Перелом канализации

В настоящее время нет точных критериев, позволяющих оценить состояние канализационных сетей и потенциальных опасностей, связанных с разрушением их конструкций, в зависимости от характера и объема повреждений. Чтобы иметь полное представление о состоянии канализационной сети при планировании мероприятий по ее эксплуатации, инспекции и устранению повреждений, надо получить документацию на внесенные в городские планы каналы, коллекторы и строения, что позволит оценить и прогнозировать пропускную способность коммунальных водоотводящих сооружений.

В городе Харькове максимальная частота аварий приходится на железобетонные трубопроводы, которые составляют четвертую часть канализационной сети, и это в основном коллекторные трубопроводы диаметром 600-1200 мм. Аварии на таких трубопроводах, как правило, первой категории и требуют значительных трудовых и материальных затрат. Исследование характера повреждений железобетонных трубопроводов показывает, что коррозии подвергаются сводовая часть трубопровода (53 %) и стены колодцев (21 %), а разрушению — стыковые соединения (19 %) и лотки (7 %) .

Нередко нормальная эксплуатация сети нарушается из-за дефектов строительства, несоблюдения некоторыми абонентами правил пользования коммунальной канализацией и т.п. Это приводит к авариям, к полному или частичному прекращению движения сточной жидкости по трубопроводу и к проникновению ее на поверхность земли или в грунтовые воды.

Анализ аварий на сетях водоотведения и обзор литературных данных позволил классифицировать наиболее характерные повреждения, которые, в конечном счете, являются причинами их возникновения (табл. 4.1).

Как показала практика, наиболее частыми причинами разрушений железобетонных канализационных труб являются: образование щебня из-за плохого уплотнения бетона при изготовлении бетонных труб; появление усадочных трещин, размеры и количество которых больше допустимых; наличие в трубах усадочных раковин; повреждения труб, вызванные транспортировкой, складированием и др.

К нарушениям, связанным с соединением труб, относятся: ненадлежащая укладка уплотнительных колец; неправильное нанесение уплотнительных слоев, например на грязную или поврежденную часть трубы в области муфты; обработка уплотнительными слоями при высоких и низких температурах; неправильная внецентрическая стыковка труб, в частности при монтаже труб грузоподъемными машинами; недостаточное уплотнение при соединении с помощью муфт; ошибочные сварные и клеевые соединения в стальных трубах и трубах из пластмасс; повреждения стальных соединительных колец; нешарнирное соединение труб; связывание соединительных каналов путем открытия существующих; образование из бетона и раствора цементной суспензии, если близко расположена строительная площадка.

Возможными причинами возникновения деформации трубопроводов являются: ошибки при проектировании; встройка несоответствующих или поврежденных труб; отклонения нагрузки или условий опирания от проектных; ненадлежащее применение машин; неправильное устранение пластов (породы); монтаж проходящих труб большой площади сечения; уменьшение толщины стен вследствие механического изгиба; влияние температуры; неплотность.

Таблица 4.1. Наиболее характерные повреждения канализационных сетей в процессе их эксплуатации

№ п/п	Схема повреждения	Причина повреждения
1	2	3
1	Просадка труб
2	Просадка колодцев
3	Истирание трубопровода
4	Агрессивная коррозия и/или электрокоррозия
5	Деформация трубопровода вследствие образования на трубах продольных трещин
6	Деформация кирпичного канала вследствие негерметичности
7	Продольные трещины в области соединения труб в результате отклонения от проектного положения трубопровода
8	Продольные трещины в области соединения труб вследствие высоких радиальных усилий
9	Поперечные трещины, возникающие из-за неравномерной нагрузки на трубы
10	Трещины, образовавшиеся от точечного повреждения трубы
11	Частичное разрушение кирпичного канала в результате коррозионного разрушения раствора в швах
12	Образование продольных трещин в трубах, имеющих высокую жесткость на изгиб
13	Неплотная стыковка
14	Нарушение стыковки по горизонтали и/или по вертикали
15	Продольное смещение труб без нарушения соосности
16	Смешение по вертикали и/или по горизонтали
17	Смещение (осевое) по вертикали и/или по горизонтали
18	Угловое смещение (сдвиг)
19	Разрушение торцов в пределах стыков
20	Дефект эластичных прокладок
21	Дефект заделки стыка (чеканки) кольцевого пространства раствором
22	Несоответствие размеров труб направлению потока
23	Нарушение (изменение) продольного профиля
24	Образование обратного уклона
25	Образование частичных смещений
26	Перелом (разрыв)
27	Наносы в виде осадившегося песка
28	Проникновение корней деревьев и кустарников в трубопровод (значительное и незначительное)
29	Закупорка сечения примыкающими трубопроводами
30	Развитие продольных трещин вследствие неплотности соединений труб и инфильтрации грунтовых вод
31	Образование пустот из-за неправильного устройства дренажа и неплотности грунта вокруг коллектора

Чтобы планировать мероприятия по эксплуатации и ремонту канализационных трубопроводов, в частности по устранению повреждений конструкций, используя дифференцированный подход к выбору метода, необходимо иметь информацию о характере и количестве повреждений.

В процессе эксплуатации тоннельных коллекторов на них могут воздействовать такие факторы, как проросшая корневая система деревьев, атмосферные условия, неправильный выбор методов ремонта, использование машин, не отвечающих условиям проведения работ и т.д. Все это, как и общие причины, приводит к повреждению конструкций. Причиной повреждений нередко служит недостаточная плотность (негерметичность) конструкций. Неплотность может возникнуть при несоблюдении норм, предписаний и правил изготовления и эксплуатации, при несоответствии строительных материалов и конструкций требованиям ГОСТов, если нарушается последовательность производства работ, используются неоднородные материалы для строительных конструкций, а также в случае применения дефектных и поврежденных конструкций.

Причинами неплотности конструкций могут быть: отклонение положения элементов конструкции от проектного, механическое истирание, коррозия, трещины, обрушения труб, обвалы, откалывания и др. Неплотность конструкций приводит к вытеснению стоков через повреждения в увлажненных областях каналов и в конических сечениях тоннелей и к проникновению в коллектор грунтовых вод. Последние, попадая в стоки, повышают содержание вредных веществ, удорожают отвод стоков и их очистку, способствуют образованию пустот.

В результате инфильтрации грунтовой воды в коллекторе изменяется (опускается) уровень грунтовых вод, что в конечном итоге может причинить повреждения зданиям. Кроме того, с добавлением к стокам грунтовых вод происходит гидравлическая перегрузка каналов, насосных станций.

Дестабилизирующим фактором является и засорение стоков частями грунта, попадающего туда через трещины в трубах. К типичным помехам при эксплуатации тоннельных коллекторов относятся осадка уплотненных частиц песка и шлака, вплоть до образования закупорок, прорастание корней деревьев, возвышение присоединительных каналов. Помехами могут быть: негладкая внутренняя поверхность труб, например вследствие инкрустации, коррозии, истирания; стыковка труб и каналов, не имеющих ровной подошвы, внешне сдавленными уплотненными кольцами.

Большое значение для долговечности функционирования тоннельных коллекторов имеют характеристики сточных вод. В стоках канализационных систем содержится жир, поступающий с грязной водой из жилых домов и предприятий, а также с дождевой и инфильтрированной водой. Эти жиры образуют отложения, величина которых зависит от диаметра труб сети, уровня заполнения системы, производственной шероховатости поверхности труб, содержания в стоках минеральных частиц жирных материалов, средних диаметров частиц минеральных жирных материалов.

Помехи в канализационных стоках возникают в следующих случаях: при снижении гидравлической пропускной способности (в экстремальной ситуации происходит их закупорка), при ускорении биогенной сернокислотной коррозии в частично заполненном сточном канале из цементно-связанных материалов (образуются завихрения и откладываются осадки, иногда гниющие).

К вероятным последствиям повреждений можно отнести: ограничение работоспособности коллекторов из-за уменьшения обратного уклона при свободном безнапорном прохождении стока; образование неплотности; повреждение труб и строений.

Одним из факторов, приводящих к повреждению сетей, является механический износ материала в области смачиваемой внутренней поверхности трубопровода. Его причинами являются: транспортировка твердых материалов, кавитация (образование пустот), применение ненадлежащих методов и оборудования, использование для восстановления коллектора машин и механизмов, не соответствующих предъявляемым требованиям.

При транспортировке твердых материалов происходит износ от истирания, который зависит от материла и диаметра труб, скорости течения жидкости, плотности твердых материалов, смешанных с водой.

Кавитация в первую очередь связана со скоростью потока, с поперечным сечением стока и свойствами материала. Степень повреждений от кавитации зависит от прочности на стыках, прочности на изгиб, значения Е-модуля и адгезии между наполнителем и связующим. Она повышается с увеличением шероховатости поверхности труб и хрупкости материалов.

Прежде всего, повреждаются поверхности, подвергаемые ударам, точки изломов сети и участки с высокой скоростью потока. Для сточной канализации, учитывая использованные строительные материалы, можно установить скорость течения жидкости 8 м/с.

Очистка сточной канализации магистралей осуществляется главным образом механически или водой, поступающей под высоким давлением.

При использовании оборудования и машин для промывки водой под высоким давлением критическими параметрами являются: масса и скорость выходящей воды, направленность водяных струй и угол их наклона к стенкам тоннелей. Механическому износу при этом больше всего подвержены внутренние стенки тоннелей. При износе отмечается повышение шероховатости внутренних поверхностей конструкций тоннелей, уменьшение толщины труб и как следствие — происходит ухудшение несущей способности в области подошвы труб, а также увеличение неплотностей.

Одной из основных причин разрушения конструкций тоннельных коллекторов является внешняя и внутренняя коррозия.

При эксплуатации железобетонные коллекторы подвергаются агрессивному воздействию снаружи (от грунтовых вод) и внутри (от транспортируемых вод). Результаты исследований свидетельствуют о том, что разрушение труб под действием грунтовых вод и грунтов составляет около 10 % всех случаев коррозионного повреждения, причем наиболее уязвима сводовая часть трубы коллектора, которая эксплуатируется в высоковлажной кислотной и щелочной среде. При этом степень коррозии прежде всего определяется агрессивностью среды и коррозионной стойкостью использованных материалов. В канализационных коллекторах, как правило, применяются цементносвязующие (бетон, асбестоцемент) и металлические (сталь, литой чугун) материалы.

Упрощенно можно разделить бетон и другие цементносвязующие химически уязвимые строительные материалы на две группы: 1) материалы, в которых цементный камень растворяется, что ведет к уменьшению первоначального объема бетона; 2) материалы, которые увеличиваются в объеме с одновременным разрыхлением структуры, что вызывает разрушения.

Усугубляет коррозию дополнительная механическая нагрузка, в результате которой происходит растрескивание (оно наблюдается при вибрации и при эрозионной коррозии).

Внешняя коррозия связана с агрессивностью грунтовой воды, наличием агрессивных веществ в грунтах, а также с электрическим воздействием. Причиной внутренней коррозии являются агрессивные стоки и биогенная среда, вызывающая сернокислотную коррозию.

Статистический анализ аварий, произошедших на железобетонных трубопроводах диаметром 300 — 900 мм в течение 2003 — 2005 гг., позволил установить их основные причины (рис. 4.1).

На рис. 4.2 представлены основные причины повреждений канализационной сети в Германии.

На рис. 4.3 приведено процентное распределение причин повреждений.

Рис 4.1. Причины разрушений железобетонных трубопроводов диаметром 400 — 900 мм канализационной сети Харькова:

1 — коррозия (41%); 2 — просадка труб в результате нарушения основания (36%); 3 — разрушение стыковых соединений (18%); 4 — прорастание корней (2,6%); 5 — продольные и поперечные трещины (2,4%).

Рис. 4.2. Основные причины повреждения канализационной сети Германии

Рис. 4.3. Процентное распределение причин повреждения канализационных трубопроводов Германии:

1 — повреждение соединительных стыков (27%); 2 — трещины (19%); 3 — негерметичность муфт (10%); 4 — прорастание корней деревьев (7%); 5 — преграды (9%); 6 — отклонение трубопровода от своего положения (10%); 7 — коррозия (7%); 8 — прочие причины (11%).