，甚至造成闸板边缘出现缺口，使止水作用无法实现，影响启闭部件的使用 寿命。 蝶阀是一种相对新型的阀门。如图1 8 所示，这种阀门中的阀瓣，利用偏心 轴或同心轴旋转的方式达到启闭的作用。该种阀门具有 价格低廉、体积小、结构简单、拆装方便、操作灵活、 启闭速度快、省时省力等优点。适用于管道间距较小和 埋深较浅的管道上。阀瓣和阀体之间两端连接，在半启 闭的状态下，阀瓣的受力情况较好，适合于流量调节。 蝶阀内表面采用橡胶皮附着，使水在正常情况下不和闸 体金属相接触，大大提高了蝶阀的耐腐蚀性。但是，蝶 阀的缺点在于，启闭速度比闸阀快得多，不易控制，尤 其对大口径供水管而言，会导致水锤和水击现象，威胁 图卜8 蝶阀照片 城市供水安全可靠性。 西安建筑科技大学硕二i 二论文 除了阀门本身的启闭造成水锤水击危害以外，大型阀门的位簧和问距设置不 合理，也会造成管网内水流速度变化剧烈，水压传递较慢，水量分配不稳定等后 果口”。流速的剧烈变化可能演化成水锤而破坏管道；水压传递缓慢可能会导致管 道的薄弱环节( 如点蚀处、铸铁管的承插口处) 发生管道裂缝甚至爆、折管等漏 水事故；水量分配不稳可能会引起供水可靠性的问题。此外，由于阀门井的潮湿 环境和阀门启闭磨损，阀门的腐蚀和漏水问题不容忽视。阀门的漏水恶化了阀门 井的环境，加之管网维护：i ：作不到位，加快了阀门的腐蚀，形成了恶性循环，缩 短了阀门的寿命。 1 8 地表荷载 通常城市供水管道大都埋藏在地下，因此，管道不可避免要承受一定的地表 荷载。地表荷载是指承受物所承受的地表以上的荷载。地表荷载通常包括静荷载 和动荷载两种。静荷载是由地面固定物产生的，如电杆，交通隔离水泥墩。铁路 和桥梁支墩等。静荷载长期对管道施压，使管道局部持续处于拉伸或压缩状态， 尤其对铸铁管而言，处于拉伸状态可能是漏水事故的前兆。 地表动荷载是由地面移动物而产生的，如重型汽车，火车，大型机械等。动 荷载虽对管道问断作用，但相对静荷载而言，动荷载的破坏性大得多。土壤遇到 动荷载时，会产生巨大的扰动【l ”，土质结构发生变化。土壤扰动使得管道也随之 震动，由于铸铁管材的先天脆性，震动造成管道所受的拉压力是铸铁管不能承受 的。这常常会导致管道几何变形和渗漏，土质变软，进一步导致地面塌陷和管道 口漏甚至爆、折管等大型漏水事故。 此外，由于城市基础设施管线种类多，系统庞大，有些管线( 尤其煤气等压 力管线) 和供水管相交时间距过小。在地表荷载的作用下，管道震动或位移使得 相近管线产生碰撞和硌压而导致管道破裂的事故时有发生。其后果的严重性是难 以想象的。 随着城市的发展，城市道路不断地改修和加宽，使得先前敷设在人行道或隔 离带的供水管道成为大型车辆必经的快速车道。加之管道没有随之改线或新建， 地表动荷载的危害无形中更加明显，可能会导致管道的硌压和碾压。这些管线一 旦漏水，将会对交通和城市基础设施造成难以估量的损失。 殖安建筑科技大学硕二f ：论文 1 9 外力破坏 当前，各个城市都在进行城市基础建设，尤其交通道路设施的建设最为突出。 在道路建设中，由于棚关部门之问缺乏协作，施工部门不了解已有供水管线的具 体敷设情况就卣目施：l 其中主要是大型挖掘机械直接碰撞、碾压、挖断管线造 成漏水。这些漏水事故发生突然，管道破裂面积大，且大多为大口径供水管，漏 水量大，影响范 t i l l 一，难于维修。 此外，外力破坏可能间接破坏供水管。例如，当降低一段城市道路的路面高 度时，管道埋深明显减小，施工过程中大型修筑机械的碾压和震动以及在管线上 堆放重量较大的物料，导致管道强度锐减，寿命缩短，给城市安全供水埋下隐患。 1 1 0 旌工质量 施工质量是管网建设的重中之重。在城市供水管线的新建以及改线过程中， 由于诸多社会因素，如招投标不规范、旌工单位技术能力不达标、管材不合格、 监理不严格、验收把关不严等，造成施工质量不合格。诸如利用劣质管材，管道 底部土层处理不均匀，接口不严，防腐层不密实，钢管焊接粗糙且无防腐处理， 阀门设置不合理，管道敷设扭曲有残余应力，水压试验不达标的环节性问题。任 何施工质量的问题都将是管网漏水、甚至爆管、折管的源头性隐患。 同时，其它城市基础设施建设的施工质量问题也可能损坏城市供水管网系 统。主要表现在道路、桥梁和建筑物基础经过或临近管线时，对附近供水管不做 任何保护或保护强度不够。施工过程中重车对管线肆意碾压和震动造成巨大的 损害。该种损坏修复时难度加大，有时管线位于桥梁、铁路的基础之下，根本就 无法修复，只有报废此管，改线重新敷设。无形中加大了城市供水管网的维修费 用，浪费供水企业资金。在其它城市基础管线建设中，有时不可避免要与城市供 水管相交。但在施： 中，不加任何保护，供水管随意被架空或挖掘至裸露的现象 时有发生。尤其较大管径，由于挖掘中的碰撞和击打”“，使管道可能存在了薄弱 环节，架空或裸露就极有可能导致管道破裂甚至爆裂。即使当时不发生事故，长 时间后逐渐演化为管道的不均匀沉降和地表荷载作用下的管道扰动，最终也将导 致爆管、折管等漏水事故。 西安建筑科技大学顶：l 论文 1 1 i 管网维护 城市供水管网是一个极其庞大的系统，不但管网的 建殴很重要，管网的维护也同样重要。许多漏水事故都 是由于城市供水管网的维护不到位而造成的。日常巡检 和听漏不及时，造成渗漏、暗漏发现延迟2 i ，漏水损失 加大，甚至小型漏水事故演变为大型爆、折管漏水事故。 市政基础建设中，施工危及供水管网时，没有管网维护 人员的现场监督和协作，造成随意管道被硌压、碾压、 侧向位移和不均匀沉降等问题，本来可以避免的漏水事图卜9 闸阀的腐蚀照片 故发生。管网的附属设施，如阀门、消火栓和水表等，没有定期启闭检测和养护， 造成锈蚀、排气阀失灵、闸阀不能迅速启闭。如图1 9 所示，当漏水事故发生时， 闸阀因为严重腐蚀而无法及时断水，造成水量浪费和延长维修时间。没有和 用水户建立良好的交流平台，用户了解的管网信息无法及时反馈到管网维护部 门，管网病态运作的问题得不到及时解决，以至于酿成大的漏水事故。管网的新 建及维修选用不同的旌工组织，使得管网建设不具备连续性，管网的建设、运行 和维护严重脱节，无法达到系统化、正常化和运行管理一体化。 1 1 2 水厂运行工况 水厂运行工况就是指自来水厂为了满足供水用户的需要，根据每天各时刻的 用户需水量，调节水厂出厂水量和压力。通常，当城市只有一个水厂供水时，水 厂工况调节比较简单，便于管理和实现工况的优化。但是，城市有多个水厂同时 分区供水时，水厂运行工况调节就变得复杂，难于管理，各时段变化较大。如图 1 1 0 所示，天津市的供水现状就属于多水厂联合供水，其中包括芥园、凌庄和新 开河三大水厂。加之天津市供水管网长度极大，因此，天津市的水厂运行工况调 度就显得尤为重要。三大水厂分区联合供水，在各区的不同水厂供水交汇处都有 大管径管道相连，以提高供水系统的安全可靠性。由于自来水供用的时刻变化性、 多样性、广域性、大时滞性，水厂工况变化频率较大，通常采取集中统一调度。 在调度过程中，三大水厂的联络和出厂主干管就成为了安全供水的瓶颈。原因在 西安建筑科技大学硕士沦文 于：水厂不断调度其厂水量和水压， 而水厂的出厂主二f 管通常面对城市管网 的最大压力，该处水量和压力变化较大， 压力释放帚l 传递缓慢，常常会导致爆管 折管等大型漏水事故。事故一旦发生， 后果极其严重，漏失量大，整个水厂供 水停止，停水面，维修难度大。另一 方面，各大水厂联络管通常也会因为其 中水压高，水流速度大，水流方向相反， 水流碰撞时产生大型水锤，压力释放缓 慢，碰撞处难以承受而导致管道破裂。 这就要求水厂运行工况的调度要缓慢进 行。同时，在这些地方要采用强度较高图1 1 0 天津市水厂布局图 的管材以预防爆管、折管事故的发生是非常必要的。 1 1 3 管网水压 城市供水厂通常不但要供给用户足 够的水量，而且要保证充分的水压。如图 1 - 11 所示，天津市城市供水的正常水压通 常保证在2 0 3 1 m 水柱之问【“。由于天津 市供水管网跃达4 1 6 6 k i n ，要使远离水厂 的用户水压有保证，就必须加大水厂出水 的水压。目前，水厂f ：i _ ；水的水压有时达3 5 m 水柱，使水厂的出厂主干管和三大水厂的 连接管承受较大的压力。在主干管和连接 管中，水压高，流速大，不同方向水流碰 撞易产生水锤现象，导致管道破裂。由于 用户用水具有时段性，通常：肖假日大于平 时，白天大于夜间。因此，不同供水时段图卜11天津市供水管网压力分布图 西安建筑科技大学硕二i 二论文 管网压力分布是截然不同的。用水高峰时，管道中水流速度较大，水头损失大， 压力减小迅速，一些远离水厂用户的水量和水压难以保证；用水低潮时，管网中 水流速度极小，水压传递缓慢，整个管网压力分布不均，且处于较高压力下，这 使得管道薄弱处易发生较大漏水事故。这些事故在夜间不易发现，抢修困难，无 形中加大了事散漏失水量。 此外，管网压力会对管网水质造成不良影响。尤其夜问用水少，易使水中杂 质沉积和管道腐蚀。任何用，o 的用水，流速都会很高，可能会将管道内沉积物和 结垢物带入用户，影响用水水质。在管网出水向时段高峰过渡时，一旦水流方向 改变或水流速度剧变，往往形成出浑水、黄水、红水、水发臭的现象，水质恶化。 目前，天津市城市供水管网为了及时发现管网压力的实时值，在全市范围内 布设了4 2 个在线测压点，大约每1 0 k r a 2 布设一个i “。通过这种手段，大致了解 全市供水管网压力分布，一方面便于三大水厂联合优化运行工况，另一方面可通 过压力变化及时发现管网漏失，尽早排除。 1 1 4 水温 天津市地处中国北部，四季气候变化较大，城市供水管网中水温随季节变化 也较大。近年来天津市供水管网水温大致分布是：1 3 月份和1 2 月份约为o 1 0 。c ，4 月份和1 1 月份为l o 2 0 ，5 1 0 月份为2 0 3 0 。水温的变化 对管网的水质和供水安全可靠性也有一定的影响。首先，当管道接口为刚性接口 时，温度的较大变化会使管道产生伸缩和侧向位移等现象，这可能会导致管道接 口处水泥脱落，油麻松动，产生缝隙漏水现象。其次，水温的变化，可能使管网 中滋生细菌和藻类，水质恶化。如果这些微生物大量繁殖，就会在管道中形成生 物性结垢，减少了管道供水的有效管径，严重时导致管道堵塞。生物的存在加快 管道内防腐层的脱落，使管道面临点蚀。此外，温度的变化使得地表土层的力学 性能发生变化，土壤的冻结和解冻过程常常使管道遭受额外的轴向拉应力而出现 管网爆、折事故。 1 1 5 水质 水质问题一直以来都是社会和各供水企业关注的重点。水质不但是供水行业 西安建筑科技大学硕士论文 的一个重要指标，也是供水企业水处理能力的反映。一方面，水质不良会造成负 面社会影i i i 自，损害供水企业和政府形缘。目前，正常供水情况下，天津市用户管 处水浊度大致为o t 8 1 n t u i ”，已达到国家新标准。用户水质大多数情况下不存 在问题了。但是，管网发生爆、折管事故时常常会出现水质问题。如管道破裂时， 在关闸后负压条件下，管外脏水流入管内而造成水质下降。另一方面，管道内水 质的好坏直接影响着管道的腐蚀和管网的渗漏。例如，p l - i 值小于7 时，金属管 易发生腐蚀，形成腐蚀沉淀；而p i 大于7 时，腐蚀会减弱，但这时碳酸盐可能 处于过饱和，仍有结垢的倾向。天津市水厂出厂水的p h 约为7 5 左右，属于后 一种情况。值得一提的是，天津市全年采用黄河水和滦河水交替作为城市供水水 源。当采用黄河水时，由于黄河水含氯离子较多，而氯离子会破坏管壁保护性碳 酸盐薄膜，产生大量的腐蚀性沉淀的作用。尤其当管道内防腐层为水泥沙浆抹灰 层时，氯离子的腐蚀作用就不可小视了。 1 1 6 总结 在了解天津市的供水现状乖i 调查历年天津市供水管网爆、折事故的基础上， 对可能造成天津市管网爆、折事故的因素进行了分析和论述。指出了天津市城市 供水管网爆折事故的主要因素：地质条件、管道材质、管道腐蚀、管道接口方式、 排气阀的设置、地表荷载、外力破坏、施工质量、管网维护、水厂运行工况、管 网压力、水温和水质等，且各因素之间相互影响，相互作用。为本课题的研究指 明了方向和方法。同时，结合他人已经研究的成果发现，一些影响因素可能在特 定的环境下影响管道的安全运行，需要进行特定环境下深入的现场调查、历史数 据分析甚至辅助人工模拟实验来研究。对于导致天津市供水管网爆折事故的各影 响因素，要采取从整体考虑，从局部入手的原则，先个别分析，再整体考虑它们 之间的相互作用，以彻底探明各因素的破坏作用。 硒安建筑科技大学硕二e 论文 第2 章数据统计与分析 课题组从2 0 0 1 年7 月至2 0 0 5 年3 月对天津市的爆、折管事i 孜历史资料进行 了统计凋查，并对2 0 0 5 年4 月和5 月天津市发生的实时爆、折管事故进行了现 场考察。在全而了解天津市供水管网现状的前提下，对所得数据从不同方面进行 详细地整理、归类和分析。 2 1 历年事故数据的分析整理 从2 0 0 1 年7 月至2 0 0 5 年3 月，天津市城区供水管网共发生7 7 4 起管径大 于等于d n 3 0 0 的管道爆管和折管事故。由于这些大型事故发生突然，目前的检 测技术落后难于预测和检测到，维修和排除故障困难，造成了较大的影响。因此， 分析事故原因是本课题研究的主要任务之一。下面就从不同的角度统计分析历年 来天津市供水管网爆、折管的数据。 2 1 1 按事故发生年份统计 由于天津市管网爆、折管历史资料原始记录保存期限的限制，2 0 0 1 年的数据 仅收集到一部分，无法全面统计对比。因此，在这部分仅统计对比2 0 0 2 年、2 0 0 3 年和2 0 0 4 年的爆、折管历史数据。这三年共发生6 9 9 起管道爆、折事故。其中， 2 0 0 2 年爆、折管事故数为8 8 起，2 0 0 3 年为3 0 2 起，2 0 0 4 年为3 0 9 起，如图 2 1 所示。 由图2 1 看出，从2 0 0 2 到2 0 0 3 年， 天津市爆、折管数量呈明显增加趋势， 而2 0 0 4 年较2 0 0 3 年增加平缓，变化不 大。从总体上而言，近年来天津市供水 管网爆、折管事故呈逐年上升趋势。因 此，由于多种原因造成的天津市爆、折 管事故应引起政府和相关职能部门的 图21 按年份爆折事故分布图 高度重视。 西安建筑科技大学硕士论文 近两年爆、折管事故发生率上升的主要原因包括： ( 1 ) 管道本身物理、化学和机械性能不高导致管道使用中具有先天性缺陷； ( 2 ) 管道长期腐蚀致使局部薄弱或老化； ( 3 ) 气候变化异常而导致地质条件和管道基础发生较大变化； ( 4 ) 城市发展速度加快使城市管网供水量增大，管网负担加重； ( 5 ) 市政和城市建设过程中造成供水管道损坏，管道敷设和维修时施工质量 不合格导致管道运行环境恶化等。 2 1 2 按事故发生月份统计 将2 0 0 2 年至2 0 0 4 年天津市供水管网爆、折管事故历史数据按逐年逐月整理， 采用折线图表示，就会发现天津市爆折管事故发生的季节变化性，如图2 2 所示： 1 2 0 1 0 0 8 0 蠡6 0 午 4 0 2 0 0 1234567891 0 月份 图22 天津市爆、折管数按月份分布图 由图2 2 得出，近三年天津市供水管网爆、折管事故发生具有比较明显的季 = 仃性规律。每年的事故按月份分布基本一致，大致从5 月份到1 2 月份都是爆、 折管事故发生的高峰期，而其余月份发生率相对较低。分析天津市爆、折管事故 发生的季节性，其原因主要有： ( 1 ) 5 月、1 1 月和1 2 月是天津市季节变化的明显分界点，地质受季节和气 温的影响变化较大，可能会出现土壤冰冻膨胀，二e 壤融化翻浆及土质承受地表荷 载能力的下降等问题。由此可能会引起管道基础不均匀沉降，管道受到土壤膨胀 的挤压，路面破损而加重管道地表荷载等问题。温度的变化和地表荷载导致管道 伸缩和移位，以至于管道接口承受纵向应力而破损或脱落，常常导致供水管道发 两安建筑科技大学硕二i ：论文 生爆、折管事故。 ( 2 ) 6 月至1 0 月之间，由于气温较高，城市居民用水量较其它月份明显增 加，且时变化系数较大。这常常导致管网的水流速度、管网压力和水厂运行工况 变化快，甚至非常剧烈，使得主干管和水厂问的联络管发生大型水锤和水击。一 些年久腐蚀疲劳的管段不能承受水锤冲击，加之如地表荷载、地质变化、管道施 工质量及管网维护不及时等因素的辅助影响，便会导致6 月至l o 月供水管网发 生较多爆、折管事故。 因此，分析供水管网爆、折管事故发生的季节性规律，对爆、折管事故的预 防、检测、抢修、管网的日常维护都有重要的指导作用。 2 1 3 按事故管径统计 将2 0 0 2 年至2 0 0 4 年天津市供水管网爆、折管事故的历史数据按管径整理如 下表2 1 ： 表2 - 1天津市爆、折管事故按管径统计表 d n 3 0 0 d n 4 0 0 d n 5 0 0 d n 6 0 0 d n 8 0 0 d n l 0 0 0 d n l 2 0 0 合计 据表2 1 可以得出，天津市近三年供水管网爆、折