基于聲納、雷達(dá)和管道內(nèi)窺儀的多手段 管道淤積檢測

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(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635;2.廣東省大壩安全技術(shù)管理中心，廣州 510635; 3.廣東省河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

城市內(nèi)澇是指由于降水超過城市排水能力致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象。近年來，城市內(nèi)澇事故頻發(fā)，給城市帶來經(jīng)濟(jì)損失甚至危及人身安全的同時(shí)，也造成嚴(yán)重的水污染與水生態(tài)問題[1]。

城市排水管道系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市不可或缺的重要市政基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是一個(gè)城市排漬、排澇以及防洪的骨干工程[2]。管道淤積是可能導(dǎo)致城市排水不暢的一個(gè)重要因素，淤積問題多是管道系統(tǒng)中的泥沙以及懸浮固體沉積所引起的[3]。當(dāng)排水管道淤積到一定程度時(shí)，其排水能力會(huì)急劇下降，最終造成管道堵塞[4-5]。ASHLEY與NALLURI的研究表明，淤積物的存在會(huì)增加排水管道中的水流阻力，從而減小排水管道的過流能力，造成管道排水不暢。此外，管道過度淤積還會(huì)對環(huán)境造成影響，淤積物中的有機(jī)物在微生物的作用下會(huì)產(chǎn)生H2等毒害氣體[6-7]，并最終轉(zhuǎn)化成酸性物質(zhì)腐蝕管道[8]，進(jìn)而破壞管道，使其產(chǎn)生滲漏而污染地下水。因此，研究管道淤積檢測技術(shù)，不僅有利于掌握城市排水管網(wǎng)的淤積程度與指導(dǎo)排水管道的清淤工作，更能在一定程度上對城市內(nèi)澇、地下水污染等問題的緩解提供有力的技術(shù)支持。

在我國，華南地區(qū)多地發(fā)生過排水管道淤積導(dǎo)致排水不暢的事故。以廣東省四會(huì)市為例，管道淤積嚴(yán)重段位于該市中心位置的商場房屋正下方，傳統(tǒng)的方法無法對管道內(nèi)的淤積情況進(jìn)行有效檢測。筆者提出采用聲納、雷達(dá)、管道內(nèi)窺儀聯(lián)合檢測技術(shù)，探究該聯(lián)合檢測技術(shù)是否能更準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)的淤積情況，以期在緩解當(dāng)?shù)爻鞘袃?nèi)澇、水污染等問題的同時(shí)，能夠?yàn)榻窈蟠笮凸艿烙俜e檢測技術(shù)的選用提供借鑒與指導(dǎo)。

1 多手段儀器聯(lián)合測試方法

1.1 聲納檢測系統(tǒng)檢測方法

聲納管道檢測系統(tǒng)采用了聲學(xué)原理檢測管道，檢測時(shí)將傳感器頭浸入水中，聲納頭快速旋轉(zhuǎn)向外發(fā)射聲納信號并經(jīng)管道反射顯示管道的橫斷面圖，從而實(shí)現(xiàn)管道的檢測。系統(tǒng)能提供準(zhǔn)確的管道內(nèi)部狀況的量化數(shù)據(jù)，并標(biāo)識出反射界面的類型從而檢測到管道的淤積情況。由于能量的不足，聲納信號通常不能穿透堅(jiān)硬的表層，所以該方法無法得知管壁厚度及管線周圍土壤的性質(zhì)等信息。

1.2 管道內(nèi)窺儀(CCTV)檢測方法

CCTV (Closed Circuit Television)檢測技術(shù)也稱管道內(nèi)窺攝像檢測技術(shù)，檢測時(shí)只需要將管道檢測機(jī)器人放在管道口，即可操縱機(jī)器人爬入管道內(nèi)進(jìn)行檢測，是目前國際上用于管道狀況檢測的有效、安全的手段。檢測的管道缺陷主要有：管道接口滲漏、錯(cuò)口、管道腐蝕、管身穿孔、支管、障礙物和淤積等。但CCTV檢測技術(shù)受限于儀器尺寸，要求檢測空間不小于30 cm凈空。

1.3 探地雷達(dá)檢測方法

探地雷達(dá)(GPR)方法，利用高頻電磁波(1 MHz～1 000 MHz)，以脈沖形式通過發(fā)射天線被定向地送入地下并將電磁波傳回。雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播遇到分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，電磁波反射能量的強(qiáng)弱與分界面兩側(cè)的介電常數(shù)的值有關(guān)：當(dāng)兩個(gè)分界面的介質(zhì)介電常數(shù)相同時(shí)，波形不會(huì)出現(xiàn)反射；當(dāng)兩個(gè)分界面的介質(zhì)介電常數(shù)相差很大時(shí)，雷達(dá)波波形出現(xiàn)強(qiáng)反射，反射界面兩側(cè)的電性差異越大，反射圖像越清晰。根據(jù)接收到的雷達(dá)波波形、強(qiáng)度、電性及幾何形態(tài)特征，可推斷地下地層(或目標(biāo)體)的情性質(zhì)。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此可根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)記錄的電磁波的傳播時(shí)間ΔT，計(jì)算出地層厚度ΔHi。

ΔHi=Vi·ΔT/2

(1)

(2)

式中：Vi為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；c0為電磁波在真空中的傳播速度(c0=0.3 m·ns-1)；εi為第i層地層的介電常數(shù)；μi為第i層地層的磁導(dǎo)率。

2 測試結(jié)果分析

2.1 聲納檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果

采用的儀器設(shè)備為X4管道聲納檢測系統(tǒng)，對某段管道橫斷面的檢測結(jié)果如圖1所示，圖中圓點(diǎn)為發(fā)射信號源的聲納頭，上部輪廓為平直水面線，下部輪廓為淤泥的淤積線。

圖1 某管段的聲納檢測結(jié)果

由圖1可清晰地看到該段涵管的淤積深度和淤積形態(tài)，管道的兩側(cè)淤積多，中間淤積少。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注的管道斷面尺寸，推求出管道的平均淤積深度約為1.62 m。

2.2 CCTV管道內(nèi)窺儀檢測結(jié)果

管道內(nèi)窺儀的檢測結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可以清晰地看到管道上的蓋板鋼筋銹脹嚴(yán)重，混凝土表層大面積脫落，結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的安全隱患；由圖2(b)可以看出，管道內(nèi)水位偏高且基本無流動(dòng)，橫梁結(jié)構(gòu)存在阻水現(xiàn)象，說明管道內(nèi)淤積已十分嚴(yán)重，應(yīng)盡快進(jìn)行清淤工作。這兩張圖片直觀地反映了管道的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)和淤積現(xiàn)狀，進(jìn)一步驗(yàn)證了聲納檢測系統(tǒng)的檢測效果。

圖2 某管段的CCTV檢測結(jié)果

2.3 探地雷達(dá)檢測成果

采用加拿大EKKO專業(yè)雷達(dá)對管段進(jìn)行檢測，探地雷達(dá)管道橫斷面檢測結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以明顯地看出，雷達(dá)檢測到的土層數(shù)為6層，分別為樓板層、空氣層、污水層、淤泥層、渠底層和基礎(chǔ)層等，層與層之間分界明顯，以此為依據(jù)可以計(jì)算出管道的淤積深度，各層數(shù)特征及參數(shù)如表1所示，表中雷達(dá)波傳播時(shí)間為雷達(dá)波接觸到地層并反射回接收器的總時(shí)間。

由圖3可見，管道底部混凝土層較為清晰，混凝土下填土回波較弱，介質(zhì)介電常數(shù)變化不大，填土質(zhì)量較好，管道無明顯滲漏。根據(jù)計(jì)算可得管道的平均淤積深度為1.58 m。

2.4 綜合分析

(1) 聲納檢測系統(tǒng)能檢測到管道內(nèi)淤積情況的表觀數(shù)據(jù)，管道內(nèi)窺儀能直觀地顯示管道內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)和表面淤積情況，兩者均不能反映管道管底和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。探地雷達(dá)則可以對管道下的土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層檢測，雷達(dá)波的波形可反映出管道的淤積情況以及結(jié)構(gòu)的完整度，也可通過周圍地層含水率的變化推測管道有無明顯的滲漏現(xiàn)象。

(2) 將聲納檢測結(jié)果與雷達(dá)檢測結(jié)果融合在一起(見圖4，圖中藍(lán)色線代表探地雷達(dá)所測波形，紅色線為聲納檢測得到的數(shù)據(jù))發(fā)現(xiàn)，二者相似度極高，因此確定檢測成果準(zhǔn)確可靠。

(3) 將聲納檢測系統(tǒng)、管道內(nèi)窺儀和探地雷達(dá)3者結(jié)合在一起進(jìn)行綜合分析，得到了更為立體、準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)，即多源數(shù)據(jù)相互配合、相互印證，檢測結(jié)果科學(xué)可信。

圖3 某管段的雷達(dá)檢測結(jié)果

層別雷達(dá)波特征雷達(dá)波傳播速度/(m·nm-1)雷達(dá)波傳播時(shí)間/nm該層厚度/m樓板層分層明顯,同相軸連續(xù),雷達(dá)波回波較強(qiáng)0.10[9](混凝土)60.30空氣層雷達(dá)波回波同相軸不連續(xù),波形較為混亂0.30(空氣)81.20污水層雷達(dá)波回波較弱,同相軸連續(xù),可清晰看到分層的雷達(dá)波0.033(水)280.46淤泥層雷達(dá)波回波最弱,基本無回波0.075(濕潤的土)421.58渠底層雷達(dá)波回波較強(qiáng),同相軸連續(xù)0.10(混凝土)60.30總計(jì)903.84

圖4 某管段的雷達(dá)與聲納檢測結(jié)果對比

(4) 該管道蓋板鋼筋銹脹嚴(yán)重，混凝土大面積脫落，存在嚴(yán)重的安全隱患，而管道底部混凝土連續(xù)性較好，無明顯滲漏。應(yīng)立即清淤處理后對結(jié)構(gòu)破損管道開展除險(xiǎn)加固。

(5) 探地雷達(dá)檢測結(jié)果為淤積深度約1.58 m，與聲納檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果1.62 m基本相符，因此前后檢測成果可信度較高，最終結(jié)果取兩者的平均值1.60 m。

3 結(jié)論

(1) 聲納、雷達(dá)、管道內(nèi)窺儀多手段聯(lián)合檢測管道淤積方法，適用于城市水務(wù)地下排水管道無檢修井且無法進(jìn)行人工檢測的情況；相比單一檢測手段,其能更好地檢測管道的淤積深度、結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)以及有無滲漏等情況，具有檢測速度快，檢測結(jié)果可信度高等特點(diǎn)，是無損檢測方法在水務(wù)管道檢測中的融合創(chuàng)新。

(2) 聲納檢測系統(tǒng)能檢測到管道內(nèi)淤積情況的表觀數(shù)據(jù)；管道內(nèi)窺儀能直觀地顯示管道內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)和表面淤積情況；探地雷達(dá)可以對管道下的土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層檢測，雷達(dá)波的波形能反映管道的淤積情況以及結(jié)構(gòu)的完整度，也可通過周圍地層含水率的變化推測管道有無明顯的滲漏現(xiàn)象。