內(nèi)窺檢測與物探技術(shù)在排水設(shè)施管網(wǎng)排查中的應(yīng)用

楊 雷,何 輝

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

在開展了海綿城市建設(shè)PPP試點項目、工業(yè)區(qū)正本清源工程、污水支管網(wǎng)建設(shè)工程、城中村排水管網(wǎng)接駁改造工程、全面消除黑臭水體治理等工程后，光明區(qū)水環(huán)境質(zhì)量已有很大提升，光明水質(zhì)凈化廠2017年至2019年進(jìn)水BOD濃度分別為44.61、74.83、123.03 mg/L，進(jìn)水濃度提升效果明顯。但由于區(qū)內(nèi)仍存在雨污分流不徹底、排水設(shè)施不完善、大量建筑工地排水、存量管網(wǎng)及排水設(shè)施大量老舊等，對水環(huán)境質(zhì)量的提升形成嚴(yán)重制約，光明區(qū)仍面臨部分黑臭水體出現(xiàn)返潮無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、污水處理廠進(jìn)廠濃度偏低，運(yùn)行效率低下等嚴(yán)峻問題[1-5]。在國家、省、市各級部門的宏觀政策支持下，本文采用內(nèi)窺檢測與物探技術(shù)，對排水設(shè)施管網(wǎng)進(jìn)行排查。光明區(qū)為鞏固黑臭水體治理成效，進(jìn)一步提升流域水環(huán)境、提升區(qū)內(nèi)污水收集處理效能，開展了本次存量排水設(shè)施提質(zhì)增效工程。

1 工程地質(zhì)條件及檢測地點

1.1 工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形、地貌

工程區(qū)原始地貌主要有低臺地、盆地，寬谷沖積臺地，地形高差10～30 m，現(xiàn)因城市改造，地形變化大，除鵝頸東坑片區(qū)地勢起伏變化大外，其他工程區(qū)內(nèi)地形平緩，地面高程多在+10～+20 m。

1.1.2 地層特征

根據(jù)前期的地勘資料可知，場地內(nèi)淺地表內(nèi)的地層巖性主要有：

(1)人工填土層(Qml)。①素填土。黃褐色、褐黃色、雜色，松散，主要由粉質(zhì)黏土及組成，局部夾有少量碎石、砂礫，稍濕，松散狀、不均勻，部分鉆孔頂部有厚10～30 cm混凝土路面。場地層厚0.40～11.50 m。由于場地多為城建區(qū)，由于工程建設(shè)經(jīng)常開挖回填，堆填時間不一，固結(jié)程度不一，密實度也不一。②雜填土。主要見于茅洲河現(xiàn)兩岸，雜色，松散，為建筑垃圾回填，局部的混凝土塊較大，地表可見直徑1 m，部分為生活垃圾回填，最厚13 m。

(2)第四系沖洪積層(Qal+pl)。①淤泥質(zhì)土?；液谏?、深灰色，流塑狀，土質(zhì)不均勻，局部為淤泥或淤泥質(zhì)砂，揭露層厚為0.50～6.10 m，平均厚度2.34 m。②粉(砂)質(zhì)黏土。黃褐色、褐黃色、灰白色，可塑—硬塑，搖震無反應(yīng)，不均勻，含有少量砂礫及鐵錳氧化物結(jié)核，干強(qiáng)度較高。該地層各場地內(nèi)均有揭露，揭露層厚為0.50～10.50 m，平均厚度4.95 m。③粉細(xì)砂?；野住ⅫS褐、褐黃色，飽和，松散—稍密，礦物以石英砂礫為主，含有10%的粘粒。該層在少部分社區(qū)鉆孔揭露。揭露層厚0.30～5.00 m。④中粗砂?；野住ⅫS褐、褐黃色，飽和，稍密為主，局部松散或中密，以石英砂礫為主，含有約10%的黏粒，局部呈透鏡體狀分布。揭露層厚0.50～10.40 m。⑤礫砂。黃褐、褐黃色、灰白色，飽和，密實，礦物以石英砂礫為主，含有約15%的黏粒，少數(shù)鉆孔有揭露。揭露層厚1.90～4.90 m。

(3)第四系殘積層(Qel)。依據(jù)母巖的特性分為：①殘積土(砂巖、泥巖)。褐黃色、灰黑色為主，可塑，由下伏砂巖、泥巖風(fēng)化殘積而成粉質(zhì)黏土或砂質(zhì)黏土。該地層在部分鉆孔中揭露，揭露層厚0.50～8.80 m。②殘積土(花崗巖)。褐黃色為主，可塑—硬塑，由燕山期細(xì)?；◢弾r風(fēng)化殘積而成，大部分為砂質(zhì)黏土，局部為礫質(zhì)黏土。該地層在場地部分鉆孔中揭露，層厚0.90～10.50 m。

1.2 檢測地點

光明區(qū)存量排水設(shè)施提質(zhì)增效工程(光明水質(zhì)凈化廠服務(wù)范圍)測繪與評估、勘察設(shè)計光明街道存量排水管網(wǎng)內(nèi)窺檢測與評估場地位于光明區(qū)光明街道東周社區(qū)、翠湖社區(qū)、逕口社區(qū)、碧眼社區(qū)、光明社區(qū)，任務(wù)包括衛(wèi)光生物、光明北農(nóng)場基地、河心北路北建筑、宇翔科技園等71個地塊，區(qū)塊位置如圖1所示。

圖1 區(qū)塊位置Fig.1 Block location

2 內(nèi)窺檢測技術(shù)

2.1 檢測設(shè)備

(1)管道機(jī)器人。X5-HQ型管道機(jī)器人(CCTV)，該儀器采用了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和高分辨率的彩色攝像系統(tǒng)，可以通過控制臺調(diào)整攝像頭的高度、照明、焦距和速度，同時可以操縱爬行器行進(jìn)方向，繞過管道內(nèi)的障礙物。爬行器與鏡頭采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，密封性能良好，適合于檢測水深10 m以下的地方。最大爬行坡度35°，測量范圍45°，可輸出管道坡度曲線。

(2)管道潛望鏡。本次采用的管道潛望鏡由防爆潛望鏡機(jī)體、高強(qiáng)度碳纖維伸縮桿、激光測距儀、智能控制終端組成。主要應(yīng)用于市政管網(wǎng)或工業(yè)容器快速成像檢測，在檢測過程中，通過操作智能控制終端可實時錄制并保存被檢測對象的內(nèi)部影像，可快捷抓拍、保存缺陷圖像，使用者據(jù)此可清晰地了解到檢測對象目前狀況，并做出正確的決策。儀器如圖2所示。

圖2 管道潛望鏡Peek-2SFig.2 Pipeline periscope Peek-2S

2.2 管道評估方法

2.2.1 管道缺陷等級劃分

缺陷等級分類見表1。

表1 缺陷等級分類Tab.1 Defect class classification

2.2.2 管段結(jié)構(gòu)性狀況評估方法

管段結(jié)構(gòu)性缺陷等級評定對照見表2。

表2 管段結(jié)構(gòu)性缺陷等級評定對照Tab.2 Evaluation and comparison of structural defects in pipe sections

管道結(jié)構(gòu)性狀況評估依據(jù)是管段修復(fù)指數(shù)RI，按照修復(fù)指數(shù)大小劃定缺陷等級：

RI=0.7F+0.1K+0.05E+0.15T

(1)

式中，F(xiàn)為管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)；K為地區(qū)重要性參數(shù)；E為管道重要性參數(shù)；T為土質(zhì)影響參數(shù)。

管段的修復(fù)等級劃分見表3。

表3 管道修復(fù)等級劃分Tab.3 Classification of pipeline repairs

通過管道結(jié)構(gòu)性評估RI值計算，根據(jù)規(guī)程規(guī)定劃分管道的修復(fù)等級，提出管道存在結(jié)構(gòu)性缺陷應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

2.2.3 管段功能性狀況評估方法

管段功能性缺陷等級評定見表4。

表4 管段功能性缺陷等級評定Tab.4 Evaluation of functional defect grade of pipe section

管道功能性狀況評估依據(jù)是管段養(yǎng)護(hù)指數(shù)MI，按照養(yǎng)護(hù)指數(shù)大小劃定養(yǎng)護(hù)等級：

MI=0.8G+0.15K+0.05E

(2)

式中，G為管段功能性缺陷參數(shù)；K為地區(qū)重要性參數(shù)；E為管道重要性參數(shù)。

管道養(yǎng)護(hù)等級劃分見表5。

表5 管道養(yǎng)護(hù)等級劃分Tab.5 Pipeline maintenance grade classification

通過管道功能性評估MI值計算，根據(jù)規(guī)程規(guī)定劃分管道的養(yǎng)護(hù)等級，提出管道存在功能性缺陷應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

2.3 內(nèi)窺檢測結(jié)果

本次管道內(nèi)窺檢測工作檢測管段總數(shù)5 746段，存在缺陷的管段共2 850段，占總管段數(shù)的49.6%，共有4 800處缺陷。本文以光明街道衛(wèi)光生物存量排水管道為例，衛(wèi)光生物完成內(nèi)窺檢測缺陷見表6。

表6 衛(wèi)光生物完成內(nèi)窺檢測缺陷Tab.6 Weiguang Biotech completes endoscopic detection of defects

3 物探技術(shù)

3.1 地球物理特征

本次探測范圍內(nèi)，地表現(xiàn)狀大多情況下為硬化混凝土路面，少數(shù)探測區(qū)域可能為綠化帶。根據(jù)以往的探測經(jīng)驗，由于空洞區(qū)、土體松散區(qū)與周圍密實土層、巖層間存在較大的介電常數(shù)和電導(dǎo)率差異，為采用地質(zhì)雷達(dá)法提供了前提條件。常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)與地層電磁波速度見表7。

3.2 工作方法

3.2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

經(jīng)過現(xiàn)場仔細(xì)踏勘，同時考慮本次探測目的、精度要求及場地條件，最后采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行探測。地質(zhì)雷達(dá)是應(yīng)用高頻脈沖電磁波探測隱蔽介質(zhì)的分布，向被測物發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，當(dāng)電磁波遇到不同介電特性的介質(zhì)就會有部分返回，接收反射波并記錄反射的時間。

根據(jù)接收到波的旅行時間(雙程走時)、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)。

表7 常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)與地層電磁波速度Tab.7 Relative permittivity of common medium and velocity of formation electromagnetic wave

脈沖波走時：

(3)

式中,x值在剖面探測中是固定的；v值可以利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測定獲得，由式(3)可得目標(biāo)體的深度值Z。

(1)電磁脈沖波旅行時間：

(4)

式中，z為勘查目標(biāo)體的埋深；x為發(fā)射、接收天線的距離(式中因z>x，故x可忽略)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

(2)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度：

(5)

式中，c為電磁波在真空中的傳播速度；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率(一般μr≈1)。

(3)電磁波的反射系數(shù)。電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

(6)

式中，r為電磁波反射系數(shù)；ε1為第1層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2為第2層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

3.2.2 安全隱患識別

(1)密實。土體密實區(qū)一般介質(zhì)相對均勻，電性差異小，沒有明顯的反射界面，雷達(dá)圖像和波形特征通常表現(xiàn)為能量團(tuán)分布均勻或僅在局部存在強(qiáng)反射細(xì)亮條紋，波形均勻，無雜亂反射。土體密實區(qū)雷達(dá)圖像和波形特征如圖3所示。

圖3 土體密實區(qū)雷達(dá)圖像和波形特征Fig.3 Dense radar image and waveform features

(2)松散。土體松散區(qū)域地下介質(zhì)電性分布不均勻，存在多處反射界面，雷達(dá)圖像和波形特征一般表現(xiàn)為同向軸錯亂、不連續(xù)、雜亂無章。土體松散區(qū)雷達(dá)圖像和波形特征如圖4所示。

圖4 土體松散區(qū)雷達(dá)圖像和波形特征Fig.4 Radar image and waveform characteristics of loose soil area

(3)空洞。土體中存在空洞區(qū)域，地下空洞與其周圍介質(zhì)存在明顯的電性差異，形成強(qiáng)反射界面，空洞在地質(zhì)雷達(dá)圖像上的特征主要取決于空洞的形狀、大小，一般表現(xiàn)為同相軸開口向下的拋物曲線?？斩磪^(qū)雷達(dá)圖像和波形特征如圖5所示。

圖5 空洞區(qū)雷達(dá)圖像和波形特征Fig.5 Radar image and waveform characteristics of void regions

3.2.3 地面坍塌隱患評估

地面坍塌隱患評估依據(jù)深圳市地陷辦《深圳市地面坍塌隱患等級及認(rèn)定暫行辦法》中關(guān)于地面坍塌隱患等級的規(guī)定，地面坍塌隱患依據(jù)其性質(zhì)、危害程度、波及范圍、影響力大小，由高到低劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4個級別。地下排水管道隱患等級認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)見表8。

表8 地下排水管道隱患等級認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)Tab.8 Criteria for the identification of hidden danger levels of underground drainage pipelines

3.3 工作布置

管道滲漏空洞探測的基本流程：接受任務(wù)→收集資料→現(xiàn)場踏勘→檢測前的場地條件準(zhǔn)備(如挪開車輛或其他障礙物)→現(xiàn)場檢測并采集雷達(dá)數(shù)據(jù)—資料解譯→對比分析真假異?！嗷ヲ炞C評估隱患等級→編寫檢測評估報告。

(1)排水管道內(nèi)窺缺陷點地面位置確定。根據(jù)下達(dá)任務(wù)時設(shè)計提供的管道修復(fù)設(shè)計方案，按照缺陷類型和級別的主要原則，篩選出需要進(jìn)行管道滲漏空洞探測的缺陷點，得到缺陷點的具體坐標(biāo)及所屬的管道編號，根據(jù)已探明的排水管網(wǎng)資料進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，根據(jù)管網(wǎng)圖中的井號、坐標(biāo)找到需探查的點位。

(2)排水管道外部隱患檢測。對具備剖面布置條件處，原則上在管道左、中、右側(cè)布置3條平行于管道走向的地質(zhì)雷達(dá)剖面，獲取管道周圍的隱患長度資料；在隱患點中心位置，垂直于管道走向方向，布置3條地質(zhì)雷達(dá)剖面，獲取管道周圍的隱患寬度資料，即可圈定隱患點平面范圍。以上地質(zhì)雷達(dá)觀測方式均為點測，點距根據(jù)隱患深度及現(xiàn)場條件，選擇0.1 m或0.2 m。

(3)地面坍塌隱患安全評估。根據(jù)以上查明的管道埋設(shè)區(qū)域附近的隱伏空洞、土體松散區(qū)、滲漏區(qū)的情況，依據(jù)《深圳市地面坍塌隱患等級及認(rèn)定暫行辦法》對其危害程度做出評估并進(jìn)行分級，提出各級隱患的處理與監(jiān)測建議。

3.4 資料解釋與成果分析

3.4.1 地質(zhì)雷達(dá)資料整理解釋方法

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的主要是壓制各種噪聲，增強(qiáng)有效信號，提高資料信噪比，以最大可能的分辨率在地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息，幫助解釋人員對資料進(jìn)行有效的地質(zhì)解釋。地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理流程一般分2部分。處理過程如圖6所示。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理工程Fig.6 Ground radar data processing engineering

3.4.2 成果分析

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測資料，同時結(jié)合相關(guān)管道內(nèi)窺資料綜合分析，發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)存在284處土體松散異常區(qū)。本次管道滲漏空洞探測共發(fā)現(xiàn)地面坍塌Ⅲ級隱患22處，地面坍塌Ⅳ級隱患238處，地面坍塌低于Ⅳ級隱患24處。其中玉塘街為例，其空洞探測工作量明細(xì)見表9。

表9 玉塘街空洞探測工作量明細(xì)Tab.9 Workload of Yutang street void detection workload

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果分析，玉塘街道地面坍塌隱患分布統(tǒng)計見表10。

表10 玉塘街道地面坍塌隱患分布統(tǒng)計Tab.10 Statistics on distribution of hidden dangers of ground collapse in Yutang Street

地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果如圖7所示。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果Fig.7 Geological radar detection results

4 結(jié)語

(1)采用內(nèi)窺檢測技術(shù)，此次管道內(nèi)窺檢測工作檢測管段總數(shù)為5 746段，存在缺陷管段共2 850段，占總管段數(shù)49.6%，缺陷共4 800處。

(2)根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測資料，同時結(jié)合相關(guān)管道內(nèi)窺資料綜合分析，發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)存在284處土體松散異常區(qū)，本次管道滲漏 空洞探測共發(fā)現(xiàn)地面坍塌Ⅲ級隱患22處，地面坍塌Ⅳ級隱患238處，地面坍塌低于Ⅳ級隱患24處。