城市排水暗涵安全檢測(cè)與評(píng)估方法的應(yīng)用研究*

趙越順，孟 磊，陳永輝，楊昊東

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 710043

1 暗涵檢測(cè)現(xiàn)狀

隨著各個(gè)城市的不斷發(fā)展，水環(huán)境治理成為各個(gè)城市考核的一項(xiàng)重要指標(biāo)。深圳在過(guò)去20多年快速城市化和工業(yè)化的影響下，河流治理工作嚴(yán)重滯后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，所存在的安全隱患問(wèn)題也逐步凸顯出來(lái)，主要包括四個(gè)方面：（1）河道覆蓋現(xiàn)象比較嚴(yán)重，形成了暗河、暗渠等，所帶來(lái)的安全問(wèn)題主要有內(nèi)部缺陷及后期運(yùn)維困難；（2）部分河段箱涵由于年久失修，存在老化、開裂、鋼筋銹蝕、四周土層可能出現(xiàn)空洞；（3）暗涵內(nèi)部暗接排口，尤其是污水排口，對(duì)水質(zhì)達(dá)標(biāo)造成重大影響；（4）河道淤積現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

為了確保人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，保障城市經(jīng)濟(jì)快速高效發(fā)展，必須針對(duì)覆蓋河道所存在的諸多問(wèn)題進(jìn)行全方位的安全檢測(cè)與評(píng)估，及時(shí)掌握其現(xiàn)狀信息，對(duì)癥下藥，提出相應(yīng)的解決方案和實(shí)施措施，使暗涵內(nèi)部結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷得以整治，對(duì)排污口進(jìn)行溯源及整治，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

目前傳統(tǒng)的暗涵檢測(cè)僅采用閉路電視進(jìn)行暗涵外觀檢測(cè)，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)檢測(cè)的需求，不能對(duì)暗涵墻體內(nèi)部隱患進(jìn)行有效檢測(cè)；采用傳統(tǒng)測(cè)量方式對(duì)暗涵進(jìn)行測(cè)量，耗時(shí)比較長(zhǎng)，且增加了人員在涵內(nèi)的危險(xiǎn)性。為了提高暗涵檢測(cè)的安全性及工作效率，對(duì)暗涵進(jìn)行全方位檢測(cè)和評(píng)估，深圳市水務(wù)局出臺(tái)了《深圳市排水暗涵安全檢測(cè)與評(píng)估暫行指南》，文章?lián)藢?duì)深圳市某暗涵進(jìn)行安全檢測(cè)與評(píng)估，旨在為暗涵治理提供依據(jù)。

2 工作方法

暗涵檢測(cè)分為外觀檢測(cè)、結(jié)構(gòu)檢測(cè)及周邊隱患探測(cè)，外觀檢測(cè)方法包含人工檢測(cè)方法、攝像檢測(cè)方法、聲吶檢測(cè)方法及三維激光掃描法；結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法包含超聲波法、沖擊回波法、探地雷達(dá)、超聲橫波反射三維成像法、鉆孔法、回彈法等；周邊隱患探測(cè)包含探地雷達(dá)法、高密度電法、瞬變電磁法、地震反射波法、瞬態(tài)面波法、天然源面波法、鉆孔取芯法等方法。文章重點(diǎn)介紹三維激光掃描及探地雷達(dá)方法。

2.1 三維激光掃描

對(duì)水深較淺、淤積較小（不大于50cm）、水深距離底板不大于1m的暗涵（渠）采用人工三維激光掃描方法，其中三維激光掃描設(shè)備如圖1所示。由潛水員配合作業(yè)的方式開展檢測(cè)，結(jié)合實(shí)時(shí)差分定位設(shè)備（RTK）、全站儀測(cè)距技術(shù)，獲取高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用分析軟件，進(jìn)行暗涵排口位置精確定位、功能性、結(jié)構(gòu)性缺陷評(píng)估。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，完成暗涵本體尺寸特征、暗涵檢查井空間分布情況檢查，以及排放口的排查與統(tǒng)計(jì)，其中，排放口的排查與統(tǒng)計(jì)信息包括排放口的空間位置、管底標(biāo)高、直徑、材質(zhì)、實(shí)測(cè)時(shí)是否有水流出等信息。

圖1 三維激光掃描設(shè)備

2.2 探地雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)（GPR），也被稱為探地雷達(dá)或透地雷達(dá)。GPR技術(shù)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化，GPR利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波，根據(jù)接收到的資料來(lái)推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)等信息。地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖如圖2所示，H表示地層深度。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

地質(zhì)雷達(dá)主要利用帶寬高頻時(shí)域電磁脈沖波的反射檢測(cè)目標(biāo)體，電磁脈沖時(shí)間t的計(jì)算公式如下：

式中：z為目標(biāo)埋深；x為發(fā)射、接收天線距離；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

地質(zhì)雷達(dá)法是依據(jù)地下介質(zhì)界面對(duì)電磁波的反射同相軸的連續(xù)性進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)利用美國(guó)的Radan軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理成圖。此次檢測(cè)采用的探地雷達(dá)型號(hào)為美國(guó)勞雷公司的SIR4000，其工作數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)編輯、時(shí)間零點(diǎn)調(diào)整、距離歸一化、水平濾波、背景噪聲去除、時(shí)深轉(zhuǎn)換、反褶積、部分?jǐn)?shù)據(jù)選擇偏移處理，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 工作成果

此次檢測(cè)成果以深圳市某項(xiàng)目某條暗涵檢測(cè)為實(shí)例，利用三維激光掃描和探地雷達(dá)對(duì)該暗涵進(jìn)行檢測(cè)并評(píng)估，暗涵檢查以面向水流方向（上游至下游）定義左右方向，即面向水流方向左手邊為左側(cè)墻、右手為右側(cè)墻，里程樁號(hào)從每段箱涵下游往上游編排，隱患編號(hào)按河流拼音縮寫+箱涵編號(hào)+隱患類型（危害程度等級(jí)）隱患流水號(hào)來(lái)編排。

3.1 暗涵外觀檢測(cè)

（1）暗涵外觀檢測(cè)內(nèi)容。此次外觀檢測(cè)采用三維激光掃描方法進(jìn)行檢測(cè)，查明以下內(nèi)容：①暗涵的長(zhǎng)、寬、高、橫縱斷面等尺寸信息；②結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷情況；③檢測(cè)暗涵的淤積、沖刷現(xiàn)狀；④糙率現(xiàn)狀調(diào)查；⑤必要時(shí)，查明暗涵內(nèi)部排口位置、大小、材質(zhì)等屬性信息。

（2）暗涵外觀檢測(cè)成果。①暗涵的長(zhǎng)寬高、橫縱斷面由三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后得到的，部分示意圖如圖4所示。②結(jié)合三維激光掃描成果與攝像視頻，可得出結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷成果表，嚴(yán)重程度從低到高為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)（下文相同），其部分信息如表1所示。③依據(jù)三維激光掃描結(jié)果，可得到暗涵內(nèi)各排口位置、屬性等信息，其部分成果表信息如表2所示。

表1 某暗涵缺陷成果表部分信息

表2 某暗涵排口成果表部分信息

圖4 某暗涵部分橫斷面圖（單位：m）

3.2 暗涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)

（1）暗涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)內(nèi)容。此次采用探地雷達(dá)及回彈法等方法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要檢測(cè)混凝土強(qiáng)度、混凝土裂縫、混凝土結(jié)構(gòu)厚度、混凝土鋼筋分布及銹蝕、碳化深度等。

（2）暗涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)成果?；炷两Y(jié)構(gòu)厚度及鋼筋分布可從探地雷達(dá)成果圖中得出，暗涵某段探地雷達(dá)成果圖如圖5所示?；炷亮芽p可采用裂縫儀及裂縫測(cè)寬儀進(jìn)行檢測(cè)，裂縫部分信息如表3所示。綜合結(jié)構(gòu)檢測(cè)成果，可得到暗涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)成果表，其部分信息如表4所示。

表3 某暗涵裂縫檢測(cè)成果表部分信息

表4 某暗涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)成果表部分信息

圖5 暗涵某段探地雷達(dá)成果圖（未進(jìn)行距離歸一化）

3.3 周邊土體隱患檢測(cè)

周邊土體檢測(cè)一般是指對(duì)暗涵左右邊墻、底板、頂板周邊土體進(jìn)行隱患探測(cè)，探測(cè)是否存在脫空、富水、疏松甚至是空洞現(xiàn)象。此次暗涵檢測(cè)采用探地雷達(dá)對(duì)其周邊土體進(jìn)行探測(cè)，如圖6所示。

圖6 某暗涵上覆土層探地雷達(dá)部分剖面圖（K0+080～K0+150）

3.4 暗涵運(yùn)維設(shè)施檢查

暗涵運(yùn)維設(shè)施檢查包含以下內(nèi)容：（1）檢查井的檢測(cè)，具體包括井位及井間距測(cè)量、井蓋與井座完好性檢查、井壁完好性檢查、安全防護(hù)設(shè)施完好性檢查、人工爬梯完好性檢查等；（2）出水口的檢查，具體包括沖刷、護(hù)墻結(jié)構(gòu)坍塌、異物堵塞等檢查；（3）運(yùn)維設(shè)施周邊土體檢測(cè)。但是運(yùn)維設(shè)施檢測(cè)只是提供參考資料，并對(duì)暗涵進(jìn)行指標(biāo)化定性評(píng)估，不進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

3.5 暗涵總體安全評(píng)估

綜上所述，排水暗涵單元的安全等級(jí)根據(jù)子單元安全等級(jí)綜合確定，暗涵總體的安全等級(jí)根據(jù)過(guò)流能力、結(jié)構(gòu)安全及耐久性、周邊土體空洞隱患的安全等級(jí)綜合確定。

該暗涵的功能性安全評(píng)估等級(jí)為Ⅳ級(jí)，結(jié)構(gòu)安全及耐久性安全評(píng)估等級(jí)為Ⅰ級(jí)，周邊土體安全評(píng)估等級(jí)為Ⅳ級(jí)，暗涵總體安全評(píng)估等級(jí)為Ⅰ級(jí)，其重大原因?yàn)樽訂卧?（K0+100～K0+150）存在較大變形和嚴(yán)重的拉筋孔滲漏問(wèn)題，并且由設(shè)計(jì)單位對(duì)該子單元的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，以設(shè)計(jì)復(fù)核結(jié)果為準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章采用綜合方法對(duì)暗涵進(jìn)行安全檢測(cè)和安全評(píng)估，通過(guò)對(duì)這次暗涵檢測(cè)評(píng)估方法的應(yīng)用分析，為城市暗涵整治提供了有力依據(jù)，保證了城市水環(huán)境治理水質(zhì)達(dá)標(biāo)，有效地排除了暗涵存在的隱患，保證了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。排水暗涵環(huán)境復(fù)雜，外部條件變化大，暗涵安全現(xiàn)狀不是一成不變的，因此排水暗涵的安全評(píng)估是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需結(jié)合排水暗涵的動(dòng)態(tài)化檢測(cè)成果進(jìn)行復(fù)核、修正，并根據(jù)變化確定安全檢測(cè)與評(píng)估的頻次。