排水管网维护新技术的应用

1、排水管网维护新技术的应用刘华平 朱军（上海乐通管道工程有限公司）摘要：本文介绍了管道健康评估、非开挖修复、流量测量及水力模型新技术，该技术能够提高排水管网管理与维护效率，增强排水管网运行的安全性。关键词：cctv检测 声纳检测 非开挖修复 流量测量 水力模型城市排水设施是城市建设的基础设施，搞好城市排水管理对城市的环境保护、城市的建设和经济发展都具有重要的意义。城市管网系统犹如人体的循环系统一样，人有了病要诊断和医治，同样管道出现了问题需要检测和修复。随着人们对城市环境要求的逐步提高，现阶段对排水系统的运行管理和维护提出了更高的要求。如何实现排水系统安全、经济、自动化的运行，是摆在排水行业管理

2、者面前的一道难题。应对这一挑战，排水行业的管理者不断调整优化运行管理方案，以期充分挖掘管网系统的潜力，实现现有资源的最大化利用。1排水管网管理与维护现状排水管道肩负着收集、输送城市雨污水的重任。据统计，截至到2004年，我国已建成城市排水管线总长约21.89万公里。地下排水管线已成为城市经济发展和人民生活保障的生命线，具有举足轻重的作用。但是，城市排水管网的老化和管理的落后严重制约了社会的发展。以上海为例，上海市地下水位很高，管道系统役龄较长。现有管道系统在管材、接口方式、施工工艺方面抗渗能力差。据统计，上海市总长4000km的排水管道中，接近和超过耐用年限（30-40年）的约为1200km，

3、占管道总长的30。对合流一期工程服务范围内地下水渗入量的调查显示1，区域内部分排水系统的地下水渗入量超过污水总量的20。过多的地下水渗入导致现行排水管网运行中不堪重负。由于受管理体制、资金等影响，我国城市管道病害往往在出现初期得不到发现和维护，等到发展出现重大事故时才做应急处理，这时已对国家财产造成巨大经济损失2。并且受技术手段的限制，对于众多存在复杂问题的管道缺乏有效的维护办法。管道健康评估、非开挖修复、流量测量与水力模型等技术提供了管网运行和管理中遇到难题的解决方案，丰富了排水管网管理和维护手段，降低了由于管网出现问题造成的损失。2管道健康评估技术21 cctv检测技术211 cctv发展

4、背景管网健康检查一般采用管道内窥电视检测系统，即cctv（closed circuit television）检测。 cctv爬行器 检测结果图片管道检测是进行修复和合理养护的前提，目的是了解管道内部状况。根据管道内部状况，可以确认管道是否需要修复和修复应采用何种工法。对于人员可以进入的大管径管道，从经济上考虑，可以派施工人员直接进入检查记录。而对于人员无法进入的管道，必须采用其他方法。现今使用最普遍的检测工具是管道闭路电视检测系统（简称cctv）。该系统出现于20世纪50年代，到该世纪80年代此项技术基本成熟。通常，cctv系统安装在自走车上，可以进入管道内进行摄像记录。技术人员根据检测录像

5、，进行管道状况的判读，可以确定下一步管道修复采用哪些方法比较合适。上海乐通管道工程有限公司是国内最早将cctv检测技术广泛应用于管道内部状况检测的专业公司，率先在国内一些省市如上海、江苏、浙江、广东、湖北等开展该类检测工程，在排水管道健康检测领域取得了非常好的效果。212 检测评估（1）管道结构状况评估ri=0.7×f +0.1×k +0.05×e+0.15×t 式中：ri-管道结构状况评估指数，即修复指数f-结构性缺陷参数k-地区重要性参数 e-管道重要性参数 t-土质影响参数 （2）管道功能状况评估mi=0.8×g +0.15×k

6、 +0.05×e 式中：mi-管道功能状况评估指数，即养护指数g-功能性缺陷参数 k-地区重要性参数 e-管道重要性参数 （3）评估结果分析表2-1 排水管道结构状况评估修复指数ri<44ri7ri7等级一级二级三级结构状况总体评估等级无或有少量管道损坏，结构状况总体较好，可对损坏管道作点状修理或不修复。有较多管道损坏，结构状况总体一般，对损坏管道可作点状修理或缺陷管段整体修复。大部份管道已损坏，结构状总值总体较差，可作更新改造。管段修复方案点状修理或不修复点状修理或缺陷管段整体修复。整段紧急修复或翻新表2-2 排水管道功能状况评估养护指数mi<44mi7mi7等级一级二

7、级三级功能状况总体评估等级一级，无或有少量管道局部超过允许淤积标准，功能状况总体较好，可不养护二级，有较多管道超过允许淤积标准，功能状况总体一般，需局部养护三级，大部份管道超过允许淤积标准，功能状况总体较差，需全部养护管段养护方案不养护局部养护整体养护22 声纳检测技术声纳是利用声音进行探测的一种工具，声纳技术最早应用于军事领域。在排水管道检测中，如果管道中充满水，那么管道中的能见度几乎为零，故无法直接采用cctv进行检测。声纳技术正好可以克服此难点。将声纳检测仪的传感器浸入水中进行检测。和cctv不同，声纳系统采用一个适当的角度对管道内进行检测，声纳探头快速旋转，向外发射声纳波，然后接收被管

8、壁或管中物发射的信号，经计算机处理后，形成管道纵横断面图. 声纳仪 纵断面图声纳检测评估与cctv检测相似，故本文中不再重复。但相比cctv检测，声纳检测横断面图像对轻微的结构性损坏缺陷不是非常明显，故一般应用于判断严重的管道结构性缺陷或管道积泥情况。3管道非开挖修复技术近年来随着人们环保意识的增强，保护城市道路环境，维护城市道路交通正常运行越来越引起了全社会各有关部门的重视，正象人有了病能保守治疗就不做手术开刀一样，各类非开挖修复地下管线技术如雨后春笋般先后出现，非开挖修复具有对道路交通影响小、施工工期短、甚至可以带水作业等优点3。纵观各类非开挖技术，除了铺设新管线的定向钻技术和需要旧管网增

9、容的裂管技术外，旧管网改造修复基本上都是采用管中管修复技术思路，我们通俗地统称为管中管修复技术。现今国内外应用较多的管中管技术主要有cipp（翻转内衬法）、rib-loc（螺旋缠绕法）、exlt（不锈钢发泡桶法）、pe穿插内衬等。31 cipp（翻转内衬法）将无纺毡布或有纺尼龙粗纺布与聚乙烯或聚氯乙烯、聚氨酯薄膜复合成片材，根据介质不同选择工艺膜，然后根据被修管道内径，薄膜向外缝制成软管，并用相同品种薄膜条封住缝合口，排出软管内空气，加入树脂，赶压使树脂与软管浸渍均匀，然后利用水或气将软管反转进入被修管道内，此时软管内树脂面翻出并紧紧贴在已清洗干净的被修管道内，经过一定时间或温度，软管固化成钢

10、性内衬管，从而达到堵漏、提压、减阻的管道修复目的。 压料 翻转3.2 rib-loc（螺旋缠绕法）该技术主要是通过螺旋缠绕的方法在旧管道内部形成将带状通过压制卡口不断前进形成新的管道，新管道卷入旧管道后，通过扩张贴紧旧管壁，最后固定。管道修复后内壁光滑，过水能力比修复前的混凝土管要好，而且材料占地面积较小，适合长距离的管道修复。管道可在通水的情况作业，水深30%通常可正常作业。新管道与原有管道之间可不注浆或注浆。 3.3 exlt（不锈钢发泡桶法）该工法采用的主要材料为遇水膨胀化学浆与带状不锈钢片。施工时将化学浆涂抹在海绵上，然后将带有化学浆的海绵缚在不锈钢套筒上，拖入管道待修复位置，通过修复

11、器将不锈钢膨胀卡死。修复后的效果图34 pe穿插内衬该工法采用u型缩径方法或物理挤缩方法使原本与被修复管道内径相同的内衬pe管外径缩小，以减少拉入被修复埋地管道时的摩阻，保证pe内衬管在穿插过程中不被损伤，pe内衬管材到位后，两端密封打压，使内衬pe管快速膨胀，恢复原型并涨紧在内衬管道内壁上，形成pe管中管。 pe穿插内衬修复现场以上为现今国内外适用较多的非开挖修复工法，总体来说，各有各的优点。在实际工程应用中，具体选择何种修复工法需根据施工条件、工程造价、社会影响等因素综合考虑。4流量测量技术排水管道流量测量能够客观地评估管道的输水能力与工作状况，是正确评价管道系统运行状况的重要依据，能提供

12、建立水力模型所需的管网荷载数据。根据不同的目的可以分为短期流量测量、中期流量测量和长期流量测量4。短期流量测量主要用于短期管道流量调查，为管网系统局部问题提出解决方案，有利于管网系统的及时维护和现场管理，另外还用于管网水力模型的率定；中期流量测量主要对管网系统的运行进行结构性能评价，一般要持续9个月或者1年；长期流量测量主要为了获取管网系统长期运行的数据，掌握管网系统运行周期，纪录最大流量，为管网系统的长期管理和维护制定计划。借助管道流量计可以24小时连续测量管道内水位、流速和流量。由于短期流量测量的具有速效性、实用性、可比较性及经济型等优势，现阶段国内外主要致力于这方面的研究和应用。 流量计

13、管道流量测量分晴天（旱流）流量测量和雨天流量测量。管道流量测量主要监测管道内污水的流速、水位及流量等数据，为管网的设计、管理和维护提供第一手资料。注： *“level1”为5月27日0点至5月28日0点管道内水位随时间变化曲线*“level2”为5月28日0点至5月29日0点管道内水位随时间变化曲线2006年5月杭州玉古路排水管道水位变化图5水力模型建立与应用技术随着计算机技术的发展，发达国家在累积广泛经验的基础上，依据水文水力学基础理论，结合gis（地理信息系统）、mis（管理信息系统）、eis（专家信息系统），开发了计算机模型用于模拟城市排水系统，辅助设计和管理排水工程。计算机模拟是排水系

14、统规划、改造与新项目建设的基础。发达国家已实行的区域土地开发、排水系统建设项目立项，均要首先通过排水管网模型评估的建设项目管理程序。我国的世界银行贷款项目，按国外咨询公司的要求也开始执行这一程序。排水管网的水质模拟是建立在水力模型基础之上的，它可以动态的监测管网中的水质变化情况。上海、杭州、广州等地区已经开始了水力模型方面的应用研究，取得了良好的效果。管网水力学模型模拟已成为确定不同类型排水系统雨天出流水量的有力工具。排水管网的水力模型是利用已有管网信息，包括管道参数、排水区域与泵站等设施的状况，通过计算机技术模拟不同条件下管网的运行状况。由此获得设计降雨情况下的泵站水位、流量模拟值，判断可能

15、存在的问题。找出管网中流量的瓶颈点，为水涝问题的解决提供可靠的依据。对排水系统管网及其构筑物进行优化设计，充分估计管网可利用容积，为调蓄池等雨水控制构筑物的设计提供优化方案。对于已经存在的如积水、合流制溢流问题，可以通过模拟排水系统找出症结之所在，并提出解决方案。对于新建的排水系统，本着最优化雨水管理方法，模型能对不透水面积控制、渗透地面、就地调蓄等措施的设计提供最优方案。西方发达国家利用模型进行雨水管理已经具备相当多的实践和经验，许多大城市结合当地排水系统的gis等数据库，都已建立了完备的排水系统模型，并且逐步发展到利用在线模型进行实时控制，优化排水泵站管理等，做到充分利用系统容积，达到成本

16、效益最大化。51 水力模型的原理市政下水道排水管网计算机水力学模型建立的基本原理是：采用有限元法，将管网系统分解为一个个微小的独立单元，建立各单元的st.venant方程，求解联立非线性方程组，从而进一步推算管段流量、水位等参数的变化趋势。由于st.venant方程满足能量守恒、动量守恒和水的不可压缩性，所以排水管网计算机水力学模型可以较为精确的计算排水管网的重力流水力学特性、满管流水力学特性、壅水现象、管道中的水力坡降线、控制构筑物中的流态、树状和环状管网的水力学特性等。52 水力模型的建立目前商业的排水系统计算机水力学模型软件有许多，如： xpswmm (澳大利亚)、mouse (dhi,

17、 丹麦)、infoworks (英国)、pc swmm (加拿大)、 sewercat (美国)等。由于水力模型商用软件功能大体相似，本文中仅选取丹麦的mouse软件进行模型的建立分析。建立排水管网计算机水力学模型的工作分为管网建模、荷载建模和边界条件建模三部分。53 水力模型的验证模型的验证是采用不同的降雨事件进行模拟，将模型的模拟结果和实际情况进行比对，以确认模型的正确性。并对模拟结果和真实结果之间的误差进行分析，找出导致误差的原因54 水力模型的应用通过模拟某一排水流域的水力状态，可以获得整个排水系统的运行情况，为管网的设计和管理提供可靠的依据，为防汛预警取得时间。541 水位分析通过在模型中输入入流流量，可以获得下游管网的水位情况。下图为软件模拟后的分析图。管道水位 水力坡降图542 流速分析水力模型可以模拟管网中的流速变化。图3.3为软件模拟后得出的结果图。图形中不同的颜色代表不同的流速。流速分布示意图543 积水分析通过软件模拟，可以得出某一降雨强度下发生地面积水冒溢点。地面积水点 地面积水点6结语科学技术是第一生产力。实际证明，应用管道健康评估、非开挖修复及流量监测与水力模型等高新技术能大大提高排水管网管理和维护效率，为排水管网诊断、维护、分析和评