排污管道地下水入渗的解析模型研究 ①

段园煜， 郭 帅

(1.合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学市政工程系，安徽 合肥 230009)

0 引 言

地下水的入渗，在排污管道的管理中是个常规问题。由于施工的不当、管材的老化及腐蚀等多种因素，排污管道往往会存在破裂、脱节、错口等多种类型的破损口，当地下水位高于管道时，破损口便往往成为地下水渗流入管道的通道。特别在地下水位偏高的东南沿海地区，地下水的入渗问题更为明显和严重，对排污管道的日常管理造成多方面的危害[1-3]。

而我国大部分排污管网在设计之初并没有考虑地下水入渗量。我国《室外排水设计规范》(GB50014-2006(2016年修订版))规定：在地下水位较高的地区，城镇旱流污水设计流量应考虑地下水入渗量。但规范既没给出计算方法或公式，也未推荐统一的评估标准,既可按单位管长和管径的入渗地下水量计(单位为m3/d·km-1)，也可按平均日综合生活污水与工业废水总量的10%-15%计，还可按每天每单位服务面积入渗的地下水量计(单位为m3/(d·(hm2)-1)。然而，近些年国内一些排污小区入渗量的实测结果表明，按照上述三种标准评估地下水入渗量，结果存在很大差异[4]。这反映出当前我国对排污管道地下水入渗的机理缺乏深刻研究与认识，我国在地下水入渗量评估问题上尚有一系列技术难题有待深入研究与解决。

1 影响地下水入渗的物理因素分析

如图1、图2所示，排污管道地下水入渗现象的发生，从物理机理上是地下水在孔隙水压力的作用下通过破损口进入到排污管道系统中。郭帅[5-7]归纳总结了影响排污管道地下水入渗量的主要因素，具体包括(见图1)： 1)破损口性质(如大小、形状与位置)；2)地下水位；3)管周土体性质(渗透系数)。

图1 正在入渗的地下水

首先，老化管道的管壁上不可避免地存在着各种各样的裂缝或破损口，这些破损口按其形态可分为三种典型类型：环向的破损口、径向的破损口以及圆孔形的破损口。而破损口的形态往往和管道的受力特性密切相关；环向破损口往往发生在管段间连接处，主要由于管道的不均匀沉降造成的错位变形所引起；径向破损口往往为贯穿整个管段的长线形裂隙，主要是由地面交通荷载等因素造成的管道受压变形所引起；而孔洞形破损口则往往由于管道的腐蚀所引起[8]。

图2 破损口周围地下水流场示意图

其次，现有实测数据表明，入渗量与地下水位的季节性波动呈现明显的正相关关系；枯水季节，地下水位较低时，平均入渗量较小；反之，在丰水季节，地下水位处于高值，平均入渗量则较大。

最后，管道埋设的管周土体性质对入渗量也有直接的影响；天然土体的渗透性变化巨大，例如，粗沙的渗透系数可以达到粘土的107倍。如果排污管埋设于透水性较好的土体中，例如沙土，则可能会存在较为严重的地下水入渗问题；相反，如果管道埋设与透水性较差的土体中，则地下水的入渗问题则可能得到有效缓解。

因此，从理论上构建入渗量的解析解，必须获得以上所述三个方面的数据信息。而近些年蓬勃发展的排污管道系统无损检测技术为实现上述目的提供了条件。国内外已经开发出来的无损检测技术包括闭路电视技术(Closed Circuit Television, CCTV)、探地雷达技术(Ground Penetrating Radar, GPR),激光扫描技术(Laser Scanning System)、声纳测距技术(Sonic Distance Measurement Method)、红外热成像技术(Infrared Thermography System,)以及一体化多传感器检测平台(Multi-sensor System)[9-10]。这些无损检测技术的应用，可以较为方便地获得详细的管道内、外的数据信息。如利用CCTV、激光扫描技术或声纳测距技术可以获得管道内部破损口的数量、大小、位置及形状信息，利用探底雷达、红外热成像技术可以获得管道埋深、地下水位等信息。目前，国内最常用的无损检测技术为传统的闭路电视技术。简单的闭路电视是用一部摄像机将拍摄信号通过电视电缆传送到监视器上。而排污管道系统探测常用的闭路电视则是将摄像机与照明设备集成于一个管道机器人上，通过管道机器人在管内的行进，将管道内部的信息传输到电脑上，并进行分析。

在这种背景下，研究提出了基于解析模型法的地下水入渗量评估方法，并构建了地下水入渗量的二维与三维数值模型。

2 基于解析法的入渗量评估模型

2.1 二维解析模型的构建

考虑一个半径为r的圆形排污管道，假设其管周土体为全饱和的半无限空间透水层，其管壁上有一条长线形的破损口，如图3所示。现实中，这种径向的破损口往往很长。因此，地下水在这种破损口周围的运动可以被近似成二维势流问题，见图4。

图3 径向破损管道

地下水流动遵循达西定律。由达西方程和质量守恒方程, 在线形破损口附近的地下水的运动由如下拉普拉斯方程所描述：

(1)

式中，φ为总水头。

代入地下水位及破损口处的边界条件，推导得到径向破损口入渗量模型，如式(2)所示：

(2)

式中，Q为入渗流量，K为土体渗透系数，Δh为地下水位，Pi为管内水压，r为管径，α为破损口位置，β为径向破损口开度(见图4)。

图4 径向破损管道平面示意图

2.2 三维解析模型的构建

相比于径向破损口，对如图2所示的孔洞形破损口而言，破损口周围流场无法简化为二维流动问题，在平面内进行处理，因此孔洞形破损口入渗量的求解是个三维问题。通过对渗流场的对称简化处理，最终得到圆孔形破损口的入渗量公式(3):

(3)

式中，A为土体渗透系数的倒数，B为土体惯性阻力,Δh为地下水位，k为破损口综合阻力系数，D0为破损口直径。

2.3 模型验证

为验证理论模型的可靠性，开展了室内物理模型试验。图5为三维理论模型的验证结果。理论预测值与模型试验实测入渗量的误差均在10%以内，有效地验证了理论模型的可行性。

图5 三维模型理论值与实验值对比分析

3 结 语

当前，世界各国都在积极地开展排污管道系统的结构稳定性评估工作。先进的无损探测技术不仅可以提供管道的内部情况如破损口的类型，大小和位置等等，而且还可以检测地下水位和土体类型等等。通常，一次检测工作所收集的数据都存储在一个统一的数据库里，如地理信息系统GIS。因此，管网信息数据库的逐步完善为本文所提出的计算模型在将来的应用提供了基础。然而，适用于环向破损口的入渗量评估模型还需要进一步的研究。