非金屬材質(zhì)排水管線的綜合探測方法研究

李兵

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇 徐州 221000)

1 引 言

排水管網(wǎng)普查工作非常重要。2013年12月12日，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會議》的講話中強(qiáng)調(diào)了“海綿城市”的重要性，各級地方政府積極做好城市排水系統(tǒng)研究——排水管網(wǎng)普查工作，從而為“海綿城市”的建設(shè)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。同時，排水管網(wǎng)普查工作還可以建立完善的城市排水防澇系統(tǒng)，提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力、保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全，提高城市排水防澇系統(tǒng)運行調(diào)度、預(yù)警預(yù)判、應(yīng)急處理的管理水平[1～4]。

排水管線從類別上分為雨水、污水、雨污合流，從材質(zhì)上大多分為砼、聚氯乙烯PVC、磚石等非金屬管。由于不規(guī)范施工，現(xiàn)實中雨污混流現(xiàn)象嚴(yán)重，很多排水管網(wǎng)年代久遠(yuǎn)，缺少準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，給管線探測增加了很大難度，尤其是很多作業(yè)現(xiàn)場不具備下井測量或者開挖測量的條件，并且排水井井脖過長，井室過大，水深且淤堵比較嚴(yán)重。這種情況下打開井蓋時，排水的走向、形態(tài)尺寸、拓?fù)潢P(guān)系、材質(zhì)、長度、坡度都無從查起，給排水管網(wǎng)普查工作帶來了很大的困難[5]。

2 方法研究

結(jié)合徐州市城市排水系統(tǒng)研究——排水管網(wǎng)普查工作，針對排水管網(wǎng)普查工作中的實用技巧，總結(jié)出“直接、觀察、辨音、詢查、物探”的綜合探測方法。

2.1 直接法

(1)直接下井量測。此方法優(yōu)點是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高，但缺點明顯，大部分排水井中有積水且氧氣不足，不宜直接下井量測。

(2)利用L尺測量。探測人員將L尺沿著排水井井壁向下觸碰并旋轉(zhuǎn)，如果井壁上無管道口，探測人員會持續(xù)地感受到尺端所傳遞回來的阻力，反之井壁上若存在管道口，探測人員會感受到尺端搓進(jìn)了一個空間，阻力消失。這種方法可以快速確定管道走向以及精確測量管底的深度。

此方法有以下弊端：

①管道口被淤堵嚴(yán)重時，尺端同樣會傳遞回來阻力；

②井室過大，尺端因彎曲度有限而觸碰不到管道口；

③井內(nèi)排水流速過快造成L尺向下觸碰時遭受阻力太大，造成尺端觸碰不到管道口。

以上三種情況，出現(xiàn)任何一種，此方法便不能奏效。

(3)利用量桿測量。該方法受淤泥和積水的影響較小，被廣泛應(yīng)用。值得注意的是，量桿測量得到的排水管線的深度是斜距，與排水管線的垂直深度有較大誤差，因此有必要對斜距進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到排水管線的垂直深度，通常采用如下方法：

①投影法

在進(jìn)行排水管線測量時，有部分的排水井井室寬度較大，排水管道距離井口的水平距離較大，這就造成使用量桿測量的斜距與該檢修井排水管道的垂直深度誤差較大，針對這種情況，可使用投影法檢修井排水管道垂直深度的測量。如圖1所示，將量桿插入檢修井排水管道的內(nèi)底A，得到排水管道底部A與井邊點B之間的斜距AB，再沿量桿量出與AB等長度的BC段，根據(jù)相似三角形的屬性特點可推出C點到地面的垂直距離CE便為管道的內(nèi)底埋深h。

圖1 投影法測量示意圖

②水平面量測法

在進(jìn)行市區(qū)排水管線普查過程中，檢修井內(nèi)的排水管道會由于下雨等原因存在一定深度的積水，在這種情況下可以采取水平面量測法。如圖2所示，水平面測量方法就是將量桿插入到檢修井排水管道的內(nèi)底B，A為井邊點，C為量桿排水管道積水面的交點，AC是地面到排水管道水面的斜距，AD是檢修井到排水管道積水面的垂直深度，那么該檢修井排水管道的垂直深度h就近似于AD與BC之和，即測量出AB、AC、AD的長度就能得到排水管道的近似深度。當(dāng)檢修井排水管道的垂直深度越大且管道內(nèi)積水越淺，水平面量測法的測量誤差越小。

圖2 水平量測法示意圖

③利用檢修井井底量測

該方法適用于井底無積水、淤泥，且深度大的檢修井，此方法是以檢修井的井底作為參照，從而進(jìn)行排水管道管底垂直深度的測量，計算方法如圖3所示：A為井邊地面點、B為檢修井排水管道內(nèi)底，用量桿測得AB與AC長度，二者之差近似于檢修井井底垂直深度H與排水管道內(nèi)底垂直深度之差，這次將其表示為△H，因此排水管道內(nèi)底的垂直深度近似等于H與△H之差。由于該方法參照了檢修井的井底，若要確保排水管道測量深度的精度，則要求井底要盡量平整，井底起伏較大的檢修井不建議采取此方法進(jìn)行排水管道深度的測量。此外在△H小于 0.5 m時，該方法的測量精度很高，能將排水管道垂直深度的測量誤差控制在 2 cm以內(nèi)，充分符合徐州市排水管線普查的測量精度標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 檢修井井底量測法示意圖

(4)比對高程。若排水管網(wǎng)相通，其水面高程是一致的。通過GPS或者全站儀等專業(yè)測繪儀器測量井蓋高程H(井蓋)以及井蓋與水面之間的高差h，從而算出水面高：H(水面)=H(井蓋)-h(高差)。水面高一致的排水井可判定為相通。此方法在以下兩種情況下不適用：其一是排水管道被完全淤堵導(dǎo)致水面不相通；其二是如果出現(xiàn)不同排水水系，其水面高完全一致。

2.2 觀察法

(1)類別判斷。探測人員通過觀察，如果排水井與雨水篦相連，可初步判定此排水井屬于雨水管網(wǎng)或者雨污合流管網(wǎng)，反之若不與雨水篦相連，此排水井可能屬于污水管網(wǎng)，此方法可以判別排水附屬物的拓?fù)潢P(guān)系以及雨污分類。在施工單位不規(guī)范施工導(dǎo)致排水管網(wǎng)鋪設(shè)錯誤時，此法不能適用。

(2)示蹤法判斷。探測人員可在流水中投入示蹤物，讓其漂流，以判斷出與此進(jìn)相連通的其他排水井。此方法要求示蹤物具有特定標(biāo)識，比如特殊的樹葉和帶顏色的液體等，要避免相同漂浮物形成的干擾。若排水處于靜止?fàn)顟B(tài)，此方法不能適用。

2.3 辨音法

聲音的傳播速度與介質(zhì)有關(guān)，一般情況下：v固>v液>v氣。同時打開多個排水井井蓋，利用錘擊任一井口的方法產(chǎn)生聲音，聲音會通過空氣、流水和管道傳播出去，與其相連通的排水井會產(chǎn)生回聲，以判定為兩井相連，若是管徑很大的砼管，會產(chǎn)生沉悶的嗡鳴，判斷方便。此方法簡單卻切實可行，但存在弊端：如果管道淤堵，或者管道為管徑很小的PVC管，此方法不能完全奏效。

2.4 詢查法

詢問權(quán)屬單位，詢問周圍居民。部分排水管網(wǎng)是由年久的明溝改造，當(dāng)?shù)鼐用翊笾铝私馀潘芫W(wǎng)的分布情況，尤其是老一輩群眾。詢查人員若是問對了對象，將大大減少探測的難度。

2.5 物探法

(1)管道CCTV檢測設(shè)備：管道檢測爬行機(jī)器人+管道潛望鏡。如圖4所示，工作人員將檢測機(jī)器人放入排水管道內(nèi)，通過遙控裝置操作或者計算機(jī)自動控制，進(jìn)行管道檢查工作。管道潛望鏡視頻檢測儀采用伸縮桿將攝像機(jī)送到被監(jiān)測井內(nèi)，對各種復(fù)雜的管道情況進(jìn)行視頻判斷。工作人員對控制系統(tǒng)進(jìn)行鏡頭焦距、照明控制等操作，可通過控制器觀察管道內(nèi)實際情況并進(jìn)行錄像，從而出具管道的各種檢測報告，甚至可以確定管道內(nèi)的破壞程度。

圖4 CCTV管道機(jī)器人檢測圖

目前管道CCTV檢測設(shè)備在非開挖領(lǐng)域管道檢測中得到了極致的利用，但在實際應(yīng)用中也存在一定的弊端：

①自走車在管道內(nèi)存留石塊或混凝土殘料的情況下容易側(cè)翻；

②若管道內(nèi)水位高且水質(zhì)渾濁，攝像機(jī)不能有效拍攝水下情況；

③成本高。

(2)地質(zhì)雷達(dá)方法。地質(zhì)雷達(dá)，英文簡稱GPR，通過發(fā)射與接收超高頻的短脈沖電磁波，來對地下介質(zhì)進(jìn)行成像，來研究地下異常的反射特征，來得到地下異常的位置、形狀、大小等屬性。在徐州市排水管網(wǎng)普查中，可以用地質(zhì)雷達(dá)來探測金屬及非金屬材質(zhì)的排水管道。地質(zhì)雷達(dá)從地層表面發(fā)射高頻短脈沖電磁波，電磁波在地層中傳播時，遇到界面兩側(cè)地層的介電常數(shù)不同時，就會在地層界面產(chǎn)生反射電磁波，在由地表進(jìn)行接收，來獲得電磁波在地下介質(zhì)中的雙程走時、波幅及其他電磁波特征[6]。排水管道被城市淺地表覆蓋，與周圍土壤有較大的電性差異，必然會在反射波剖面上有異常的波形特征，若已知排水管道的埋設(shè)方向，垂直于埋設(shè)方向設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)測線，如圖5所示，地質(zhì)雷達(dá)從X-N點到XN開始發(fā)射并接受電磁波，共2N個點，將每個點發(fā)射的電磁波水平排列，并將地磁波的波峰與波谷以黑、白顏色進(jìn)行填充，規(guī)定波峰為黑、波谷為白，于是得到時間域的反射波剖面，在已知地下介電常數(shù)及電磁波傳播速度的情況下，進(jìn)行時間與深度的轉(zhuǎn)換便得到深度域的反射波剖面，排水管道在剖面上的平面及深度信息。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

在實際的地質(zhì)雷達(dá)探測過程中，需要探測人員到現(xiàn)場確定測線位置及間距。間距受到現(xiàn)場測量環(huán)境、場地大小、平坦程度等制約，不宜過小及過大。測線間距過小，工作量大、效率低；測線間距過大會丟失排水管道在底下的延展性，損失了地下管道的細(xì)節(jié)信息，所以要選擇合適的測線間距。不同頻率的天線寬度不一樣，可選擇間距為天線寬度的一倍或者兩倍，這就使獲得的反射剖面能夠充分體現(xiàn)地下排水管道的波組特征。在進(jìn)行探測時，若平行的多個測線反射波剖面均能看到相似位置、相似深度上具有相同的波組特征，這能夠說明此地下管道在地下是連續(xù)埋設(shè)的。由于地下介質(zhì)復(fù)雜，一些大的石塊、尖銳物體等都會產(chǎn)生與管道相似的反射特征，要通過多條、不同位置的測線，來對地下不同介質(zhì)所產(chǎn)生的反射波波組特征進(jìn)行研究，盡量排除干擾信號，獲得最準(zhǔn)確的管線反射信息。

確定管線深度和水平位置。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射與電磁波，獲得了電磁波的旅行時，由于地下介質(zhì)是復(fù)雜的，不同地下介質(zhì)有不同的介電常數(shù)及電磁波傳播速度，需要通過已知深度的管線對介電常數(shù)進(jìn)行擬合，并進(jìn)行時間與深度的轉(zhuǎn)換便得到深度域的反射波剖面，這為地下排水管道提供深度信息奠定了堅實的基礎(chǔ)。地下排水管道水平位置可以通過地質(zhì)雷達(dá)自帶的測距輪進(jìn)行準(zhǔn)確定位，地質(zhì)雷達(dá)的位置能夠通過測距輪對應(yīng)到反射剖面上，在確定了排水管道的反射特征后，對比反射波剖面，將雷達(dá)中心移動到反射特征處，即可得到排水管道的水平位置，過程中要確保測距輪不能離開地面，否則會造成位置誤差。

確定管線管徑。地質(zhì)雷達(dá)在地下管線管徑的探測方面，對管線探測人員的使用經(jīng)驗及專業(yè)知識要求較高，同時，通過雷達(dá)剖面得到的管徑精度也不能保證。

若要較為準(zhǔn)確地得到地下管線的管徑信息，可以通過相關(guān)雷達(dá)后處理軟件來實現(xiàn)，例如REFLEXW，它是通過輸入不同的管線半徑來調(diào)整擬合拋物線，并與地質(zhì)雷達(dá)反射波剖面上管線的拋物線反射特征進(jìn)行比對，當(dāng)二者形態(tài)吻合良好時，此時輸入的管線半徑即可作為地下管道的半徑。此方法具備無損、快捷、連續(xù)、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)勢。同時，此方法具有成本高、效率低、誤差較大等劣勢。

此外，還有示蹤儀方法和機(jī)械方法等，這些探測方法的工作量巨大，會浪費大量的時間，占用大量的人力、物力，所以只有在以上方法都不能確定管線屬性的情況下才使用該類方法[7]。

3 工程實例

實際案例中需要探測一段泰奎大溝及其周邊排水管網(wǎng)，項目地點位于徐州市泉山區(qū)軟件科技園內(nèi)，此溝及其支流被工地、綠化帶壓蓋，明顯點少，年久失修，也缺少準(zhǔn)確的文字圖紙資料，卻承擔(dān)著重要排水防澇任務(wù)。綜合探測方法在此案例中得到了充分的運用。

直接法：獲知了部分大溝段的寬約 8.8 m，深度約 2.6 m。

觀察法：有效區(qū)分大溝水系與其他水系的不同，分析出在大溝西側(cè)存在一條DN500的獨立污水管網(wǎng)。

辨音法：此區(qū)域存在盲區(qū)約500 m，無明顯點。通過辨音法，有效地確定了盲區(qū)起終點平面位置。

詢查法：經(jīng)過探測人員堅持不懈的走訪，很多已退休的排水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)人員和老一輩的居民提供了寶貴的線索，幫助我們確定了大溝的大致走向，為下一步的精準(zhǔn)探測奠定了良好的基礎(chǔ)。

物探法：此大溝年久失修，水位高且水質(zhì)渾濁，使用管道CCTV檢測方法易發(fā)生側(cè)翻且圖像不清晰，不宜使用，故采用地質(zhì)雷達(dá)法。經(jīng)過直接法、觀察法、辨音法、詢查法后，用紅色線標(biāo)注了盲區(qū)范圍內(nèi)大溝的粗略位置，在黑色線位置布置地質(zhì)雷達(dá)4條測線(圖6)。

圖6 泰奎大溝粗略位置疊加雷達(dá)測線圖

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到地下平穩(wěn)界面產(chǎn)生反射波，從而在剖面圖上形成平穩(wěn)的反射界面，而泰奎大溝是一個寬約 8.8 m、深約 2.6 m的大溝，大溝的頂?shù)捉缑婢涂尚纬煞€(wěn)定的反射界面，電磁波在大溝內(nèi)多次反射從而形成多次波，如圖7～圖10所示，紅色線框內(nèi)的波形特征即為泰奎大溝的多次波反射特征，在大溝之外地層的電磁波由于未遇到介電常數(shù)差異的地層繼續(xù)向下傳播，從而未形成明顯的反射界面。

圖7 測線1地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖8 測線2地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖9 測線3地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖10 測線4地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖11 泰奎大溝新舊位置對比圖

通過4條測線的反射特征，確定出泰奎大溝的中心位置(已經(jīng)過開挖驗證)，進(jìn)行泰奎大溝排水管線的重新成圖，并與推測的泰奎大溝管線位置進(jìn)行對比(圖11)，紅色線為推測的泰奎大溝位置，紫色線為地質(zhì)雷達(dá)探測的泰奎大溝位置，新老泰奎大溝位置的最大誤差可達(dá) 3.56 m。

4 結(jié) 語

排水管網(wǎng)探測遵從綜合管網(wǎng)探測的普遍規(guī)律：在單一方法失效的情況下，可以多方法綜合運用，提高普查準(zhǔn)確率。排水管線由于大部分管道為非金屬材質(zhì)，更需要我們探測人員綜合分析，綜合判斷。本文提出的綜合探測方法可以歸納為“手量、目測、耳聽、口問，探測”十字方法，操作適當(dāng)，切實可行。同時，我們展望未來，希望排水管網(wǎng)施工部門對排水管網(wǎng)的鋪設(shè)更加規(guī)范，希望儀器生產(chǎn)廠家增強(qiáng)創(chuàng)新，以排水管網(wǎng)與周圍介質(zhì)的差異為突破口，生產(chǎn)出更有效的物探設(shè)備，從而更高效地完成排水管網(wǎng)探測任務(wù)。