排污管道地下水入滲的解析模型研究 ①

段園煜， 郭 帥

(1.合肥學院城市建設與交通學院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學市政工程系，安徽 合肥 230009)

0 引 言

地下水的入滲，在排污管道的管理中是個常規(guī)問題。由于施工的不當、管材的老化及腐蝕等多種因素，排污管道往往會存在破裂、脫節(jié)、錯口等多種類型的破損口，當地下水位高于管道時，破損口便往往成為地下水滲流入管道的通道。特別在地下水位偏高的東南沿海地區(qū)，地下水的入滲問題更為明顯和嚴重，對排污管道的日常管理造成多方面的危害[1-3]。

而我國大部分排污管網在設計之初并沒有考慮地下水入滲量。我國《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006(2016年修訂版))規(guī)定：在地下水位較高的地區(qū)，城鎮(zhèn)旱流污水設計流量應考慮地下水入滲量。但規(guī)范既沒給出計算方法或公式，也未推薦統(tǒng)一的評估標準,既可按單位管長和管徑的入滲地下水量計(單位為m3/d·km-1)，也可按平均日綜合生活污水與工業(yè)廢水總量的10%-15%計，還可按每天每單位服務面積入滲的地下水量計(單位為m3/(d·(hm2)-1)。然而，近些年國內一些排污小區(qū)入滲量的實測結果表明，按照上述三種標準評估地下水入滲量，結果存在很大差異[4]。這反映出當前我國對排污管道地下水入滲的機理缺乏深刻研究與認識，我國在地下水入滲量評估問題上尚有一系列技術難題有待深入研究與解決。

1 影響地下水入滲的物理因素分析

如圖1、圖2所示，排污管道地下水入滲現象的發(fā)生，從物理機理上是地下水在孔隙水壓力的作用下通過破損口進入到排污管道系統(tǒng)中。郭帥[5-7]歸納總結了影響排污管道地下水入滲量的主要因素，具體包括(見圖1)： 1)破損口性質(如大小、形狀與位置)；2)地下水位；3)管周土體性質(滲透系數)。

圖1 正在入滲的地下水

首先，老化管道的管壁上不可避免地存在著各種各樣的裂縫或破損口，這些破損口按其形態(tài)可分為三種典型類型：環(huán)向的破損口、徑向的破損口以及圓孔形的破損口。而破損口的形態(tài)往往和管道的受力特性密切相關；環(huán)向破損口往往發(fā)生在管段間連接處，主要由于管道的不均勻沉降造成的錯位變形所引起；徑向破損口往往為貫穿整個管段的長線形裂隙，主要是由地面交通荷載等因素造成的管道受壓變形所引起；而孔洞形破損口則往往由于管道的腐蝕所引起[8]。

圖2 破損口周圍地下水流場示意圖

其次，現有實測數據表明，入滲量與地下水位的季節(jié)性波動呈現明顯的正相關關系；枯水季節(jié)，地下水位較低時，平均入滲量較小；反之，在豐水季節(jié)，地下水位處于高值，平均入滲量則較大。

最后，管道埋設的管周土體性質對入滲量也有直接的影響；天然土體的滲透性變化巨大，例如，粗沙的滲透系數可以達到粘土的107倍。如果排污管埋設于透水性較好的土體中，例如沙土，則可能會存在較為嚴重的地下水入滲問題；相反，如果管道埋設與透水性較差的土體中，則地下水的入滲問題則可能得到有效緩解。

因此，從理論上構建入滲量的解析解，必須獲得以上所述三個方面的數據信息。而近些年蓬勃發(fā)展的排污管道系統(tǒng)無損檢測技術為實現上述目的提供了條件。國內外已經開發(fā)出來的無損檢測技術包括閉路電視技術(Closed Circuit Television, CCTV)、探地雷達技術(Ground Penetrating Radar, GPR),激光掃描技術(Laser Scanning System)、聲納測距技術(Sonic Distance Measurement Method)、紅外熱成像技術(Infrared Thermography System,)以及一體化多傳感器檢測平臺(Multi-sensor System)[9-10]。這些無損檢測技術的應用，可以較為方便地獲得詳細的管道內、外的數據信息。如利用CCTV、激光掃描技術或聲納測距技術可以獲得管道內部破損口的數量、大小、位置及形狀信息，利用探底雷達、紅外熱成像技術可以獲得管道埋深、地下水位等信息。目前，國內最常用的無損檢測技術為傳統(tǒng)的閉路電視技術。簡單的閉路電視是用一部攝像機將拍攝信號通過電視電纜傳送到監(jiān)視器上。而排污管道系統(tǒng)探測常用的閉路電視則是將攝像機與照明設備集成于一個管道機器人上，通過管道機器人在管內的行進，將管道內部的信息傳輸到電腦上，并進行分析。

在這種背景下，研究提出了基于解析模型法的地下水入滲量評估方法，并構建了地下水入滲量的二維與三維數值模型。

2 基于解析法的入滲量評估模型

2.1 二維解析模型的構建

考慮一個半徑為r的圓形排污管道，假設其管周土體為全飽和的半無限空間透水層，其管壁上有一條長線形的破損口，如圖3所示?，F實中，這種徑向的破損口往往很長。因此，地下水在這種破損口周圍的運動可以被近似成二維勢流問題，見圖4。

圖3 徑向破損管道

地下水流動遵循達西定律。由達西方程和質量守恒方程, 在線形破損口附近的地下水的運動由如下拉普拉斯方程所描述：

(1)

式中，φ為總水頭。

代入地下水位及破損口處的邊界條件，推導得到徑向破損口入滲量模型，如式(2)所示：

(2)

式中，Q為入滲流量，K為土體滲透系數，Δh為地下水位，Pi為管內水壓，r為管徑，α為破損口位置，β為徑向破損口開度(見圖4)。

圖4 徑向破損管道平面示意圖

2.2 三維解析模型的構建

相比于徑向破損口，對如圖2所示的孔洞形破損口而言，破損口周圍流場無法簡化為二維流動問題，在平面內進行處理，因此孔洞形破損口入滲量的求解是個三維問題。通過對滲流場的對稱簡化處理，最終得到圓孔形破損口的入滲量公式(3):

(3)

式中，A為土體滲透系數的倒數，B為土體慣性阻力,Δh為地下水位，k為破損口綜合阻力系數，D0為破損口直徑。

2.3 模型驗證

為驗證理論模型的可靠性，開展了室內物理模型試驗。圖5為三維理論模型的驗證結果。理論預測值與模型試驗實測入滲量的誤差均在10%以內，有效地驗證了理論模型的可行性。

圖5 三維模型理論值與實驗值對比分析

3 結 語

當前，世界各國都在積極地開展排污管道系統(tǒng)的結構穩(wěn)定性評估工作。先進的無損探測技術不僅可以提供管道的內部情況如破損口的類型，大小和位置等等，而且還可以檢測地下水位和土體類型等等。通常，一次檢測工作所收集的數據都存儲在一個統(tǒng)一的數據庫里，如地理信息系統(tǒng)GIS。因此，管網信息數據庫的逐步完善為本文所提出的計算模型在將來的應用提供了基礎。然而，適用于環(huán)向破損口的入滲量評估模型還需要進一步的研究。