城市排水暗涵全面調(diào)查技術(shù)研究

李樂，趙光竹 ，周成龍，張偉，張述清

(1.甘肅中電建港航船舶工程有限公司，甘肅 永靖 731100； 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 引 言

近年來，為貫徹落實(shí)國(guó)家《城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》和《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案》，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)管網(wǎng)提質(zhì)增效與河道長(zhǎng)治久清的目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)許多城市為從源頭上治理城市水環(huán)境問題，首先需要對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行全面的排查，梳理問題所在，制定針對(duì)性、系統(tǒng)性、切實(shí)性的可實(shí)施方案，根本上解決水環(huán)境綜合治理的難點(diǎn)，。

城市排水暗涵是城市防汛排水保障體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市排水系統(tǒng)中人工建設(shè)的斷面形狀為矩形或梯形的地下排水設(shè)施，承擔(dān)著確保城市污水有序收集、運(yùn)輸和治理，維護(hù)城市日常運(yùn)行的重要作用。由于城市快速化建設(shè)中部分規(guī)劃存在不合理、錯(cuò)混亂接等原因造成排水暗涵雨污合流，同時(shí)暗涵內(nèi)部長(zhǎng)期在硫化氫等有毒有害氣體及污水長(zhǎng)期腐蝕下，存在較多如鋼筋銹蝕、混凝土脫落、接縫滲水等結(jié)構(gòu)與功能性缺陷，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成較大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)排水暗涵進(jìn)行全面排查，為徹底治理城市水環(huán)境問題提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)勘察成果。

2 排水暗涵調(diào)查內(nèi)容

排水暗涵調(diào)查工作為全面調(diào)查暗涵內(nèi)部本體特征、排水口、隱患及檢查井等附屬設(shè)施的路徑、坐標(biāo)、尺寸、現(xiàn)狀特征發(fā)育情況等綜合信息。主要調(diào)查要素包含四個(gè)方面：①暗涵空間位置分布、本體尺寸、涵室數(shù)量(單涵、雙涵、三涵)、涵內(nèi)水深及淤積情況。②暗涵排水口坐標(biāo)、高程、管徑、材質(zhì)、排口類型、排口水深及是否有附屬設(shè)施如拍門等。③暗涵起止端及檢查井位置平面坐標(biāo)、高程信息。④暗涵內(nèi)部結(jié)構(gòu)性缺陷(如破裂、變形、腐蝕、錯(cuò)口、起伏、脫節(jié)、接口材料脫落、異物穿入、滲漏等)、功能性缺陷(如沉積、結(jié)垢、障礙物、殘墻壩根、樹根、浮渣等)。

3 調(diào)查技術(shù)

通過對(duì)多地城市排水暗涵的檢測(cè)作業(yè)的實(shí)踐應(yīng)用，5種暗涵檢測(cè)技術(shù)已基本覆蓋所有工況及現(xiàn)狀暗涵。根據(jù)暗涵尺寸、水深、工況將暗涵檢測(cè)技術(shù)對(duì)分別適應(yīng)不同條件的5種暗涵檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，其主要包括固定式三維激光掃描儀、手持式三維激光掃描儀、暗涵檢測(cè)無人飛行器、智能管涵檢測(cè)機(jī)器人、水下潛航檢測(cè)機(jī)器人。暗涵檢測(cè)技術(shù)對(duì)比如圖1所示。

圖1 暗涵檢測(cè)技術(shù)對(duì)比示圖

3.1 固定式三維激光掃描儀

(1)技術(shù)原理

三維激光掃描是集光、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新尖技術(shù)，主要對(duì)物體的空間外形進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，其將實(shí)體的立體信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的可直接處理的數(shù)字信號(hào)，三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點(diǎn)的結(jié)合。

(2)適用工況

針對(duì)水深<0.5 m，凈空高度≥1.8 m的人員可通行的城市排水暗涵、覆蓋河道、截流系統(tǒng)管涵。

(3)作業(yè)流程

暗涵檢測(cè)作業(yè)開始前，應(yīng)在所檢測(cè)暗涵上下游檢查井處提前做好通風(fēng)、有毒氣體檢測(cè)等準(zhǔn)備工作。在確定暗涵工況滿足入涵作業(yè)的條件下，由具備有限空間作業(yè)的特種作業(yè)人員攜帶固定式三維激光掃描儀入涵。根據(jù)暗涵空間分布特點(diǎn)，通常按 30 m～50 m分段式布設(shè)測(cè)量點(diǎn)，以獲取更加密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同步在檢查井處結(jié)合RTK或全站儀測(cè)量設(shè)備布設(shè)定位標(biāo)靶，在軟件處理階段將空間坐標(biāo)信息引入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而獲得所調(diào)查暗涵段的空間分布特征、線路、坐標(biāo)尺寸等調(diào)查要素。同時(shí)，入涵作業(yè)人員攜帶攝像設(shè)備、水樣采集工具、輔助測(cè)量工具完成特征點(diǎn)影像拾取、水質(zhì)水量測(cè)定記錄等要素，最終實(shí)現(xiàn)暗涵調(diào)查全要素成果采集。三維激光掃描點(diǎn)云成果示意圖如圖2所示。

圖2 三維激光掃描點(diǎn)云成果示意圖

3.2 手持式三維激光掃描技術(shù)

(1)技術(shù)原理

手持式三維激光掃描是基于SLAM算法的移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)，在無法依靠GPS技術(shù)的屏蔽工況下，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地測(cè)量和記錄各種環(huán)境下的空間三維信息。相對(duì)于固定式三維激光掃描技術(shù)，無須分段式布點(diǎn)檢測(cè)，可從所檢測(cè)暗涵起點(diǎn)到終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，其檢測(cè)效率有數(shù)倍的提升。但針對(duì)表面較為光滑或無明顯變化特征的暗涵，需在所檢測(cè)暗涵段中間檢查井處布設(shè)立體泡沫假體或其他具有鮮明特征的物體，以增加暗涵內(nèi)部的明顯特征點(diǎn)，提高檢測(cè)精度。

(2)適用工況

針對(duì)水深<0.5 m，凈空高度≥1.8 m的人員可通行的覆蓋河道、城市排水暗渠(箱涵)。

(3)作業(yè)流程

暗涵檢測(cè)作業(yè)開始前，在入涵及出涵口提前布設(shè)坐標(biāo)靶點(diǎn)并用RTK或全站儀設(shè)備采集坐標(biāo)，同時(shí)，在所檢測(cè)暗涵上下游檢查井處提前做好通風(fēng)、有毒氣體檢測(cè)等準(zhǔn)備工作。在確定暗涵工況滿足入涵作業(yè)的條件下，由具備有限空間作業(yè)的特種作業(yè)人員攜帶手持式三維激光掃描儀從入涵口步行到出涵口，即完成檢測(cè)任務(wù)，從而獲取所調(diào)查暗涵段的視頻影像、空間分布特征、線路、坐標(biāo)尺寸等調(diào)查要素。同時(shí)，入涵作業(yè)人員攜帶水樣采集工具完成水質(zhì)水量測(cè)定等要素的采集，最終實(shí)現(xiàn)暗涵調(diào)查全要素成果采集。三維點(diǎn)云處理數(shù)據(jù)成果如圖3所示。

圖3 三維點(diǎn)云處理數(shù)據(jù)(掀頂前、后)成果示圖

3.3 暗涵檢測(cè)無人飛行器

(1)技術(shù)原理

暗涵檢測(cè)無人機(jī)是專門用于有限空間及人員無法到達(dá)的封閉區(qū)域進(jìn)行飛行檢測(cè)的設(shè)備。機(jī)身搭載先進(jìn)的多模塊傳感器，使無人機(jī)具備可碰撞、防撞負(fù)載、距離鎖定、無GPS的飛行穩(wěn)定性等功能，同時(shí)配備4K高清特寫影像記錄、紅外熱成像儀、全角度激光測(cè)繪以及流線數(shù)據(jù)管理等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，通過激光測(cè)量數(shù)據(jù)及SLAM算法處理，提供精準(zhǔn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而提取暗涵內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)、排口、缺陷等基礎(chǔ)勘測(cè)數(shù)據(jù)。

(2)適用工況

針對(duì)水深≤0.3 m，且凈空高度≥0.5 m的人員無法進(jìn)入的復(fù)雜工況覆蓋河道、城市排水暗渠(箱涵)、直徑 ≥0.6 m的截流系統(tǒng)管涵等。

(3)作業(yè)流程

應(yīng)用暗涵檢測(cè)無人機(jī)從檢查井、暗涵出入口飛行入涵，在出入涵口提前布設(shè)坐標(biāo)靶點(diǎn)，一般不少于5處坐標(biāo)靶點(diǎn)，并用RTK或全站儀設(shè)備采集坐標(biāo)，無人機(jī)入涵及出涵過程中確保掃描到各控制坐標(biāo)點(diǎn)。檢測(cè)過程中，通過無人機(jī)各功能模塊，實(shí)現(xiàn)所調(diào)查暗涵段的視頻影像、空間分布特征、線路、坐標(biāo)尺寸等調(diào)查要素的采集，如圖4所示。

圖4 暗涵檢測(cè)無人機(jī)數(shù)據(jù)提取示意圖

3.4 智能管涵檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

(1)技術(shù)原理

智能管涵檢測(cè)機(jī)器人是針對(duì)高水位暗涵綜合檢測(cè)的一種技術(shù)手段。采用碳纖維雙體艦艇式船體作為機(jī)器人航行載體，應(yīng)用風(fēng)力推進(jìn)的空氣負(fù)壓雙動(dòng)力系統(tǒng)，有效避免了暗涵中漂浮及懸浮污染物對(duì)機(jī)器人造成的纏繞、淤堵現(xiàn)象。機(jī)身搭載高清閉路電視系統(tǒng)(CCTV)、水下聲吶探測(cè)系統(tǒng)、激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)和定位向?qū)K等功能，在檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員通過地面控制站對(duì)檢測(cè)船進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱，實(shí)現(xiàn)對(duì)暗涵和排口的基本尺寸、缺陷、定位、淤積、污染源等信息的綜合采集。

(2)適用工況

針對(duì)水深>0.3 m，凈空高度≥0.5 m的人員無法進(jìn)入的高水位排水暗渠(箱涵)、截流系統(tǒng)管涵等。

(3)作業(yè)流程

檢測(cè)人員將智能管涵檢測(cè)機(jī)器人通過檢查井吊入暗涵進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，通過機(jī)器人配置的高清閉路電視(CCTV)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)暗涵內(nèi)部的現(xiàn)狀特征、排水口及附屬設(shè)施分布信息進(jìn)行排查，并形成暗涵內(nèi)部工程視頻影像資料，可用于后處理階段結(jié)構(gòu)及功能性缺陷的判讀評(píng)估。通過水下聲吶檢測(cè)模塊同步完成水面以下暗涵的要素排查，根據(jù)檢測(cè)暗涵的具體工況及排查側(cè)重點(diǎn)，可選擇性搭載剖面聲吶掃描模塊和多波速聲吶掃描模塊，完成水下不可視部分的暗涵特征、淤積、排水口分布信息的采集。通過激光雷達(dá)測(cè)量模塊，實(shí)時(shí)測(cè)量暗涵斷面、排水口及現(xiàn)狀特征的尺寸。同時(shí)，在機(jī)器人檢測(cè)過程中，通過機(jī)器人載體內(nèi)置的定位探頭，實(shí)時(shí)發(fā)送固有頻率的電子信號(hào)，檢測(cè)人員通過地面向?qū)x對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲，并通過RTK或全站儀對(duì)定位點(diǎn)坐標(biāo)及高程信息進(jìn)行測(cè)量記錄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)暗涵內(nèi)部檢測(cè)的現(xiàn)狀特征、排水口、缺陷等進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)，結(jié)合激光雷達(dá)測(cè)量尺寸，計(jì)算出涵內(nèi)各分布特征的準(zhǔn)確高程等信息，如圖5所示。

圖5 智能管涵檢測(cè)機(jī)器人功能示圖

3.5 水下潛航檢測(cè)機(jī)器人

(1)技術(shù)原理

水下潛航檢測(cè)機(jī)器人(ROV)通過定制化配置成為專業(yè)用于滿水及接近滿水工況的排水暗涵，通過8組推進(jìn)器及深度、姿態(tài)、航速等傳感器組合配置使機(jī)器人在暗涵中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的定深、定速功能。同時(shí)，配備的檢測(cè)模塊主要由高清攝像系統(tǒng)、多波速聲吶系統(tǒng)組成，對(duì)于能見度較低的暗涵水下部分，多波速聲吶利用同時(shí)發(fā)射和同時(shí)接受多個(gè)波速實(shí)現(xiàn)對(duì)水下條帶式全覆蓋測(cè)量。

(2)適用工況

針對(duì)水深>3/4(暗涵尺寸≥0.8 m)的接近滿水及滿水的城市排水暗渠(箱涵)、排水管道等。

(3)作業(yè)流程

為確保滿水暗涵內(nèi)的排污口及現(xiàn)狀特征能夠在檢測(cè)過程中完全覆蓋，機(jī)器人從作業(yè)起始點(diǎn)下水入涵，通常按100 m檢測(cè)段進(jìn)行往復(fù)行進(jìn)檢測(cè)。第一次檢測(cè)調(diào)整聲吶角度與機(jī)器人成夾角狀(角度大小根據(jù)所檢測(cè)暗涵具體工況通過調(diào)試確定)，聲吶探測(cè)范圍確保能夠覆蓋涵頂及涵底，通過聲吶呈現(xiàn)的對(duì)稱線確定水面反射線(即涵頂水面線)，確定發(fā)現(xiàn)排口或其他現(xiàn)狀特征時(shí)進(jìn)行位置記錄，并用機(jī)身搭載的測(cè)流儀確定排口流速特征。同時(shí)對(duì)排口、涵頂/涵底等相對(duì)尺寸進(jìn)行測(cè)量記錄；第一次檢測(cè)完成后，調(diào)整聲吶安裝角度與機(jī)器人朝向相同，進(jìn)行第二次入涵檢測(cè)，以保證檢測(cè)精度。水下潛航檢測(cè)成果如圖6所示。

圖6 水下潛航檢測(cè)成果示圖

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)城市排水暗涵全面調(diào)查技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐及總結(jié)，提出能夠覆蓋所有工況現(xiàn)狀暗涵的檢測(cè)前沿技術(shù)，根據(jù)各檢測(cè)技術(shù)的功能、原理差異與暗涵尺寸、水深等檢測(cè)條件差異進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，闡述不同工況下排水暗涵檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理、實(shí)施思路及案例示圖；表明以上所闡述的檢測(cè)技術(shù)可為不同工況的排水暗涵全面檢測(cè)調(diào)查提供解決方案，為城市排水暗涵治理提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)勘察成果。