从1044起事件中看城市排水管道坍塌原因
导 读Abstract
对典型北方某内陆城市2017年至2022年排水管道塌陷事件进行分析，从管道管龄、结构缺陷、降雨影响、管道材质、扰动施工五个方面，深入分析了发生管道塌陷事件的原因，并从管道检查、管道修复、应急抢险三方面提出了治理措施，为城市排水管道塌陷预防与治理提供建议。
引用本文：郭宰宏，于丽昕，王鹏，等. 北方某内陆城市排水管道塌陷多因素分析及治理措施［J］. 给水排水，2023，49（10）：136-140.
本文研究区域为北方某内陆城市建成区，排水管道长度9 214 km，其中污水合流管道4 693 km、雨水管道4 521 km。2017年至2022年共计发生排水管道塌陷事件1 044起，其中污水合流管道塌陷事件802起、雨水管道塌陷事件242起。
表1 2017年至2022年排水管道塌陷事件基本情况
01排水管道塌陷事件原因分析
1.1 部分管道超过设计使用年限
根据《城镇给水排水技术规范》（GB 5078-2012），城镇给排水设施中主要构筑物的主体结构和地下干管，其结构设计使用年限不应低于50年。超过设计使用年限的管道由于修建于不同的历史时期，管道设计标准低，容易造成断管塌陷。
排水管道发生塌陷，且可查到修建年代的共847起，其中管龄超过50年的共350起，占比41%；30年至50年的共395起，占比47%；30年以内的共102起，占比12%。据统计，管龄超过50年的排水管道长度约1 222 km，占比13.3%；30年至50年的约3 408 km，占比37%；30年以内的约4 574 km，占比49.6%。结合不同管龄的排水管道长度来看，管龄超过50年的管道每百公里发生塌陷事件30.36起，在30年以内的管道每百公里发生塌陷事件仅1.77起，超过结构设计使用年限的管道发生塌陷的概率最高。
图1 不同管龄的排水管道发生塌陷事件数量
1.2 结构缺陷问题突出
根据《城镇排水管道结构等级评定》(DB11/T 1492-2017)，结构缺陷分为腐蚀、破裂、变形、错口、脱节、渗漏、侵入七类，根据严重程度各分为轻度、中度、重度三级，不同类型、程度的结构缺陷影响管道强度、刚度和使用寿命，而影响污水合流管道与雨水管道塌陷的结构缺陷类型与程度有明显不同。
通过检测评估资料，969起在管道塌陷前均存在不同程度的结构缺陷，主要类型为腐蚀、错口、破裂、脱节、变形五种，所占比例分别为61%、19%、15%、3%、2%，其中污水合流管道塌陷事件744起，雨水管道塌陷事件225起。
1.2.1 污水合流管道结构缺陷特征
管道塌陷前存在结构缺陷最多的为腐蚀，共595起，占缺陷总数的80%。产生腐蚀的原因为污水中微生物诱导产生的硫化氢、硫酸等硫化物对管道长期侵蚀，致使管道内壁逐渐变薄、脱落，结构强度降低；管道内壁脱落后，露出钢筋则更易被硫化物腐蚀，管道结构强度加速降低。根据腐蚀严重程度，165起为管道已露出钢筋的重度腐蚀，占腐蚀缺陷总数的28%；252起为露出骨料的中度腐蚀，占比42%；178起为管壁剥落的轻度腐蚀，占比30%。
存在结构缺陷较多的还有破裂96起，占缺陷总数的13%，主要表现为管道接口处破碎或长度较长的纵向裂口，破裂后管道本身结构强度降低，在受到长期水力冲刷或偶尔外部扰动后产生塌陷。根据破裂严重程度，61起为管道有明显脱落的重度破裂，占破裂缺陷总数的64%；35起为有明显裂口的中度破裂，占比36%。此外，还存有少量错口、脱节、变形缺陷导致塌陷，占比7%。
表2 不同结构缺陷类型排水管道塌陷事件数量
1.2.2 雨水管道结构缺陷特征
管道塌陷前存在结构缺陷最多的为错口，共153起，占缺陷总数的68%；其次为破裂49起，占比22%；还有少数变形、脱节缺陷，占比10%。四类点状缺陷均破坏了雨水管道密封性，雨水通过结构缺陷产生的缝隙不断冲刷管道周边土壤形成空洞，从而导致管道整体沉陷或断裂。根据缺陷程度，重度缺陷147处，占缺陷总数的65%；中度缺陷59处，占比25%。
综上所述，腐蚀缺陷是污水合流管道发生塌陷的主要原因，且不同程度的腐蚀缺陷均有可能发生管道塌陷；错口、破裂等点状缺陷是雨水管道发生塌陷的主要原因，且中度、重度的结构缺陷导致管道塌陷的概率较高。
1.3 受降雨影响较大
在旱季时，城市土体含水量较低，当进入雨季，土体的饱和度遇频繁降雨后不断提高，抗剪强度降低，影响排水管道结构强度；频繁降雨导致地下水位升高，地下水渗透压力作用于管道周边土体，破坏管道结构；大部分雨水管道按照《室外排水设计规范》(GBJ 14-87，1997年版)设计，设计重现期多为0.5～3年，标准较低，超过设计标准的降雨易造成雨水管道满溢，较大水压可能超过管道本身结构强度，以上三方面因素均导致雨季排水管道塌陷事件数量升高。
根据管道塌陷事件月度对比情况分析，6月至9月发生塌陷事件数量占全年比例均超过50%，其中2017年最高，占比64%；2020年次之，占比63%。
图2 2017年至2022年排水管道每月发生塌陷事件数量
结合降雨量分析，2017年6月至9月累计降雨量483mm，期间发生管道塌陷事件123起，2019年6月至9月累计降雨量356mm，期间发生管道塌陷事件78起。当单场降雨量超过50mm以上时，均会在短时间内发生管道塌陷事件，例如2017年6月21日，平均降雨量114mm，降雨后7天内发生22起管道塌陷事件；2022年7月28日，平均降雨量120mm，降雨后7天内发生11起管道塌陷事件。
图3 2017年至2022年6月至9月排水管道塌陷事件数量与降雨量对比
1.4 塑料管道塌陷事件比例较高
排水管道材质应用最多的为砼管，占比达82%；其次为塑料管，占比8%。此外还有缸瓦管、金属管、箱涵等其他材质，占比10%，该类材质在近些年的市政排水管道建设中应用较少。
塌陷事件中有814起管道材质为砼管，109起为塑料管，121起为其他材质。其他类管材中引发塌陷事件最多的为箱涵，共计发生73起，占其他类管材塌陷事件总数的60%，箱涵塌陷多表现为盖板断裂、侧墙坍塌。
结合不同材质的管道长度来看，每百公里发生塌陷事件数量最多的管道材质为塑料管，为14.25；缸瓦管、金属管、箱涵等其他材质每百公里发生塌陷事件为13.38；应用最多的砼管，每百公里发生塌陷事件为10.79。塑料管道发生塌陷概率较大的原因主要有三点，一是管道施工质量参差不齐，因塑料管大多为柔性管道材质，在施工中的铺设、覆土回填等施工环节易造成对管道的破坏；二是塑料管经常用在埋深浅、管径小的环境下，较易受到外部扰动导致塌陷；三是在管道局部修复工程中，新安装的塑料管材与其他管材接口处理不当，导致出现错口、脱节等结构缺陷较多。
图4 不同材质的排水管道发生塌陷事件数量
1.5 扰动施工影响埋深较浅管道运行
扰动施工主要体现为重车碾压、电力、供水等地下管线施工、道路大修及地铁施工等。近几年来，我国城市开发高速发展，地铁、道路等设施处于建设高峰期，由于重型工程车、地下管线施工、施工降水、土体回填不实等问题，引起地下土层扰动和沉降，造成管道塌陷。扰动施工影响最大的多为埋深较浅的排水管道，如表3所示，埋深小于2 m的管道塌陷事件325起，占比31%，但埋深小于2 m的排水管道仅占总长度的19%，塌陷事件发生比例较高，我国城市机动化快速发展，有些较早建设的道路载荷过大，埋深浅的排水管道承受过高的载荷压力；电力、供水、燃气等下管线在交叉施工时，易对埋深较浅的管道造成破坏；盾构法、浅埋暗挖法等地铁、隧道施工时，大量地下水渗出带走管道周围大量土壤，造成断裂塌陷。
表3 不同埋深的排水管道发生塌陷事件数量
02治理措施
排水管道作为重力流管道，发生塌陷事件隐蔽，易造成路面塌陷或水体污染等次生灾害。为减少管道塌陷事件，建议从管道检查、管道修复、应急抢险三方面进行治理与防范。根据本文分析，管龄超过设计使用年限、管道存在结构缺陷、降雨冲刷是造成管道塌陷的主要因素，具体可采取以下主要措施：
2.1 管道检查
（1）建立健全排水管道缺陷检测制度，全面掌握现存结构缺陷种类及数量，并按计划有序开展工程改造。同时，形成周期性检测评估机制，针对尚未及时修复的结构缺陷定期观察演变情况，及时调整治理计划。对塌陷管道的上下游管段进行检测评估，并进行预防性修复。
（2）规范排水管道日常巡视机制，针对尚未完成修复的缺陷管道制定专项巡视方案，加大巡视频率，并对中度、重度缺陷管道的上下游检查井均开启巡视，观察管道液位变化，及时发现塌陷事件；同时，运营单位要与城市道路管理部门对接，获取地下管线、地铁、道路施工作业区域，重点巡视区域内排水管道，加强管道保护。
（3）加强排水管道在线监测，运营单位可在管道中度、重度缺陷点位上下游安装液位、流量等在线监测设备实时监测，一旦发现液位异常升高，及时溯源、及时治理。
2.2 管道修复
（1）建立排水管道常态化修复工作机制，综合考虑地质条件、水文条件、交通条件等因素，合理采用开挖、非开挖修复工艺，优先对隐患大、影响大的设施开展修复工作。针对大管径、大流量的隐患管线，现场不具备导水、分流条件的，可新建平行管线或连通管线解决。
（2）加强排水管道施工质量控制，严格按照设计施工图进行标准化施工，特别是管道埋设高程要准确，防止出现错口等结构缺陷；接口连接要紧密，避免出现承插口脱节、橡胶圈脱落；管道回填要按照规范和设计要求分层回填、压实；所有管道施工均需按要求开展闭水试验。
（3）针对埋深较浅的管道施工作业，应采用混凝土满包封方式回填，尽量减少管道受扰动施工影响。
2.3 应急抢险
（1）建立应急抢险管理机制，运营单位要充分与道路、网格、街道等部门建立沟通机制，加强信息共享，及时发现排水管道塌陷事件；设立专业应急抢险队伍应对随时可能发生的管道塌陷事件；规范应急抢险标准化作业流程，保障在最短时间内完成塌陷修复，将事件影响减少到最小。
（2）规范抢险作业标准，抢险作业工法应尽量选择开槽修复，确保最短时间内完成治理。对于无条件开槽修复的，应对塌陷点位完成管道清理，临时回填后进行非开挖修复，修复后进行注浆以保证结构强度。同时，在抢险过程中，应综合考虑污水流量大，或降雨影响，制定导水方案，避免抢险作业中发生管道冒溢、倒灌等问题。
03结 语
本文通过对北方某内陆城市排水管道2017年至2022年的塌陷事件进行研究分析，管龄较长、塌陷前存在腐蚀、错口等结构缺陷、降雨冲刷是导致管道塌陷的主要原因，同时塑料管材质、外部施工扰动也是管道塌陷的重要因素。根据分析结果，从管道检查、管道修复、应急抢险三方面提出了治理措施，建立系统性的检查巡视机制，及时发现管道塌陷事件；对存有结构缺陷的管道进行针对性修复，减少管道塌陷发生概率；建立高效的应急抢险管理机制，规范抢险作业标准，减小塌陷事件影响。
