城市排水箱涵缺陷檢測及評估技術研究進展

石穩(wěn)民， 鄒靜， 彭冠平， 黃林， 楊振，2

（1.中建三局水務環(huán)保有限公司， 武漢 430056； 2.中建三局水務環(huán)保設計研究院， 武漢 430014）

排水箱涵作為城市排水系統(tǒng)的主干管網(wǎng)， 沿城市主干道路呈網(wǎng)絡狀分布， 承擔著城市雨水、 污水的有序收集、 轉運和處理等功能， 是城市重要的市政基礎設施［1］。 隨著城市化進程的不斷發(fā)展， 部分箱涵建設年代已較為久遠（大于20 a）， 達到箱涵設計使用年限中期或后期。 由于建設質量控制標準低、 污水長期浸泡腐蝕、 箱涵周邊荷載變化等原因［2-3］， 箱涵頂板及內壁出現(xiàn)混凝土剝落、 鋼筋銹蝕、 變形縫滲漏等缺陷， 造成排水不暢， 極大降低箱涵結構承載力， 影響排水箱涵安全使用。

在城市管道維養(yǎng)及非開挖修復工程中， 為全面了解排水箱涵過流能力及結構強度現(xiàn)狀， 需對舊排水箱涵性能進行仔細檢測與評估。 傳統(tǒng)城市排水管道檢測主要有目測、 反光鏡檢測、 人員進入管內等手段， 以及閉路電視（CCTV）、 聲吶、 潛望鏡（QV）等儀器檢測法。 針對城市排水箱涵， 還需對混凝土強度、 鋼筋銹蝕程度、 箱涵承載力等進行檢測分析， 以全面評估排水箱涵功能及結構安全現(xiàn)狀。 目前我國針對城市排水箱涵的檢測與評估技術仍處于發(fā)展階段， 本文對排水箱涵的缺陷類型進行了總結分析， 闡述了排水箱涵結構性缺陷的檢測及評估技術， 為排水箱涵的養(yǎng)護管理和修復工作提供參考。

1 排水箱涵缺陷類型

按照CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》， 城市排水管道缺陷可歸納為功能性缺陷和結構性缺陷兩大類， 其中結構性缺陷主要包括破裂、 變形、 腐蝕、 錯口、 脫節(jié)、 支管暗接、 異物穿入、 滲漏等10 種， 功能性缺陷主要包括沉積、結垢等6 種［4－6］。 相比城市排水管道， 城市排水箱涵一般采用鋼筋混凝土結構（部分老舊箱涵為磚砌結構）， 其缺陷類型包括底部淤積、 側壁結垢等功能性缺陷和以混凝土腐蝕為主的結構性缺陷。 按照腐蝕程度劃分， 箱涵缺陷主要包括表面裂縫、 頂板局部破損、 保護層破損、 鋼筋腐蝕及變形縫滲漏等幾類［3，7］。 各種缺陷及主要特征如表1 所示。針對不同缺陷類型， 所采用的缺陷檢測技術也有所區(qū)別。

表1 排水箱涵缺陷類型及主要特征Tab. 1 Defect types and main characteristics of drainage box culvert

2 排水箱涵缺陷檢測技術

傳統(tǒng)箱涵檢測手段包括人工檢測法、 量泥斗檢測法、 反光鏡檢測法和煙熏法等， 檢測工作繁瑣且安全性低［8］。 經(jīng)過多年發(fā)展， 針對排水箱涵檢測形成了多種成熟技術及一些更安全化、 精細化的新型技術。 按照檢測目的和類型不同， 可大致分為以下三類： 一是針對箱涵表面外觀質量的檢測， 如CCTV、 聲吶、 QV、 紅外熱成像等； 二是針對箱涵結構性能的檢測， 如混凝土強度檢測、 鋼筋銹蝕檢測等； 三是針對箱涵內排口、 滲漏檢測以及其他新型檢測技術。

2.1 外觀質量檢測技術

2.1.1 CCTV 檢測

CCTV 檢測是指利用閉路電視系統(tǒng)進行管道檢測的方法， 其主要檢測設備包括操作牽引車、 攝像機、 控制系統(tǒng)等， 通過攝像機對管道錄像的方式來探查箱涵表面缺陷情況， 工作示意如圖1 所示。

圖1 CCTV 檢測工作示意Fig. 1 Detection work of CCTV

CCTV 檢測具有操作簡便、 安全性能好、 檢測速度快、 成像質量高等優(yōu)點， 廣泛應用于下水道、排水管道、 給水管道的缺陷檢測中。 使用CCTV檢測前需采取臨時降水、 內壁清洗等預處理措施，管道內水位不大于管道直徑的20% 且不超過300 mm［9］。 為了獲得較高的成像質量， 小車的行進速度宜限制在15 cm／s。 管道內障礙物、 水霧等均會對檢測效果產生干擾。

2.1.2 QV 檢測

QV 檢測是指采用管道潛望鏡在檢查井內對管道進行檢測的方法， 其主要檢測設備包括主控器、攝像頭和手提竿等。 通過攝像機對管道內部進行長距離拍攝以探查管道內部狀況。

管道潛望鏡可用于管道日常巡查、 管網(wǎng)普查及新建管道復核檢查等， 主要用作對管道狀況的快速初步判定。 QV 檢測時， 管段內水位不宜大于管徑的1／2， 管段長度不宜大于50 m， 超過30 m 時應進行雙向檢測［9］。 QV 檢測操作簡便、 數(shù)據(jù)直觀，在城市管道檢測中應用較多， 但也存在探測距離短， 檢測不連續(xù)等問題。

2.1.3 聲吶檢測

聲吶檢測是采用聲波反射技術對管道內水面以下的狀況進行檢測的方法。 聲吶檢測可與CCTV、QV 以及其他檢測技術結合使用， 具有靈敏度高、穿透力強、 探傷靈活、 效率高、 成本低等優(yōu)點。 聲吶檢測時， 管道內水深應大于300 mm［9］。 檢測時管內水流速度應符合不影響檢測探頭的定位精度要求［10］。 聲吶只能檢測液面以下的管道狀況， 且不能檢測結構性缺陷， 只能用作管道狀況的初步判定。

2.1.4 表面裂縫檢測

表面裂縫是混凝土箱涵表面質量缺陷的重要特征， 對裂縫分布特征及裂縫寬度進行檢測十分必要。 傳統(tǒng)檢測手段主要通過人工配備檢測小車、 裂縫測寬儀等進入箱涵內部進行近距離測量， 檢測周期長， 成本也較高， 且安全性低。

近年來， 隨著檢測技術的發(fā)展， 紅外熱成像技術逐漸在建筑物無損檢測及安全評估方面得到廣泛應用［11］。 利用高分辨率熱紅外圖可以快速識別混凝土表面異常， 利用計算機批量處理， 從而快速確定混凝土表面裂紋或其他缺陷情況［8］。 熱成像檢測技術判別速度快、 精度高， 未來應用前景廣闊。 此外， 超聲橫波反射三維成像技術也被用來確定水工混凝土結構表面裂縫寬度和貫穿深度［12］。

2.2 結構性能檢測技術

2.2.1 混凝土強度檢測

混凝土強度是反映箱涵結構穩(wěn)定和安全的關鍵指標， 目前箱涵混凝土強度檢測主要包括鉆芯取樣法、 回彈法、 超聲－回彈法、 沖擊回波法等［8，13］。

鉆芯法是利用鉆芯機及配套機具， 在混凝土結構構件上鉆取芯樣， 通過芯樣抗壓強度來測定混凝土抗壓強度的方法。 鉆芯法具有直觀準確、 代表性強及可同步檢測混凝土內部缺陷等優(yōu)點， 常用作其他檢測技術的校核。 鉆芯法的主要缺點是對測試結構有擾動以及成本較高［8］。 回彈法是利用回彈儀的彈擊重錘敲擊混凝土表面， 利用回彈距離測試混凝土表面硬度， 從而推算混凝土抗壓強度。 回彈法檢測結果精度較低， 不適用于表面和內部有明顯質量差異的混凝土結構。 超聲－回彈法綜合了非金屬超聲儀和回彈儀2 種檢測結果， 可利用聲學時值和回彈值反映混凝土內部和表面性能， 從而提高檢測精度［14］。 沖擊回波法主要應用于鋼筋混凝土構筑物的無損檢測， 可用來測量結構混凝土厚度， 具有簡便、 快速、 設備輕便、 干擾小、 可重復測試等特點［15-16］。

回彈法、 超聲－回彈法、 沖擊回波法可用于箱涵混凝土強度的無損檢測， 必要時可采用鉆芯取樣法進行強度復核。

2.2.2 鋼筋銹蝕檢測

在混凝土箱涵結構中， 鋼筋是影響箱涵系統(tǒng)承載力的重要因素， 因此對鋼筋銹蝕的檢測也十分必要。 目前檢測鋼筋銹蝕情況主要有4 種方法： 直接觀察法、 自然電位法、 現(xiàn)場鑿開法和電磁法［8］。

直接觀察法是對混凝土構件表面進行觀察， 查看是否存在銹跡等； 現(xiàn)場鑿開法是指破除保護層，直接測量銹層直徑和鋼筋直徑。 直接觀察法和現(xiàn)場鑿開法適用于鋼筋已有銹蝕的情形。 自然電位法和電磁法主要利用電場和磁場變化反饋混凝土內部鋼筋異常狀況， 具有操作簡便， 不破壞混凝土結構等優(yōu)點， 但檢測精度相對較低。

2.2.3 混凝土厚度及鋼筋分布檢測

針對帶壓、 滿水運行的排水箱涵， 胡繞等［2］采用陣列式超聲波法和探地雷達法， 從箱涵外部對排水箱涵的內部腐蝕情況進行了檢測分析。

陣列式超聲波法的主要原理是通過控制換能器陣中的發(fā)射脈沖間隔來改變聲波相位， 從而實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化， 完成聲成像。 探地雷達主要是利用介質間的電導率、 介電常數(shù)等電性差異，利用高頻電磁在介質中的傳播速度不同， 從而實現(xiàn)對地下異常物體的位置和深度的定位。 綜合運用陣列式超聲波法和探地雷達法可從箱涵外側實現(xiàn)對內側頂板厚度微小變化、 頂板鋼筋分布及腐蝕銹斷情況的清晰分辨。 陣列式超聲波法用于混凝土厚度檢測效果明顯， 探地雷達法用于分辨結構內部鋼筋分布則更清晰。

2.3 箱涵滲漏探測技術

針對箱涵排口及滲漏檢測問題， 研究開發(fā)了管道電位探測技術、 高密度電阻率法、 電阻率CT 法等勘探技術， 具有檢測速度快、 實用性強及成本低等特點。

2.3.1 管道電位探測技術

管道電位探測技術是指利用直流供電裝置向探測管段內部供電， 通過管道中水來傳導電流， 同時通過管涵上方地面布設探測電極， 來檢測管涵周邊電位的檢測手段， 管道電位法檢測工作示意如圖2所示。 管道內壁為鋼筋混凝土結構， 相對水和周邊土體來說為高阻抗， 當管道存在排口或存在滲漏情況時， 電極之間存在低阻抗通路， 因而電極之間電流增大。

圖2 管道電位法檢測工作示意Fig. 2 Detection of pipeline potentiometry

周景等［17］將管道電位探測技術用于城市暗涵排口溯源， 比常規(guī)溯源法迅速快捷、 準確率高。 賀超等［18］利用電法測漏定位儀對管道破裂、 滲漏等常見病害進行了檢測和分析， 結果表明該技術對管道缺陷定位精度高、 成本低、 效率高， 可結合聲吶、 CCTV 等檢測技術， 對管道缺陷進行深入分析。

2.3.2 電阻率法檢測技術

電阻率法的基本原理是利用土層中不同介質的電阻率差異， 通過建立人工穩(wěn)定電流場， 觀察研究其分布規(guī)律， 從而探測土層中的礦產、 地下水等，最早應用于礦產勘探行業(yè)。 吳鋒［19］研究了電阻率法在排水箱涵滲漏檢測方面的應用， 主要包括高密度電阻率法和電阻率CT 法。 首先通過高密度電阻率法可快速確定排水箱涵存在的電阻異常（滲漏）位置， 再利用電阻率CT 法進行進一步的精細檢測。研究結果表明， 通過模型正演和反演， 聯(lián)合使用高密度電阻率法和電阻率CT 法能夠高效、 無損檢測排水箱涵的滲漏情況， 具有實用性強、 效率高及成本低等優(yōu)勢。

3 排水箱涵缺陷評估技術

3.1 排水管道缺陷評估標準

針對管道缺陷狀態(tài)評估， 英國、 美國、 日本、丹麥等國家均出臺了相關評估標準［1］， 基于人工檢測、 CCTV、 QV 以及其他管道缺陷檢測數(shù)據(jù)， 從管道結構性缺陷、 功能性缺陷以及周邊土體病害等方面進行綜合評價分析。

目前國內管道缺陷評估參照英國、 美國等評價標準， 編制發(fā)布了CJJ 181—2012。 規(guī)程采用評級打分的形式對10 種結構性缺陷和6 種功能性缺陷進行綜合評價， 根據(jù)缺陷的危害程度給予相應的分值和缺陷等級。 通過缺陷長度、 位置及數(shù)量計算管段的缺陷參數(shù)S， 當管段缺陷參數(shù)S 小于管段缺陷最大值Smax時， 缺陷參數(shù)按最大值計算， 相反則按平均缺陷參數(shù)S 計算， 其計算公式如式（1） ～（3）所示。

式中： n 為管段的結構性缺陷數(shù)量； n1為縱向凈距大于1.5 m 的缺陷數(shù)量； n2為縱向凈距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的缺陷數(shù)量； Pi1為縱向凈距大于1.5 m 的缺陷分值； Pi2為縱向凈距大于1.0 m且不大于1.5 m 的缺陷分值； α 為結構性缺陷影響系數(shù)， α ＝1.1。

除缺陷參數(shù)S 外， 還可以用缺陷密度SM表征缺陷數(shù)量的多少， 其計算公式如式（4）所示。

式中： SM為管段結構性缺陷密度； L 為管段長度， m； Li1縱向凈距大于1.5 m 的結構性缺陷長度，m； Li2縱向凈距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的結構性缺陷長度， m。

管段缺陷密度SM常與管段缺陷參數(shù)S 配套使用， 平均值S 表示缺陷的嚴重程度， 缺陷密度SM表示缺陷量的程度［5］。

3.2 排水箱涵缺陷評估優(yōu)化

CJJ 181—2012 主要通過整段管段的缺陷最大值對管道狀態(tài)進行評估， 缺少綜合評價的量化指標。 目前排水箱涵的缺陷評估仍參考CJJ 181—2012， 缺少對管道周邊土體狀況、 荷載影響下的結構安全等綜合評估。

徐建武等［20］研究了公路混凝土箱涵的評定方法， 主要有缺陷扣分法、 分層綜合評定法， 其評估標準中主要考慮結構性能缺陷的影響。 江章景［8］從密封性、 功能性和結構性3 個方面出發(fā)， 利用層次分析法對各種管道缺陷類型進行了權重賦值， 采用模糊綜合評價法進行系統(tǒng)評估， 同時引入了地區(qū)重要性、 管段重要性等參數(shù)進行綜合分析。 此外， 針對箱涵系統(tǒng)， 結合箱涵的結構性參數(shù)， 運用模型模擬、 數(shù)值計算對箱涵的結構安全性進行了分析， 將箱涵穩(wěn)定性納入評估范疇， 可為箱涵修復提供更詳盡的參考和指導。

目前， 無論是針對圓型排水管道還是排水箱涵的缺陷評估， 國內對結構性安全評價方面仍處于探索階段。 在實際工程應用中既要考慮結構安全性的影響， 又要盡量簡化評估算法， 提高分析效率。

4 結語及展望

排水箱涵是城市排水系統(tǒng)的重要組成部分， 針對其缺陷進行快速有效檢測和合理評估對箱涵修復和維護保養(yǎng)具有重要意義。 排水箱涵檢測及評估與圓形管道檢測及評估有一定相關性， 但在檢測手段、 安全影響等方面有一定區(qū)別， 在國內仍處于探索開發(fā)階段。

基于現(xiàn)狀的調研和分析， 未來排水箱涵檢測和評估技術研究工作可從以下幾方面入手： ①開發(fā)類似電阻率法等箱涵外無損快速檢測技術， 降低檢測安全風險， 探索箱涵不降水檢測技術等； ②建立箱涵安全評估模型， 采用模型模擬和數(shù)值分析等提高箱涵評估過程的科學化程度； ③編制箱涵檢測與評估等有關技術規(guī)范， 推進相關標準化工作。