某道路工程污水管道塌陷事故的原因分析

邓宗梁

福建省建筑科学研究院有限责任公司；福建省绿色建筑技术重点实验室

1 引言

玻璃纤维增强塑料夹砂管俗称玻璃钢夹砂管，简称FRPM管，是以玻璃纤维及其制品为增强材料，以不饱和聚酯树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属材料为填料，采用定长缠绕工艺、离心浇筑工艺、连续缠绕工艺等方法制成的管道[1]。具有轻质高强、耐腐蚀性好、耐温性好、水力性优异以及输送流量大等特点，在给排水、水利工程和农田灌溉中广泛使用，也是化工行业、管线工程的最好选择。

FRPM 管属柔性管道，在埋地工程中管道和周围的土壤（即回填土）产生“管土共同作用”，管土共同受力，故施工回填的质量一定要得到保证才能满足设计及使用要求，若施工回填的某个节点出现问题，导致管道施工的质量得不到保证，有可能会使管道出现变形、渗漏、开裂、脱层等现象，情形严重的则会造成管道塌陷事故[2]。

2 事故简述

某道路污水管道工程于2015年10月4日开工，2016年1月3日完工，采用FRPM 管，管道坡度0.08%，最大设计充满度0.75（即管道内水深为1.35m），管内底标高为-0.976m～-0.942m 之间，环刚度≥15kN/m2，最大竖向变形大于3%，接口采用橡胶圈接口。管基为砂石垫层，检查井为钢筋混凝土井。于2016 年3 月开始通水，2018年以来污水收集量急剧增加，已接近某污水处理厂的设计处理能力，加上该厂自身生产运行的原因，造成该工程某段DN1600—DN1800 污水主干管运行水位经常保持在标高2.5m～4.6m之间，运行水位较高。

2019年8月15日12时34分，污水处理厂中控系统PLC系统突发故障，导致膜池部分廊道停产，造成管道水位升高，使得该工程某段的污水井产生抬盖及污水溢流的现象。当日下午3点半左右发现道路桩号YK0+130～YK0+140 围墙下（污水井编号34～35之间）土方塌陷，2019年8月19日原塌陷部位东侧出现二次塌陷。该段井段长42m，共分4 节管，从上游至下游管长度分别为6m、12m、12m、12m，编号分别为1#、2#、3#、4#，见图1所示。现场经开挖，各管节的损坏情况为，1#管节外壁完好，但内壁顶部、底部侧边出现多条裂纹，顶部有折皱，底部有鼓包，且内壁基本也开始脱落；2#管节变形较小，但也整根开裂，管节顶部纤维缠绕层脱落严重；3#管节完全塌陷，管道回填砂全部流失；4#管节顶部有变形、开裂，有污水从顶部渗出，管节内侧顶部发现纤维缠绕层脱落下陷。管道回填情况为管槽顶部主要回填杂填土，管顶回填有1m～1.2m深的中粗砂，损坏管段砂层存在一定的流失，管道两侧及管底均有中粗砂回填，但管基底部碎石回填不均匀，管底持力层基本进入细砂层。管材断面情况为，存在树脂砂浆层分开为两层，每层厚约17mm，中间隔一层纤维缠绕层。

图1 管节编号示意图

3 事故原因分析

3.1 直接原因，管道长期超负荷工作

2018 年以来污水收集量急剧增加，加上污水处理厂自身生产运行的原因，造成该工程某段DN1600—DN1800 污水主干管运行水位经常保持在标高2.5m～4.6m之间，运行水位较高，管内底标高为-0.976m～-0.942m 之间，管道最大设计充满度为0.75（即管道内水深为1.35m，标高为0.374m～0.408m 之间），故2018年以来该管道长期处于超负荷的工作状态，受到的内压（水压，即内水压力）较大，对管道管壁和接头造成了影响。最终因2019年8月15日12时34分污水处理厂突发故障，管道水位升高水压增大，压力超过了管道所能承受的极限，于当日下午3点半左右在桩号YK0+130～YK0+140 围墙下（污水井编号34～35 之间）发生管道塌陷事故，并引发了二次塌陷。

可推测，2018年污水收集量急剧增加以来，管道处于超负荷的工作状态，所受内水压力较大，造成了管道管壁开裂和接头渗水的现象，且这一现象估计是2018年污水收集量急剧增加以来长期存在的，这一点，可以从1#、2#、3#、4#管节的损坏情况可以证明，其中3#管节完全塌陷，塌陷前其管壁肯定也是开裂的，故1#～4#管节都有管壁开裂的情况，说明了管道在满管且较高的水位（水压力）作用下造成了管壁开裂，管道最大设计充满度为0.75（即管道内水深为1.35m），水位的设计标高应≤0.408m，而该污水主干管运行水位经常保持在标高2.5m～4.6m之间，运行水位超出设计水位的5～10 倍。同时，也可以推测在3#、4#管节及其接头渗水较其他管节及其接头渗水严重，随着渗水加剧（污水处理厂突发故障，管道水位升高水压增大，致使渗水加剧），造成回填砂的流失，管土共同作用失效，破坏了之前的平衡，回填砂流失严重处管道不堪重负最终完全塌陷。

3.2 间接原因，施工回填质量、管道质量以及管道的管养等

3.2.1 施工回填质量

该工程使用的管道为FRPM管，属于柔性管道，在外压负载下管材和周围的土壤（回填材料）产生‘管土共同作用’，换句话说，是管材和周围土壤（回填材料）共同来承受外压负载。决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的‘负载’、‘管材’和‘土壤（回填）’三个参数都很重要，而且相互影响。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤（回填材料）的情况[3]。根据世界各国的经验，塑料埋地排水管在外压负载下是否能够安全使用的因素中，铺设情况是最主要的[4]。但是，要保证铺设情况良好并不容易做到，同时成本也较高。

道路铺设质量主要取决于施工回填的质量，故施工回填质量是关键。该工程存在管基底部碎石回填不均匀，管底持力层基本进入细砂层的现象，管槽回填施工不规范。另外，如果在管道顶部回填砂厚度和两侧回填砂压实度不满足要求时，就过早的采用机械上去碾压，机械的振动力和冲击力的作用下对管道的影响较大，也可能造成管道变形开裂甚至塌陷。一般，施工回填不规范造成管道变形开裂而破坏的在运行早期就会发生，但也有个别在回填完成后变形较小，随着时间推移，管道变形逐渐加大直至开裂、塌陷等。

3.2.2 管道质量

管材质量是整个市政给排水管道工程中最为重要的一个部分，一旦管材的质量不合格，不论技术人员设计的市政给排水管道多科学多合理，在建设完成后，在极其短的时间内就会发生管道的泄露、变形、开裂等诸多问题，由于管道铺设在地下，进行维修困难度高，维修成本高，所以在进行给排水管道铺设前必须要对管材进行检查，必须符合国家标准规范，杜绝使用不合格的管材，降低工程成本[5]。管道质量问题，一般也是在运行早期就容易发现。

该工程的FRPM管执行GB/T 21238-2016国家标准，开挖后发现现场管道损坏严重，存在变形、开裂、纤维缠绕层分层和脱落等现象，不能排除是因管道质量问题造成的。一般，管道质量把控，应重点关注其刚度、柔性以及韧性等技术指标是否满足设计或相应标准的要求，对于在轴向上存在拉伸载荷的管道，还应关注其拉伸性能指标是否满足要求，均符合要求后方可使用。故只进行环刚度检验是不够的，单单只有环刚度满足要求的管道是不保险不安全不可靠的。

3.2.3 管道管养

管道日常管养不及时或缺乏管养，管道的淤积未能及时清理造成排水不畅，或存在渗水点未能及时发现和修复，这样长时间影响管道，会有引发管道变形、开裂、破坏甚至塌陷的可能，故管道的管养很重要，不能忽视。

4 结束语

FRPM 管比普通PVC、PE 等塑料管道有更好刚性，刚度较高，同时也具有一定的柔性和韧性，且耐腐蚀性和耐温性好、水力性优异、输送流量大等，广泛在排水管道工程中使用，为避免质量事故，应使用质量合格的管道。文中以某道路玻璃钢夹砂污水管道工程的塌陷事故为例，分析出管道塌陷的直接原因是其长期超负荷工作造成的，间接原因可能是由于施工回填质量不规范、管道质量不合格以及管道管养不及时或缺乏管养等方面引发的。所以，类似工程应规范施工保证施工质量，严格把控管道质量，严禁以次充好；同时，管道正常工作期间，应严禁超负荷工作，并应及时进行管养，及时清淤、补漏、修复等，避免事故发生。