第1章概述
人类社会的真正进步始于人类知道了如何将自己的力量与大自然的力量结合起来改造世界。比如人类依靠自己的智慧，驯养、驾驭其他动物；依靠自己的双手开发土地，控制江河、打猎耕种；依靠自己发明和掌握的技术翻山越岭、横渡海洋等。管道就是人类将自己的力量与大自然的力量结合起来改变世界的创举之一。
管道起源于中国古代，主要用于防洪排涝、输送卤水和天然气以及田野的灌溉。从考古发掘来看，商周时期的管道遗迹主要是卵石砌成的，而秦汉以后的管道遗迹一般是陶质的、木质的或竹制的。其中，用陶土烧制的排水管道具有*悠久的历史，在古代管道发展中占有重要地位。中国建筑工业出版社2011年出版的《中国古代排水管道的起源与发展》（常憬、李艺编著)一书，就介绍了平粮台陶土排水管道、安阳殷墟陶土排水管道、秦皇陵陶土排水管道等。说明随着封闭性城垣的出现与壮大，以及城市文明的孕育，排水成为不可忽视的需求，管道技术就此萌芽。
1.1管道行业发展历史
公元前6世纪左右，欧洲的伊达拉里亚人使用岩石砌成渠道系统，废水通过它排入台伯河，其主干宽度超过4.8m，渠道系统中*大一条的截面为3.3mx4m，而后又被罗马人扩建，这就是世界上第一条下水道一马克西马排水沟(Cloaca Maxima)。早期建设的排水系统只是一些简单水沟(渠)构成的网络，将废水引入附近的水系。随着城市人口规模增大，这些水沟无法满足排水以及环境要求，需要对原排水沟(渠)加盖或铺设人造管道。
以巴黎为例，排水管渠均处在巴黎市地面以下50m，前后共花了126年的时间修建，巴黎有26000个检查井，其中18000个可以进人，共有1300名维护工为其服务。今天的巴黎排水管道总长2347km，主干管渠像河一样可以行船，昼夜灯火通明，是旅游的好去处。从1867年世界博览会开始，陆续有世界各国元首前往巴黎参观排水管道，现在每年接待10多万游客。这是一个完全能够与巴黎美丽市景相媲美且充满文化的地下世界。
在中国，古人很早就知道排水对居住环境卫生、日常生活及人们生命安全的重要性。我们的祖先在创建城市的同时，也建造了城市排水系统（图1-1)。早在距今6000～7000年前，我国的贵州省澧县石家河文化各城址(*著名的是城头山古城)就挖掘了护城河，护城河设置了水门，建构了良好的城内排水系统，这是全世界*早的城市排水系统。距今5000年的河南登封王城岗古城、距今约4000年的河南淮阳平粮台古城就使用了陶制地下排水管道，这是*早的城市地下排水设施。
图1-1故宫“钱眼”排水孔(左)平粮台古城遗址陶制地下排水管道(右）
上海的排水系统拥有百年历史，根据史料记载，在开埠前，上海城区建有传统的排水沟渠，雨污水就近排入河道。在开埠之初，租界在辟路的同时，在路边挖明沟或暗渠。1862年起，英租界先从当时的中区(今黄浦区东部)开始规划和建设雨水管道，南市、闸北等地也从20世纪初开始改建排水管道。1949年前，全国103个城市建有排水设施，管线总长6034.8km，全国只有上海、南京建有城市污水处理厂，日处理能力为4万m3。1949年至改革开放以前，由于我国城市化进程一直比较缓慢，各城市的排水管道和处理设施建设也相应滞后。改革开放后，特别是进入20世纪90年代以来，我国的城市排水管道总里程发生了显著的变化。根据住房和城乡建设部发布的信息，我国城市排水管道的总长度在2007年只有29.2万km，而至2016年末达到了57.7万km，2007～2016年，每年都以8%以上的增幅增长，近十年全国城市排水管道总长度几乎翻了一番。
随着人类社会的进步，管道行业也获得了长足的发展（图1-2)。城市排水系统是城市雨水排放、水污染控制和水生态环境保护体系中的重要环节，是保证城市生存、持续发展的重要基础设施，更是城市“吐故纳新”的生命保障。城镇排水管渠是城市的生命线，其肩负着雨水、污水的排放功能，同时也承担城市排涝、防洪的重要作用，是市政管道的重要组成部分。城市的污水、废水以及雨水等通过城市排水管道输送到指定点进行处理，与城市人们的生活环境水平高度相关。城镇排水管对城市的经济发展具有先导性的作用，是城市现代化程度的重要衡量标志。
1.2排水管道现状
在城市地下排水管道方面，管线种类越多，规模越大，承担的功能就越复杂，然而地下管线资料不全、不准的问题日渐突出，严重制约了城市的发展。电磁法探测技术被逐步引入城市地下管线普查工作之中，并成为城市地下管线普查主要技术手段之一。图形化操作系统、地理信息系统和数据库技术的发展为城市地下管线数据库建立和地下管线信息的应用奠定了良好的技术基础。
为了统一城市地下管线探查、测量、图件编绘和信息系统建设的技术要求，及时、准确地为城市规划、设计、施工、建设和管理提供各种地下管线现状资料，保证探测成果的质量，以适应现代化城市建设发展的需要，住房和城乡建设部组织有关单位编制了中华人民共和国行业标准《城市地下管线探测技术规程》（CJJ61—94)，并于1994年12月5日批准发布，1995年7月1日起施行，使城市地下管线探测技术逐步走向规范化。
*早的排水管道只是为了防涝，管道的功能只是将大部分雨水排入就近的水体。随着城市的发展和人口数量的增长，污水要收集起来集中处理，地上地下建(构)筑物密度增大，排水管道的重要性愈来愈显现[2]。它除了要保证不间断运行外，还要保证在运行过程中对城市其他公共设施不构成破坏以及对人民生命财产不构成威胁，这就为新建管道或使用中的管道提出了检测的要求，特别是污水管道，作为生活和工业废水收集处理的重要组成部分，其结构的严密性至关重要。管体足够的强度、管材抗疲劳抗腐蚀的耐久力、施工质量的把控，都是保证管道严密性的因素。
排水系统是收集、输送、处理和排放城市污水和雨水的工程设施系统，是城市基础设施的重要组成部分[3]。排水管网系统负责收集、输送城市污水和雨水的任务，按其输送介质不同，可分为城市污水管网、工业废水管网和雨水管网；按排水体制主要分为合流制和分流制两种类型。我国正处在快速城市化阶段，城市规模不断扩大，城市污水排放量逐年增加。城市污水系统作为重要的市政基础设施，承担着城市污水的收集和输送职能，其运行状况直接影响城市的生产和生活环境。
1.3管道引起的“城市病”
1.3.1路面塌陷
城市道路作为城市重要的基础设施之一，关系着广大人民的生命财产安全，但近年来城市路面塌陷，造成吞噬行人或车辆的事情却并不少见。塌陷灾害是我国地质灾害的主要类型之一，而路面塌陷是塌陷灾害的一种重要表现形式。随着中国经济社会快速发展，城市化进程加快，人类活动加强，地面塌陷灾害(尤其是路面塌陷灾害）时有发生，灾害造成的损失和影响也不断扩大。城市路面塌陷灾害虽然规模不及采矿区地面塌陷，但因其发生在人口集中的城市地区，严重威胁了城市建设、经济发展和人民安全，所以造成的社会影响和经济损失往往更大(图1-3)。
图1-3广州、西安路面塌陷事故现场
导致路面塌陷的因素有很多，如路面载荷过大、周边施工扰动、地下管道渗漏等，其中路基土体的流失往往是城市路面局部塌陷的主要原因。在土体的流失中，水是诱因，土是“当事人”，路基是硬质的，水把路基底下冲空了就造成了塌陷。水冲路基土体主要是因为排水管道接口密封性不好，或者管体破损，造成长期向外渗漏或向内渗漏，在水力的作用下，管道四周和接口四周的路基的土层都被洗空了，形成空洞，造成塌陷。与此同时，塌陷亦会对排水管道周围的其他管线或构筑物造成破坏，上水管的破裂所形成的强水流会加快空洞形成的速度。地下燃气管支撑土体的流失会使管体爆裂，遇火极易产生爆炸。地铁或建筑物等周边土体流失，会失去应力平衡，易造成沉降、倾斜或变形。
1.3.2城市内涝
城市内涝是指由强降水或连续性降水超过城市排水能力，或因排水系统设施不完善、管理不完善，致使城市内产生积水灾害的现象。造成内涝的客观原因是降雨强度大、范围集中，降雨特别急的地方可能形成积水，降雨强度比较大、时间比较长也有可能形成积水；主观原因主要是国内一些城市排水管网规划标准比较低，排水设施不健全，建设质量不高。对于已经在运行的管道，不少已进入老化衰退期，得不到有效的修复，水流长期淤塞不畅，疏通养护不及时。另外，城市大量的硬质铺装，如柏油路、水泥路面，降雨时水渗透性不好，不容易入渗，也容易形成路面积水。自2000年以来，我国大中城市平均每年发生200多起不同程度的城市内涝灾害，不仅严重影响了城市的正常生活秩序，也造成了较大的生命财产损失（图1-4)。
图1-4城市内涝现场
除上述原因导致城市内涝外，从排水设施上来讲，其日常管理和维护不到位也极易造成内涝。主要有以下方面：
(1)雨水管道修理不及时。如坍塌、错口、变形等结构性问题没有得到及时的修理，完全阻碍或部分阻碍雨水排放。
(2)雨水管道疏通养护不到位。如堵塞、淤积、树根、残留顼墙等缺陷致使排水能力消失或不能充分有效地发挥。
(3)污水和外来水占据雨水系统空间。在分流制地区，由于雨污混接，雨水系统流入了污水，使雨水过水能力下降。在高地下水位地区，因管道破损，地下水入渗排水管道，加之河水倒灌，造成“清水占了排水道”。
(4)雨水收集口遮盖。路面树叶等垃圾遮蔽雨水篦子，地面径流不能进入雨水收集系统。
1.3.3黑臭水体
城市水体是指位于城市范围内、与城市功能保持密切相关的水体，包括流经城市的河段、河流沟渠、湖泊和其他景观水体，是城市生态系统的重要组成部分。城市水体黑臭问题主要由水体中藻类和细菌的新陈代谢以及人类向水体中过度排放污染物引起[4]。近年来，随着我国城市经济的快速发展，城市规模日益扩大，城市环境基础设施日渐不足，城市污水排放量不断增加，大量污染物入河，水体中化学需氧量(COD)、氮(N)、磷(P)等浓度超标，造成河流水体污染严重，水体出现季节性或终年黑臭（图1-5)。
图1-5污水直排(左)和黑臭河道(右)
城市黑臭水体给群众带来了极差的感官体验，成为目前较为突出的水环境问题，也严重影响着我国城市的良好发展。2015年国务院发布的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）对黑臭水体问题提出明确要求，到2020年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。“黑臭在水里，根源在岸上，关键在排口，核心在管网”，水污染物是由沿水体的各类污水排水口、合流污水排水口和雨水排水口异常排放和溢流导致的，所以城市水体黑臭的根源在于城市建成区的水体污染物的排放量超过了水环境的容量，城市黑臭水体整治工作的关键在于对各类排水口的治理，其核心在于城市有完善和健康的排水管网。检测查明排水管道及检查井存在的各种缺陷和雨污混接情况，是治理过程中*基础的工作。
由于地下水污染隐蔽难以监测，具有发现难和治理难等特点，发现时往往已造成严重的后果，处理成本极高。为了减少和消除这一现象，必须要清晰地了解管道的运行状况以及管道损坏状况，对管道损毁的种类以及产生的后果进行必要的了解以便更好地分析管道缺陷，预测管道可能出现的问题以及选择合适的修复方法。
1.3.4污水浓度异常
我国多数城市居民小区污水化学需氧量排放浓度超过400mg/L，可是很多污水处理厂进水浓度却不足200mg/L，有的甚至不足100mg/L，外来水占了总处理水量的一半以上，稀释作用巨大。外来水(extraneous water)包
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