基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測污水管定位方法的探討

李兵，張海榮，梁苗

(1.徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇 徐州 221000； 2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

污水管道用于城市污水排放，是重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施之一。檢測、維護(hù)老化的污水管道或在污水管道周邊建設(shè)地下工程時，需要首先查清污水管道的平面位置、埋深和走向。然而現(xiàn)實(shí)中部分污水管深度較深、井口小、井脖長、井室大、井內(nèi)污水渾濁且充滿垃圾漂浮物，給探測帶來了相當(dāng)大的難度[1]。

《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》對超大埋深的污水井管口深度測量未明確按照明顯管線點(diǎn)精度或是隱蔽管線點(diǎn)精度來判定。與此同時，目前行業(yè)內(nèi)使用常規(guī)探測手段亦無法有效探明此類管線，精度要求無從談起。目前，污水管道的定位方法主要包括量桿測量、L尺測量、管道CCTV檢測設(shè)備測量、地質(zhì)雷達(dá)測量等。各種方法優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)量桿測量。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、效率高。缺點(diǎn)是測量排水管時，需要傾斜量桿，測量的深度數(shù)據(jù)是斜距，并不準(zhǔn)確，或者當(dāng)大埋深污水井的井室比較大時，量桿無法觸碰到污水管的管口，無法測量。

(2)L尺測量。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確。相比于量桿測量，L尺可以碰觸到污水管的管口，測量結(jié)果更準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是當(dāng)大埋深污水井的井室比較大時，L尺無法觸碰到污水管的管口，無法測量。

(3)管道CCTV檢測設(shè)備測量。該方法將檢測機(jī)器人放入污水管道內(nèi)，通過遙控裝置操作或者計算機(jī)自動控制，進(jìn)行管道檢查工作[2]。管道潛望鏡視頻檢測儀采用伸縮桿將攝像機(jī)送到被監(jiān)測井內(nèi)，對各種復(fù)雜的管道情況進(jìn)行視頻判斷。工作人員對控制系統(tǒng)進(jìn)行鏡頭聚焦、照明控制等操作，可通過控制器觀察管道內(nèi)實(shí)際情況并進(jìn)行錄像，從而出具管道的各種檢測報告，甚至可以確定管道內(nèi)的破壞程度。缺點(diǎn)是：①探測成本高、適用性差，例如CCTV檢測設(shè)備工作前，必須將管道內(nèi)積水進(jìn)行抽取，部分污水管不具備抽水的條件，從而無法使用此方法；②自走車在管道內(nèi)存留石塊或混凝土殘料的情況下容易側(cè)翻。

(4)地質(zhì)雷達(dá)測量。地質(zhì)雷達(dá)從地表發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波遇到污水管產(chǎn)生反射電磁波，再由地表進(jìn)行接收，獲得電磁波在地下介質(zhì)中的雙程走時、波幅及其他電磁波特征，進(jìn)而確定目標(biāo)管的平面位置和深度[3，4]。地質(zhì)雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)是可對井室外污水管進(jìn)行定位，缺點(diǎn)是：①部分污水管材質(zhì)老舊，由于分子存在相互運(yùn)動，污水管材的介電常數(shù)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)差異小，電磁波不能產(chǎn)生有效反射，從而無法測量[5，6]；②對于深度 6 m～12 m的大埋深污水管，反射電磁波能量弱，在各種電磁干擾和圍巖反射電磁波的背景場中很難判別目標(biāo)污水管[7]。

2 基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位方法

針對上述常規(guī)技術(shù)存在的問題，研究了一種基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位裝置，有可能對井室外污水管的有效定位和測深提供技術(shù)支撐。

2.1 污水管定位裝置的組成

基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位裝置(如圖1所示)包括量桿，用于置放浮標(biāo)的浮標(biāo)卷，以及置于地面上的地質(zhì)雷達(dá)。

圖1 基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位裝置示意圖

如圖1所示，本基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位裝置包括量桿，用于置放浮標(biāo)的浮標(biāo)卷，以及置于地面上的地質(zhì)雷達(dá)。

量桿為長度相等的多節(jié)量桿，兩兩量桿之間通過螺紋連接構(gòu)成，每節(jié)量桿上均刻有刻度。頂部首節(jié)量桿上設(shè)有指南針和水平氣泡，末節(jié)量桿底部為尖頭結(jié)構(gòu)，且設(shè)有用于對浮標(biāo)卷的浮繩進(jìn)行導(dǎo)向的滑輪，滑輪的位置可上下調(diào)整。

浮標(biāo)為多節(jié)包覆在浮繩上的鐵片或銅片。浮標(biāo)每 50 m～100 m呈一卷，浮標(biāo)卷之間通過連接扣連接。

地質(zhì)雷達(dá)為普遍用于管線探測的地質(zhì)雷達(dá)，天線頻率約 80 MHz，具有增益等功能，可根據(jù)目標(biāo)管口深度進(jìn)行調(diào)節(jié)增益，屏蔽干擾信號，接收金屬浮標(biāo)反射的電磁波信號。

2.2 工作原理

基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位裝置利用了污水管道內(nèi)污水處于流淌狀態(tài)(城市污水提升泵站和污水處理廠的正常運(yùn)作即證明了污水處于流動狀態(tài))的特點(diǎn)，流水將金屬浮標(biāo)卷沖進(jìn)下游管道，增強(qiáng)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的物性差異，從而可被地面接收機(jī)接收到電磁信號。通過放入浮標(biāo)與無浮標(biāo)情況下的反射波剖面圖進(jìn)行對比，確定排水管線的位置和深度；逐步增加浮標(biāo)長度后得到多副反射波剖面圖，通過對比多副反射波剖面圖，確定排水管線的走向。

2.3 工作步驟

(1)根據(jù)井口周圍有效作業(yè)半徑選擇足夠數(shù)量的浮標(biāo)卷，浮標(biāo)卷總長度要大于有效作業(yè)半徑。有效作業(yè)半徑為本井室到下一井室之間的距離。

(2)根據(jù)污水井的井底深度，確定需要的量桿根數(shù)，并將其連接，確保量桿總長度大于井底深度，確保首節(jié)桿位于最上方。

(3)將量桿置于井室底，測量井底淤泥深度。

(4)取出量桿，將滑輪調(diào)至淤泥深度上方，以防止滑輪進(jìn)入淤泥，阻礙滑動。

(5)將浮標(biāo)一端置于量桿的滑輪上，將量桿和浮標(biāo)一同放入井室底。

(6)在地面放浮標(biāo)，浮標(biāo)沿滑輪隨水流進(jìn)入下游污水管道，進(jìn)入污水管道的浮標(biāo)長度為 12 m。

(7)以污水井為中心，以10 m為半徑，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行環(huán)形探測，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到有浮標(biāo)情況下的反射波剖面圖。

(8)進(jìn)行動態(tài)探測，將浮標(biāo)回收12 m，重復(fù)步驟(7)，得到無浮標(biāo)情況下的反射波剖面圖。

(9)對比步驟(7)和步驟(8)的反射波剖面圖，反射波信號增強(qiáng)位置即為污水管位置，在地面標(biāo)出污水管位置，并獲得污水管道內(nèi)水面至地表的深度。

(10)在地面放浮標(biāo)，放浮標(biāo)長度在上一次基礎(chǔ)上增加 10 m。

(11)以步驟(9)新標(biāo)出的污水管位置為中心，以 10 m為半徑，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行環(huán)形探測，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到有浮標(biāo)情況下的反射波剖面圖。

(12)進(jìn)行動態(tài)探測，將浮標(biāo)回收 10 m，重復(fù)步驟(11)，得到無浮標(biāo)情況下的反射波剖面圖。

(13)對比步驟(11)和步驟(12)的反射波剖面圖，反射波信號增強(qiáng)位置即為污水管位置，在地面標(biāo)出污水管位置。

(14)重復(fù)步驟(10)、步驟(11)、步驟(12)和步驟(13)，直至測量完畢。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)探測技術(shù)相比，本基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位裝置的有益效果如下：

(1)相比量桿測量方法和L尺測量方法，此方法不受井口小、井脖長、井室大、井內(nèi)污水渾濁且充滿垃圾漂浮物等條件限制，還可以對井室外污水管進(jìn)行定位、測深(管道內(nèi)水面至地表深度)。

(2)相比管道CCTV檢測設(shè)備測量方法，不需要對污水管進(jìn)行預(yù)先抽水，適用性更好。

(3)相比常規(guī)地質(zhì)雷達(dá)方法，通過金屬浮標(biāo)和動態(tài)探測增強(qiáng)污水管信號，提高了地質(zhì)雷達(dá)對目標(biāo)體的探測能力，提高了探測深度，從而有可能實(shí)現(xiàn)對老化污水管和大埋深污水管的有效定位。

(4)相比常規(guī)的反射波剖面圖，不需要對異常進(jìn)行精確判讀，通過對比是否放入金屬浮標(biāo)的兩張剖面圖，不同的地方即為目標(biāo)管線，更容易判別。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)實(shí)中，大埋深的污水井溢滿水，無法下井，且缺少合適的金屬浮標(biāo)做實(shí)驗(yàn)。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，將目標(biāo)管線深度變淺，目標(biāo)管線管徑同比例縮小，地質(zhì)雷達(dá)天線頻率相對應(yīng)提高。選取了徐州市新城區(qū)的一段新敷設(shè)的排管做實(shí)驗(yàn)(如圖2所示)，管井的深度約 1.5 m，管徑為 80 mm，材質(zhì)為PE，用多節(jié)不銹鋼排水桿代替金屬浮標(biāo)，地質(zhì)雷達(dá)天線頻率采用 160 MHz。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

使用地質(zhì)雷達(dá)對檢查井周圈進(jìn)行探測，如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測圖

目標(biāo)排管內(nèi)未放置金屬排水桿時，地質(zhì)雷達(dá)接收機(jī)獲得了反射波剖面圖(如圖4所示)，目標(biāo)排管內(nèi)放置金屬排水桿后，地質(zhì)雷達(dá)接收機(jī)獲得了反射波剖面圖(如圖5所示)。

圖4 未放置金屬桿的反射波剖面圖

圖5 放置金屬桿的反射波剖面圖

通過判別，圖4在測線3.6 m處出現(xiàn)異常，可能為目標(biāo)排管或是其他異常干擾。本文討論的方法是不需要判別，只需對比兩幅圖的不同即可判定目標(biāo)管線。通過與圖4對比，圖5在測線 3.6 m處呈現(xiàn)出來的是強(qiáng)導(dǎo)電體反射電磁波的震蕩信號。經(jīng)量測，數(shù)據(jù)與實(shí)地排管平面位置、深度、走向相同。需要說明的是，圖5出現(xiàn)了金屬桿的反射電磁波震蕩信號，實(shí)驗(yàn)效果比較理想，反之，若不出現(xiàn)震蕩信號，只要是兩幅剖面圖中明顯不一樣的圖形所對應(yīng)的平面位置即為目標(biāo)管線所在處，判別相對簡單。

4 結(jié) 論

本文探討的基于浮標(biāo)信號增強(qiáng)和動態(tài)探測的污水管定位方法利用污水處于流淌狀態(tài)的特性，流水將金屬浮標(biāo)卷沖進(jìn)下游管道，增大目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的物性差異，通過放入浮標(biāo)與無浮標(biāo)情況下的反射波剖面圖進(jìn)行對比，從而更容易確定排水管線的平面位置和深度。在對大埋深、管道內(nèi)污水較滿等排水管線進(jìn)行探測時，此方法有可能進(jìn)一步輔助提高污水探測的精度。