埋地给水排水管道结构的安全评估

胡晶国 许春青 李春光

（中国市政工程东北设计研究总院有限公司 长春130021）

引言

给水排水管道结构作为城镇生命线工程的组成部分，是保障现代城镇安全运行的重要基础设施。而给水排水管道结构基本上采用埋地方式，由于环境因素的不利影响、非直接的运营维护方式、设计水压的实际变化等，其受力模型与设计初始条件并非完全一致。在我国城镇的埋地给水排水管道设施中，其承载能力和使用功能逐渐退化，很多已经处于事故高峰的阶段，尤其是近年来，随着城镇快速发展，埋地给水排水管道规模迅速增加，其各类运行安全事故如渗漏、爆管等问题频发，已成为社会普遍关注的热点。

城镇给水排水管道结构安全评估的实质是解决管线的实际使用年限问题，即有效控制渗漏、爆管的发生，以便确保其安全运行。主要研究给水排水管道的规划、材料、设计、施工、维护问题，包括给水管道结构中各种材质的管段、管件、配件和排水管道中各类材质的管段、检查井的实际承载能力和允许变形，管道腐蚀和老化等耐久性能降低的影响，以及核算管道结构的设计初始条件和使用期间发生的变化差别，如荷载变化、温度变化和不均匀沉降等。根据其实际承载力与相应的荷载效应进行比较，进行安全评估，给出继续运行、检修维护、加固或更换的明确判断。具体内容包括可行性研究阶段评估、设计阶段评估、竣工交付阶段评估和运营维护阶段评估。以下就城镇埋地给水排水管道结构的可靠性评估涉及的内容逐一进行阐述。

1 埋地给水排水管道结构的种类和受力特点

城镇给水排水管道系统可分为干线管道、支线管道和进户管道，其中给水管道通常由管段、管件、配件、各类阀门组成，排水管道通常由管段、各类检查井等组成。由于管道系统各构成部分材料不同，其实际可靠指标和使用年限很难达到同一个标准，将影响管道系统整体功能的发挥。

城镇给排水管道除低压及无压的干线管道，通常采用现浇钢筋混凝土矩形结构外，其余情况基本采用生产厂家制造的各类成品管段，主要包括钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、预应力混凝土钢套筒管、热塑性和热固性塑料管等。在管道的设计标准规定中，钢管、球磨铸铁管、热塑性和热固性塑料管属于柔性管；而钢筋混凝土管、预应力混凝土钢套筒管、灰口铸铁管为刚性管。在柔性管道的计算模型中，考虑管道与土体的共同工作，为了对应计算模型，各种柔性管道两侧及顶部回填土的压实系数在不同高度范围内有明确的规定，其中钢管和球磨铸铁管还考虑了腐蚀构造厚度。对于刚性管道，为了减少地面沉降，也具体规定了两侧及顶部回填土的压实系数和宽度要求。另外，给水排水管道内的流量变化频繁，管道本体始终处于疲劳受力状态，在管道设计计算中均应予以考虑。

2 埋地给水排水管道结构的规划与设计现状

随着城镇的发展和扩大，原有的道路与新区或扩大区域新规划道路虽然在平面上连接起来了，但是道路下埋地给水排水管道是有坡度和长度限制的，既有的管道是适用原规划区的，其设计参数已经确定了。因为区域的增加，其负荷强度提高了，会降低既有埋地管道结构的安全性和使用年限。同时区域的扩大和城镇功能的提高，规划占压、车流量增加、地下水土情况变化等，也会对既有管道产生不利的影响。

在设计方面，由于给水排水管道工程基本采用预制成品管段，除检查井、穿越道路及河流等特殊情况外，管道工程多数未经结构专业人员系统设计，直接由给水排水专业人员连同管件和各类阀门一起选用，或是建设管理单位自行敷设。虽然各生产单位考虑了管道结构的承载能力和施工要求，但未能充分考虑管土的共同工作、管道的敷设条件、抗震计算和措施、杂散电流的作用、不良地基处理的程度以及不同工程地质的不利影响等，因此经常发生局部破损，降低了管道系统的整体可靠性。

3 埋地给水排水管道结构的施工方法与质量

管道的施工方法分为开槽施工和不开槽施工，其中开槽施工包括沟埋式和填埋式两种方式，不开槽施工包括顶管和水平定向钻两种方法。开槽式施工容易控制施工质量，试水阶段可以直观发现问题，计算模型接近实际，但需要大面积施工场地；不开槽式施工节省用地，有利交通，保护环境，但管线中心位置容易偏离，竣工验收时难以解决，在不稳定土层内孔壁稳定性差，计算模型吻合性不充分，其管道施工质量通常只由施工方控制和保证。

再有，随着城市地下空间的不断开发，顶管和水平定向钻施工法被普遍采用，由此增加了既有管道及其周围土体的扰动概率和程度，影响管道的安全运行。

4 埋地给水排水管道产品的质量控制情况

生产厂家提供的钢管、铸铁管、混凝土类管、热塑性和热固性塑料管，都有抽样检查的出厂检验报告，对于管道配件有质量监督检查站等机构提供的送样检验报告。这些产品很少考虑环境的差异性和设计的具体性，对于每个实际工程可能存在不完全适用的情况。以及市场竞争带来的不良影响，或者管材承载能力计算值满足要求，甚至安全有富裕，而实际的质量可能不达标，都会降低管道的整体使用功能或力学指标。

另外，由于给水排水管道产品进入施工现场时很少进行复验。敷设后的压力和渗漏试验，也常常因为水源不足或工期要求等而未能全部进行。因此在管道运行过程中不可避免地存在或多或少的各种隐患。实践表明，铸铁管、钢管、混凝土类管、热塑性和热固性塑料管等不同材质的管道各有优势，也相应存在不足，如何做到在设计中选用安全可靠、经济合理的管材是业内重要课题，相关的研究成果会在今后的论文中陆续发表。

5 埋地给水排水管道结构的设计方法

《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332－2002）规定了给水排水管道结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量管道构件的可靠度。除对管道整体稳定验算外，承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算均采用含分项系数的设计表达式进行设计，同时对不同材质的管道规定了各自的基本构造要求。

5.1 管道结构的计算及验算内容

由于管道的埋设方法、敷设条件、管材刚度的不同，规定了相应的计算模型、计算内容和承受的荷载作用。通常钢筋混凝土管和预应力混凝土钢套筒管被列为刚性管，需要进行强度计算、最大裂缝宽度或抗裂度验算。而被看做柔性管的钢管、球磨铸铁管、热塑性和热固性塑料管，需要进行强度计算、整体稳定性以及变形验算。对于钢管、热塑性塑料管构成的整体管道还应考虑纵向的温度应力和地基不均匀沉降引起的附加应力；而由铸铁管、钢筋混凝土管、预应力混凝土钢套筒管、热固性塑料管构成的非整体管道还应验算接口的允许转角。

5.2 管道设计阶段可靠指标核算

1.可靠指标核算方法

采用以概率理论为基础的极限状态设计方法计算结构构件的可靠指标。由于缺乏给水排水工程管道结构构件材料与荷载的统计参数，利用建筑结构中钢结构与钢筋混凝土结构构件的统计参数进行近似核算，得到具体的可靠指标，以此评估给水排水工程管道的可靠性和设计使用年限。

计算公式为正态随机变量形式：

式中：mR为材料强度平均值；ms为荷载效应平均值；β为可靠指标；（σR）2为材料强度方差；（σs）2为荷载效应方差。

计算公式中永久作用为正态分布，材料强度和可变作用假设符合正态分布。当管道结构的安全等级为二级或设计使用年限采用50年时，其可靠指标 β0＝3.2。

2.给水钢管道结构的可靠指标核算

设计条件：钢管道采用Q235B钢，管道内径2000mm，管壁设计厚度14mm，腐蚀构造厚度2mm；管顶覆土深度3m，地下水位位于管底以下，地面堆积荷载标准值10kN／m2，管道的设计内水压力标准值1.4MPa，管内真空压力标准值0.05MPa；土弧基础设计计算中心角度为90°，基槽两侧原状土变形模量5MPa，回填土重度18kN／m2、变形模量4MPa、泊松比0.4；结构重要性系数1.0。

核算结果：其可靠指标β＝3.64＞β0＝3.2。

3.排水钢筋混凝土管道结构的可靠指标核算

（1）开槽施工

设计条件：钢筋混凝土管道采用Ⅰ级管，管道内径1800mm，管壁厚度150mm；埋设于城区道路主干线下，管顶覆土深度6m，地下水位位于管底以下，覆土平均重度18kN／m2，地面堆积荷载标准值10kN／m2；结构重要性系数1.0。

核算结果：其可靠指标β＝5.42＞β0＝3.20。

（2）顶管施工

设计条件：钢筋混凝土管道采用Ⅱ级管，管道内径1800mm，管壁厚度180mm；埋设于城区道路主干线下，管顶覆土深度6m，地下水位位于管底以下，覆土平均重度18kN／m2，地面堆积荷载标准值10kN／m2；结构重要性系数1.0。

核算结果：其可靠指标β＝5.23＞β0＝3.20。

4.给水排水管道的可靠指标核算结论

（1）给水钢管道结构的可靠指标核算结果由承载能力极限状态确定，其核算值大于规定的可靠指标，说明压力钢管道达到了设计标准的要求，运行安全是有保证的。

（2）排水钢筋混凝土管道的可靠指标核算结果依据承载能力极限状态计算得出，其核算值远高出规定的可靠指标，是因为预制混凝土管道仅提供三种级别，而实际管道结构设计条件是多种的，因此不能具体对应，只能满足一个范围要求，或者说是存在浪费的。对于无压钢筋混凝土矩形现浇管道结构，其荷载分项系数取值和允许裂缝宽度值等同于钢筋混凝土构筑物，可靠指标基本上由正常使用极限状态中的允许裂缝宽度控制，当永久作用为主且配置钢筋直径小而密时，其允许裂缝宽度虽然可以满足，但可靠指标达不到要求，此时应提高永久荷载的分项系数。

5.3 管道结构的安全性分析

根据给水压力钢管道和排水无压钢筋混凝土管道的可靠指标核算结果，结合文献［3］的结论，给出管道结构的安全性是有保证的，具体分析如下：

1.有压管道以承载能力极限状态控制，其结构可靠指标核算值能够达到标准规定值。

2.对于无压管道，当以永久作用为主时，此时土压力分项系数依据文献［3］需提高到1.35，再结合正常使用极限状态验算结果，方可保证无压管道的可靠指标核算值满足标准要求。

3.钢管和铸铁管管道的设计厚度大于计算厚度，表明管道偏于安全。

4.对于铸铁管、预应力混凝土钢套筒管、热塑性和热固性塑料管，由于缺乏荷载和材料的参考统计参数，未进行其可靠指标的核算。但是这些产品有设计、生产的标准，而且也是分级别提供的，只要达到质量要求，可以定性推断其可靠指标满足标准要求。

5.对于各类检查井、阀门、管件、配件，因为其结构形式和计算方法与管段相比较都偏于安全，也可以定性推断其可靠指标满足标准要求。

6 埋地给水排水管道的维护问题

埋地给水排水管道结构作为隐蔽工程，在维护和检测等方面不如地面构筑物那样容易进行。因此管道的腐蚀程度、老化情况、变形大小等问题很难及时发现并事先评估，由管道破损引起的渗漏只能被动地抢修，爆管、塌陷等突发事件也很难做到事先控制。所以从设计的角度出发，通过设计文件、材料证明、施工记录、运行维护档案、检测报告的收集，进行剩余承载能力计算和剩余允许变形验算，推算出管道的剩余使用年限，就能做到事先推定出安全运行的时间段、维修和加固的时间点，更好地保证管道的运行安全。

在我国，先后制定了《城镇排水管道维护安全技术规程》（CJJ 6－2009）和《城镇供水管网运行、维护及安全技术规程》（CJJ 60－2011），由各城镇供水公司、排水公司分别负责给水排水管道的运行安全维护管理，发现问题及时处理。同时期国家还颁布了《城镇排水管道监测与评估技术规程》（CJJ 181－2012）、《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》（CJJ／T 210－2014）等相关的规程，但其针对的是可视部分管道结构本身出现的表面破损和功能失效，根据人员的直接检测和CCTV等电子设备的间接检测，进行结构性修复、半结构性修复和功能修复。而城镇埋地给水排水管道系统的运行安全涉及计算模型选择、施工方法、管段和管件质量、周边环境影响、隐蔽工程维护与检修方法等因素。因此，从设计角度对埋地给水排水管道结构进行全面的安全评估能更主动地解决问题，达到经济合理的目的。

7 管道安全评估方法

目前，埋地管道安全评估主要采用定性、半定量和定量三种方法。其中半定量评估方法只是人为赋予风险因素的分值，属于定性评估的范畴。定性评估法是针对管道事故特点和类型，通过指标体系进行风险评价，在实际应用过程中很难避免评估过程的随机性、评价专家主观上的不确定性和认识上的模糊性。定量评估法是针对管道自身特点，通过相关物理模型和计算方法进行风险评价。而统一的定量评估方法要求收集埋地给水排水管道的设计文件、材料证明、施工记录、维护档案、管道腐蚀和老化等检测报告、实际沉降和温度变化信息、第三方施工破坏等资料；然后进行管道系统分析、管道结构实际承载能力极限状态计算、整体稳定验算、正常使用极限状态验算等，确定薄弱段或薄弱点；再通过仪器检测或试验证明，最后得出合理的结果。城镇埋地给水排水管道结构定量安全评估仍然采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量管道的可靠度。

8 结论

通过城镇埋地给水排水管道结构安全评估，能够核算或判断管道系统的管段、管件、连接方式、检查井等结构的可靠指标或安全性，提高薄弱构件的性能，优化整体管道系统。从而达到管道系统的安全运行并延长使用年限，提高投资效益，合理投入维护管理方面的人力物力，有计划地实施管道维修或更换，避免因渗漏、爆管引起的污染或地面塌陷等灾害的目的。同时为后续新建工程积累更合理的规划方案和设计参数，提供更完善的施工方法和质量保证体系，研发更先进的管道连接方式和优质的管段、管件、配件等产品，制造更丰富的管道检测仪器和维护设备。具体评估时，应做到：

1.利用建筑结构中钢结构与钢筋混凝土结构构件的统计参数，对给水钢管道、排水钢筋混凝土管道进行可靠指标核算，理论计算结果证明给水排水管道结构设计达到了国家标准规定的要求。

2.依据文献［3］进行类比分析，有压管道以承载能力极限状态控制，其可靠指标满足要求。无压管道进行承载能力极限状态计算时，永久荷载分项系数需提高到1.35，可以保证无压管道的可靠指标达到设计标准。对于钢筋混凝土无压管道，以正常使用极限状态下的允许裂缝宽度为控制状态。

3.既有埋地给水排水管道在设计使用年限内发生渗漏、爆管等事故，表明这个系统工程在社会发展需求、环境因素影响等方面不断经受考验，需要进行诊断和安全评估，以保证城镇生命线工程的正常运行。

4.定性和半定量的安全风险评估方法，尝试解决了城镇管道在不同约束条件下的安全运行问题。而定量的城镇管道安全风险评估方法的研究和实践，必将提高其安全评估结果的精度。

5.新建城镇给水排水管道工程应该由具有力学概念并熟悉相关专业知识的工程师进行规划、设计和施工，实现百年大计、质量第一的目标。

［1］GB 50153－2008工程结构可靠性设计统一标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008［1］GB 50153－2008 Unified Standard for Reliability Design of Building Structures［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2008

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［5］CECS 246：2008给水排水工程顶管技术规程 ［S］.北京：中国计划出版社，2008 CECS 246：2008 Technical Specification for Pipe Jacking ofWater Supply and Sewerage Engineering［S］.Beijing：China Planning Press，2008

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