基于CCTV的水庫輸水涵管內(nèi)窺檢測(cè)與評(píng)估

劉建文，譚 彩，潘展釗

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

目前我國水庫大壩總數(shù)超9萬座，為保障水庫大壩安全，水利部頒布的《水庫大壩安全鑒定辦法》明確要求大壩實(shí)行定期安全鑒定制度。輸水涵管作為水庫的重要組成部分，合理地對(duì)其安全性態(tài)作出評(píng)價(jià)是保障大壩安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。然而，由于水庫輸水涵管管徑通常較小，人員無法直接進(jìn)入進(jìn)行檢查，故目前絕大多數(shù)水庫在進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)未對(duì)輸水涵管進(jìn)行必要的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

目前管道檢測(cè)主要方法有管道閉路電視檢測(cè)(CCTV)、管道聲納檢測(cè)、潛望鏡檢測(cè)、紅外溫度檢測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)[2-6]。紅外溫度檢測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)主要從管道外部對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不直觀，且檢測(cè)精度相對(duì)較低；潛望鏡檢測(cè)雖然可以通過視覺圖像直接觀測(cè)管道內(nèi)部情況，但由于其無法直接進(jìn)入管道內(nèi)，檢測(cè)長度有限，通常不超過6m，無法對(duì)輸水涵管全線進(jìn)行檢測(cè)，難以準(zhǔn)確評(píng)估輸水涵管整體安全性態(tài)；管道聲納檢測(cè)主要對(duì)管道內(nèi)功能性缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且需要通過水進(jìn)行聲波的傳導(dǎo)，與市政管道不同，輸水涵管上下游水頭差較大，涵管淤積較為少見，主要隱患為結(jié)構(gòu)性缺陷；CCTV技術(shù)通過管道機(jī)器人直接爬入管道，對(duì)管道存在的結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷進(jìn)行直接拍攝，可以清晰直觀獲取管道內(nèi)部信息，進(jìn)而對(duì)管道進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)估。因此，CCTV技術(shù)是目前最可靠、最有效也是最直觀的管道檢測(cè)技術(shù)。

目前CCTV技術(shù)在城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)中應(yīng)用較為成熟，但在水庫輸水涵管中應(yīng)用較少。近年來廣東省水利水電科學(xué)研究院對(duì)CCTV技術(shù)在水庫輸水涵管開展了一系列研究，劉建文等[7]采用CCTV技術(shù)對(duì)石塘水庫進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)適用性和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析；陸雪萍等[8]采用CCTV技術(shù)分別對(duì)庫容放空后2周和1月的輸水涵管進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)輸水涵管滲水原因及來源進(jìn)行了分析；徐云乾[9]將CCTV技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，通過三維激光掃描技術(shù)將CCTV檢測(cè)出的隱患在壩坡上進(jìn)行標(biāo)識(shí)；譚彩等[10]將采用振動(dòng)探測(cè)儀對(duì)輸水涵管振源位置和原因進(jìn)行了推測(cè)，并通過CCTV技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證；袁明道等[1]分析了CCTV在進(jìn)行輸水涵管檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)圖像存在的主要問題，并針對(duì)性的提出輸水涵管檢測(cè)圖像增強(qiáng)技術(shù)。湖南省水利水電科學(xué)研究院宋子龍等[11]將CCTV獲取的圖像進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)了輸水涵管滲漏和裂縫隱患智能識(shí)別。

由于目前水庫輸水涵管檢測(cè)沒有規(guī)范，通常參照CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，然而水庫輸水涵管閘閥關(guān)閉后易產(chǎn)生霧氣，完全按照規(guī)范程序執(zhí)行，獲取的檢測(cè)圖像質(zhì)量較差，影響檢測(cè)結(jié)果，為此針對(duì)水庫輸水涵管檢測(cè)特點(diǎn)，總結(jié)了水庫輸水涵管CCTV操作程序，并引入隱患綜合評(píng)估方法對(duì)輸水涵管進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 工程簡介

某水庫位于清溪鎮(zhèn)鐵場(chǎng)河下游，集雨面積19.1km2，水庫于1957年12月開工，1958年5月竣工，工程主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、輸水涵管和發(fā)電廠房等，是一座以供水為主兼顧防洪、灌溉、發(fā)電、漁業(yè)等綜合利用的中型水庫。水庫原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，總庫容1210萬m3。水庫保護(hù)下游27萬人、1.38萬畝農(nóng)田、3.31萬畝工業(yè)區(qū)、1.45萬畝居民區(qū)以及清溪鎮(zhèn)區(qū)、塘廈鎮(zhèn)區(qū)、清鳳公路、廣深鐵路和東深供水工程羅馬站等設(shè)施的安全。水庫建成運(yùn)行60多年來，充分發(fā)揮了防洪、灌溉、供水等效益，保障了水庫下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定、快速健康發(fā)展。水庫輸水涵管于2002年10月改建，新建低涵管及豎井、閥門井閘室塔亭一座，采用穿越主壩鋼筋混凝土頂管，管長146m，內(nèi)徑1.2m，最大流量10m3/s。

2 檢測(cè)設(shè)備與操作程序

2.1 檢測(cè)設(shè)備

本次水庫輸水涵管檢測(cè)設(shè)備主要由操控面板、自動(dòng)電纜箱、爬行車以及攝像頭等組成，設(shè)備檢測(cè)概況如圖1所示。操控盤主要用于操控爬行車，同時(shí)操控盤上屏幕可實(shí)時(shí)展現(xiàn)爬行車傳回圖像；自動(dòng)電纜箱為連接爬行車和操控面板的構(gòu)件，操控面板下達(dá)的指令、爬行車的動(dòng)力以及爬行車獲取的圖像均通過自動(dòng)電纜箱傳遞，自動(dòng)電纜箱電纜長度也是限制最大檢測(cè)長度的關(guān)鍵，本次采用的電纜線長度為200m，基本可以滿足絕大多數(shù)水庫輸水涵管的全線檢測(cè)；爬行車重約6kg，長31cm，寬11cm，高90cm，可實(shí)現(xiàn)10m防水，爬行車采用LED 照明；攝像頭安裝在爬行車支架上，可隨爬行車支架上下活動(dòng)，同時(shí)攝像頭自身可實(shí)現(xiàn)270°前后旋轉(zhuǎn)，配置的攝像頭光學(xué)變焦為10x，感光度為1 Lux。

圖1 IPEK CCTV設(shè)備檢測(cè)概況圖

2.2 操作程序

水庫輸水涵管CCTV操作程序如圖2所示，主要包括歷史資料收集、現(xiàn)場(chǎng)勘查、檢測(cè)方案編制、關(guān)閉上游閘閥、檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量、輸水涵管評(píng)估7個(gè)步驟。步驟一：歷史資料收集。主要是明確輸水涵管管徑、管材、走向、運(yùn)行年限以及運(yùn)行工況等基本信息；步驟二：現(xiàn)場(chǎng)勘查。主要是通過現(xiàn)場(chǎng)查勘確定是否有作業(yè)條件，以及如何創(chuàng)造作業(yè)條件以及作業(yè)過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)；步驟三：檢測(cè)方案編制。主要是根據(jù)歷史資料和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況實(shí)際情況編制合理的作業(yè)方案，同時(shí)對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施；步驟四：關(guān)閉上游閘閥。CCTV需要在無水或者是少水的條件下進(jìn)行作業(yè)，因此須關(guān)閉上游閘閥，放空輸水涵管，然而水庫輸水涵管排水過程中會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生大量的霧氣影響檢測(cè)結(jié)果，因此在檢測(cè)前至少24h關(guān)閉輸水涵管閘閥，保證霧氣散去。步驟五：爬行器安放在輸水涵管管口后，歸零計(jì)數(shù)器。爬行車采集數(shù)據(jù)過程中宜沿輸水涵管軸線行駛，且在爬行過程中不應(yīng)變焦，進(jìn)行輸水涵管側(cè)壁攝像時(shí)，應(yīng)停止爬行器，對(duì)為保證圖像清晰，隱患圖像拍攝應(yīng)在爬行車停止10s以上后進(jìn)行；步驟六：校驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。主要檢驗(yàn)輸水涵管內(nèi)窺檢測(cè)圖像是否滿足要求，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量不滿足要求的，應(yīng)找準(zhǔn)問題原因并重新檢測(cè)；步驟七：輸水涵管評(píng)估。結(jié)合輸水涵管檢測(cè)結(jié)果，綜合評(píng)估輸水涵管安全性態(tài)。

圖2 輸水涵管CCTV檢測(cè)操作程序

3 檢測(cè)結(jié)果

輸水涵管由于上下游水頭差較大，沉積等功能性缺陷并不常見，主要以結(jié)構(gòu)性缺陷為主。輸水涵管結(jié)構(gòu)性缺陷主要包括破裂、錯(cuò)位、脫節(jié)、滲漏和腐蝕等，根據(jù)其嚴(yán)重程度由輕至重可劃分為1—4級(jí)。本次CCTV檢測(cè)從輸水涵管下游出水口往上游檢測(cè)至進(jìn)水口(涵管出水口設(shè)為檢測(cè)起始點(diǎn)，起點(diǎn)位置記為0.00m)，輸水涵管缺陷軸向位置通過里程樁號(hào)確定，環(huán)向位置通過時(shí)鐘法表征，時(shí)鐘法包含4位數(shù)字，前兩位表示隱患開始位置對(duì)應(yīng)鐘表上的時(shí)間刻度，后兩位隱患結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的刻度，時(shí)鐘法表征輸水涵管環(huán)向示例如圖3所示，0903表示隱患環(huán)向從9點(diǎn)鐘位置開始，到3點(diǎn)鐘位置結(jié)束。

圖3 輸水涵管缺陷時(shí)鐘表示法

本次檢測(cè)長度約為120.00m(下游出水口至上游進(jìn)水口閘門)，檢測(cè)時(shí)管內(nèi)水深約8cm，由于輸水涵管底部存在積水，因此涵管底部局部區(qū)域隱患無法判斷。檢測(cè)結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)輸水涵管存在錯(cuò)位和不均勻沉降現(xiàn)象，涵管整體結(jié)構(gòu)較完整。共檢測(cè)到明顯隱患點(diǎn)4個(gè)，其中破裂2處，分別位于距涵管下游進(jìn)口92.11、101.46m，環(huán)向位置分別為1101、0006，隱患等級(jí)均為1級(jí)；錯(cuò)位1處，位于距涵管下游進(jìn)口16.94m處，環(huán)向位置0506，分縫處流水有明顯落差，錯(cuò)位距離少于管壁厚度1/2，隱患等級(jí)為1級(jí)。滲漏1處，上游閘門頂部出現(xiàn)線漏，水持續(xù)從缺陷點(diǎn)流出，由于滲漏發(fā)生在進(jìn)口閘門頂部，推測(cè)其主要原因閘閥止水橡膠破損，隱患等級(jí)為2級(jí)。

4 輸水涵管評(píng)估

為合理評(píng)估輸水安全性態(tài)，引入CJJ 181—2012對(duì)管道的評(píng)估方法進(jìn)行輸水涵管評(píng)估。則輸水涵管損壞狀況參數(shù)S和最嚴(yán)重處的分值Smax分別可通過下式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

Smax=max{Pi}

(2)

式中，n—輸水涵管結(jié)構(gòu)性隱患數(shù)量，本次輸水涵管共檢測(cè)出4個(gè)隱患點(diǎn)，故n=4；n1—輸水涵管縱向凈距大于1.5m的隱患數(shù)量，本次檢測(cè)隱患縱向凈距均大于1.5，故n1=4；n2—隱患縱向凈距在1.0～1.5m之間的數(shù)量，檢測(cè)段無在此范圍內(nèi)的隱患，故n2=0；Pi1—隱患縱向凈距大于1.5m的分值，其中滲漏隱患為2級(jí)，分值為2分，其余隱患均為1級(jí)，分值為0.5分；Pi2—隱患縱向凈距在1.0～1.5m之間的分值，檢測(cè)段無在此范圍內(nèi)的隱患，Pi2=0；α—輸水涵管結(jié)構(gòu)性隱患影響系數(shù)，α=1.1。

則輸水涵管結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)F可表示為：

當(dāng)Smax≥S時(shí)，F(xiàn)=Smax

(3)

當(dāng)Smax

(4)

經(jīng)計(jì)算，水庫輸水涵管損壞狀況參數(shù)S=0.88，Smax=2，故輸水涵管結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)F=2，1

5 結(jié)論

(1)水庫輸水涵管閘閥關(guān)閉后易產(chǎn)生霧氣，完全按照CJJ 181—2012程序執(zhí)行，獲取的檢測(cè)圖像質(zhì)量較差，影響檢測(cè)結(jié)果。

圖4 輸水涵管隱患圖

(2)針對(duì)水庫輸水涵管特點(diǎn)，總結(jié)了適用于水庫輸水涵管的CCTV檢測(cè)程序，明確要求在開展穿堤壩涵管檢測(cè)時(shí)，至少提前24h關(guān)閉輸水涵管閘閥，以保證涵管在排水過程中產(chǎn)生的霧氣散去，該程序有效保障了穿堤壩涵管CCTV檢測(cè)成果的質(zhì)量。

(3)引入綜合評(píng)估方法對(duì)水庫輸水涵管進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明輸水涵管存在的明顯隱患點(diǎn)4個(gè)，輸水涵管綜合評(píng)估為2級(jí)，輸水涵管有明顯缺陷，對(duì)其結(jié)構(gòu)狀況有一定影響，具有逐步惡化的趨勢(shì)，與工程實(shí)際相符，引入的綜合評(píng)估方法可有效反映輸水涵管整體安全性態(tài)。