基于GPS-RTK技術的穿越河流管道外檢測方法

周小莉，梁文旭，李 建，李任之

（1.四川水利職業(yè)技術學院 測繪工程系，四川 崇州 611231；2.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072；3.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260；4.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

基于GPS-RTK技術的穿越河流管道外檢測方法

周小莉1，梁文旭2，李 建3，李任之4

（1.四川水利職業(yè)技術學院 測繪工程系，四川 崇州 611231；2.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072；3.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260；4.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

針對穿越河流管道檢測的工程需求問題，研究了基于GPS-RTK技術的穿越河流管道外檢測方法，綜合運用DM管道防腐層檢測儀、測深儀、GPS、全站儀等構(gòu)建穿越管道外檢測系統(tǒng)，通過采取岸邊檢測和水下檢測的方法，實現(xiàn)了對穿越河流管道的精確探測，達到了保證穿越河流管道安全運行的目的，能為水下管道運行、檢測及維修提供數(shù)據(jù)和信息支撐。

穿越管道；管道檢測；RTK技術

管道輸送被認為是與公路、鐵路、水運、航空并列的5大運輸行業(yè)之一，主要用于能源輸送，在我國經(jīng)濟發(fā)展中已起到命脈作用。管道檢測是為了評估管道輸送系統(tǒng)的安全性，主要目的是檢測管道上的異常點，降低事故發(fā)生率。管道外檢測就是從管道外部進行檢測，主要是對管道的外部環(huán)境狀況以及管道在水底自身的狀況進行檢測，包括管道處水深、埋深、管道走向、管道裸露狀況及管道外壁防腐層破損、變形、損傷狀況等的檢測[1-3]。

在工程建設中，各種大型管道會遇到穿越河流的問題，穿越的方式有定向鉆、隧道（鉆爆、盾構(gòu)、頂管等）、大開挖（圍堰導流、分段等）等[4,5]。由于施工技術和條件等因素的影響，80%的穿越管道未達到設計深度，而管道埋深是評價水下穿越管道的重要指標[6]。河流的沖刷、腐蝕、清淤、挖沙、泥石流、河床地質(zhì)運動、地震荷載沖擊等活動，均會造成管道的損毀，影響管道的平穩(wěn)運行，并導致河水的污染[7]。目前，國內(nèi)外穿越河流管道埋深檢測方法較多，相應的設備種類繁多、性能各異。本文采用基于GPSRTK技術構(gòu)建穿越管道外檢測系統(tǒng)的方法，探討其中的關鍵技術，完成穿越河流管道的埋深檢測、防腐層破損點檢測、穿河段地形測量等工作，并通過實例加以驗證。

1 外檢測系統(tǒng)構(gòu)建

本研究綜合運用GPS-RTK、回聲測深儀、DM管道防腐層檢測儀（發(fā)射機和接收機）、全站儀等組成穿越管道外檢測系統(tǒng)。其中，GPS-RTK技術是將基準站觀測值和坐標信息以及GPS采集的觀測數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，求得其三維位置[6]?；芈暅y深儀是利用換能器測得的聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度，求得障礙物與換能器之間的距離。DM管道防腐層檢測儀用于在非開挖條件下，采用多頻電流和交流電位梯度（ACVG）測量技術，對穿越管道防腐層進行現(xiàn)場絕緣性能評估和缺陷點定位。DM管道防腐層檢測儀主要由DM超大功率發(fā)射機、接收機、數(shù)字A字架組成，如圖1所示。

圖1 DM管道防腐層檢測儀組成圖

DM管道防腐層檢測儀的操作流程如圖2所示。DM管道防腐層檢測儀的發(fā)射機將含有近于直流的超低頻信號電流、管線定位電流、絕緣故障定位電流等多種頻率的混頻電流信號施加于穿越管道上，與大地構(gòu)成閉合回路傳播。當不存在破損處時，電流隨著傳播距離的增加均勻地減弱[8]。當防腐層存在破損處時，電流從破損處的故障點泄漏到土壤或其他管線中，導致管線電流出現(xiàn)明顯的電流陡降異常，土壤中出現(xiàn)明顯的交流ACVG異常。根據(jù)ACVG異常數(shù)據(jù)即可確定當前管線的破損程度，進而確定修復方案。

圖2 DM管道防腐層檢測儀的操作流程圖

2 穿越管道埋深外檢測方法

2.1 基本原理

穿越管道埋深外檢測系統(tǒng)工作原理如圖3所示。GPS-RTK技術用于實時提供空間位置信息，為管道坐標計算提供基準，DM管道防腐層檢測儀用于探測管道埋深，回聲測深儀探測出河床到水面的距離即水深。穿越管道埋深外檢測主要分岸邊檢測和水下檢測兩種，需要根據(jù)不同工作條件，選擇不同的作業(yè)方式和計算方法。

圖3 穿越管道外檢測系統(tǒng)工作原理圖

岸邊檢測采用GPS+DM管道防腐層檢測儀的方式，利用GPS獲取位置信息，DM管道防腐層檢測儀直接獲取埋深。水下檢測則用DM管道防腐層檢測儀探測出管道頂?shù)剿娴木嚯x，回聲測深儀探測出河床到水面的距離（水深），通過DM管道防腐層檢測儀探測深度減去回聲探測儀探測的水深得到管道埋深。綜合運用上述位置和深度信息，可以計算出水下管道的覆土層厚度、是否露管、露管長度以及露管起始位置的坐標等信息。檢測過程中，為了保證檢測數(shù)據(jù)的精度與可靠性，要求每個檢測點的間距不大于1 m，同時對穿越河流地面段提取不低于1%數(shù)據(jù)進行開挖驗證，并需提供檢測部位淺埋管道GPS坐標、管道防腐層破損點GPS坐標，最后與收集到的原有河流穿河管線的竣工資料進行對比。

2.2 方法與步驟

1）收集各穿越斷面的竣工資料、已知控制成果，制定檢測方案。

2）DM管道防腐層檢測儀的架設及檢驗。

3）GPS-RTK的基站架設及檢校。GPS-RTK在使用時應注意以下事項：①GPS-RTK的基準站盡可能架設在高處，并避開強磁場的干擾，以提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，保證基準站與流動站的正常通信；②實地作業(yè)時，應該在作業(yè)前使用控制點進行參數(shù)解算和控制點檢核；③測量時手持流動站觀測桿，采用三腳架來安置流動站，確保定位瞬間GPS接收機處于穩(wěn)定狀態(tài)，在固定解狀態(tài)且HRMS≤0.05、VRMS≤0.02時進行數(shù)據(jù)采集。每個點位在不同的時間段觀測2次，較差小于5 cm的取中數(shù)，大于5 cm的返工重測。

4）利用DM管道防腐層檢測儀確定管道的中心位置，同時探測管道埋深，在確定位置的同時，采用GPS-RTK對管道進行瞬時定位，并測出該點的瞬時水深，儲存并在采集完成后傳輸?shù)接嬎銠C。

5）當所有數(shù)據(jù)采集完成之后，將采集得的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)接嬎銠C，繪制穿越的河床斷面圖及管道埋深斷面圖。

3 實例分析

3.1 外檢測區(qū)域基本情況

實驗檢測管道穿越XX河及某公路，穿越平面圖如圖4所示，穿越樁為TQH01和TQH02。該穿越河流斷面處上下河道順直，河段比降9‰，右岸為公路，左岸為中低山，主河槽寬約40 m，穿越處管徑為D1016，設計壓力為10 MPa，穿越處地區(qū)等級為二級，穿越工程等級為中型，采用大開挖穿越方式通過。河流于2014年7月測定，檢測時水位標高為695.482 m。實際檢測長度為49.51 m，其中水下段長度為42.54 m。

3.2 外檢測數(shù)據(jù)分析

圖4 XX河穿越管道埋深外檢測平面圖

本文運用上述技術方法對該管道50處檢測點進行觀測和計算，得到的檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 穿越管道檢測數(shù)據(jù)/m

通過對上述檢測點進行分析，該管道水平段設計標高為687.59 m、檢測標高為687.91～688.19 m、標高最大差為0.32～0.60 m、最小埋深為6.82 m。

從檢測地面標高、設計管底標高、檢測管底標高、里程等方面入手，采取橫向1：500、縱向1：200的比例來繪制穿越管道埋深斷面圖，如圖5所示。

圖5 穿越管道埋深外檢測斷面圖

結(jié)合以上檢測數(shù)據(jù)和圖表，經(jīng)過實際檢測數(shù)據(jù)以及與管道設計、竣工埋深作比較，可得出以下結(jié)論：

1）平面位置，XX河穿越平面位置與設計位置基本一致，實際管線穿越位置位于設計管線右側(cè)約2.0 m；

2）埋深方面（至管底），XX河穿越水平段檢測管底標高為687.91～688.19 m，河道最深處最小埋深為6.82 m；

3）與設計比較，XX河穿越水平段設計管底標高為687.59 m，水平穿越段檢測管底標高比設計標高高0.60 m，爬坡段實測管底標高低于設計管線下約0.3 m；

4）與竣工比較，竣工測量管底標高剖面線與設計線相同；

5）破損點分析，采用DM防腐管道探測儀，對XX河流穿越處管道進行破損點探測，未發(fā)現(xiàn)管道上有異常電流值，可認定該段管道無破損點。

XX河穿越檢測管底標高比設計標高高0.60 m，不滿足設計高程要求，建議業(yè)主方、設計方、施工單位、監(jiān)理單位共同會商處理；建議雨季來臨時，加強人工巡視，并在洪水沖刷較大時，定期對管道進行埋深檢測。

4 結(jié) 語

本文對穿越河流管道外檢測方法進行了探討，并運用實例對關鍵技術與方法進行了檢驗和分析，結(jié)果表明，運用該方法能夠掌握穿越管道的埋深情況，滿足穿越河流管道外檢測的精度要求。后續(xù)將繼續(xù)加強已完成的河流穿越管道檢測數(shù)據(jù)的建庫工作，為水下管道運行、檢測及維修等提供更多的數(shù)據(jù)和信息支持。

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P258

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1672-4623（2016）03-0099-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.032

周小莉，碩士，講師，主要從事工程測量、攝影測量的教學、技術設計和管理工作。

2015-03-02。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41001226）。