排水管線探測方法探究

馮 勇

(中航勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100098)

0 引 言

排水管線探測之所以是一項難題,主要原因在于排水管線多為砼、磚混、PVC等非金屬材料制作而成,大多不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁、基本絕緣;且排水井內(nèi)有害氣體積聚較多;下井調(diào)查危險系數(shù)高;以上不利條件都增加了探測的難度。與此同時,排水管線與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān),因此查清排水管線的屬性信息,科學(xué)有效地管理排水管線,具有重要意義。

本文按調(diào)查過程中與目標(biāo)管線的接觸方式差異,列舉出多種針對排水管線的探測方法,并結(jié)合排水管井內(nèi)多樣復(fù)雜的環(huán)境,對其各自的優(yōu)劣程度、適用條件進行了分析,便于在實際作業(yè)中選擇最優(yōu)方法。

1 接觸式探測

因排水管道中有毒有害氣體聚集較多,對人體危害極大,一般不建議人工下井測量,本節(jié)所述方法均為儀器設(shè)備進入有限空間進行量測。

1.1 常規(guī)調(diào)查

作為排水管線探測最普遍也是最直接的手段,利用鋼尺、測桿、測距儀等設(shè)備可直接獲取管線的埋深、管徑、連接關(guān)系、水流方向等屬性信息。但對于井蓋銹、焊死,或因雨水沖刷、污水腐蝕等日常運行損耗[1],導(dǎo)致管道內(nèi)常有淤泥、積水等狀況時,除在備注中記錄該井現(xiàn)狀,屬性數(shù)據(jù)基本無法量測。

1.2 特制測深桿

現(xiàn)今城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增加,生活廢水排量隨之增大,加之部分城市雨季降水量大,這些情況都會導(dǎo)致排水井內(nèi)積水較多,調(diào)查人員會因為看不到排水管道而無法使用常規(guī)設(shè)備對其進行量測。特制測深桿利用棱鏡桿自帶刻度的特點,將其進行改造,去掉原底部定位器,自制一長約0.5 m的鐵棒與原螺孔進行組裝旋接(圖1)。該裝置可在管道內(nèi)水流湍急、井內(nèi)積水沒過管頂?shù)臈l件下對排水管線的管徑和管內(nèi)底埋深進行測量并確定方向,但在井內(nèi)固體物質(zhì)堆埋、管線埋深較深的情況下,無法準(zhǔn)確測量管線的屬性信息。

圖1 特制測深桿

1.3 攝影測量儀

市政排水管井作為一類重要的有限空間,具有環(huán)境復(fù)雜、事故救援難度大等特點,作業(yè)風(fēng)險較高,容易發(fā)生缺氧窒息、燃爆、中毒事故,造成嚴(yán)重后果。

采用北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)重點實驗室研制的地下管線攝影測量儀,根據(jù)單像攝影測量原理,利用平板電腦通過無線網(wǎng)絡(luò)遠程控制CCD鏡頭拍照獲取單張井下像片,基于此進行單張像片解算[2]。通過拍攝過程中激光器發(fā)射出的綠色激光點在照片上的位置,確定照片中特征點(管徑/方溝兩端點、井室內(nèi)頂點、管線外頂/內(nèi)底點)的距離,從而實現(xiàn)不用人工進入有限空間測量,既能對井內(nèi)的情況、管線材質(zhì)有清晰、直觀的了解,又可獲取管徑/方溝尺寸、井室尺寸、管頂/底至井室內(nèi)頂埋深等屬性信息(圖2)。采用攝影測量儀對管頂埋深較淺的排水管道量測較為準(zhǔn)確,測量誤差一般在±5 cm之內(nèi),但在管頂與井室頂部距離過大的情況下,由于照片內(nèi)無法找全特征點,通常會借助鋼尺的輔助,而鋼尺本身會隨著深度的增加穩(wěn)定性隨之減小,測量誤差也隨之增大。

圖2 攝影測量儀獲取管線屬性信息

1.4 示蹤法

1.4.1 傳統(tǒng)示蹤法

探測不導(dǎo)電的排水管道時,可采用示蹤法對其進行定位、定深。沿管道走向?qū)⒛馨l(fā)射電磁信號的示蹤探頭或?qū)Ь€送入非金屬管道內(nèi),在地面上用接收機探查探頭所發(fā)出的電磁信號,據(jù)此信號變化確定地下非金屬管線的走向及埋深[3]。示蹤法探測非金屬管道信號強、效果好。但管道必須有放置示蹤探頭的出入口,即必須有排水井或排水口等明顯管線設(shè)施,且管道中水流強度能夠帶動示蹤探頭行進。此法限制條件較多,使用頻率有限。

1.4.2 CCTV探測機器人法

目前部分排水管道檢測設(shè)備機器人可加裝信標(biāo)發(fā)射器。遙控爬行器在管道內(nèi)行進,地面上方依舊使用感應(yīng)法對排水管線進行定位和定深(圖3)。此法相對于傳統(tǒng)示蹤法限制條件較少,除管道內(nèi)淤泥較多外,無水或積水情況下均可使用,且不用考慮水流方向影響。測量精度與金屬管線隱蔽點探測精度基本一致。

圖3 CCTV探測機器人法原理圖

1.5 釬探法

當(dāng)探測區(qū)域為填土而非硬化路面時,在管線埋設(shè)較淺的情況下可以考慮使用釬探法確定位置。釬探法操作簡單,在條件具備的情況下定位快速準(zhǔn)確,但限制因素較多,只能釬探土蓋層的管線,并且容易造成管線損壞[4]。如排水管線材質(zhì)必須為砼,管線大致走向需預(yù)先了解,管線上方基本確定無其他管類干擾,上層埋設(shè)的土質(zhì)較松軟。本法在市政道路周邊的綠地、林地、公園等區(qū)域較為適用。

2 非接觸式探測

當(dāng)探測區(qū)域內(nèi)無排水井或井蓋被堆土、瀝青壓蓋,量測儀器無法進入有限空間調(diào)查排水管線的相關(guān)信息時,利用相關(guān)設(shè)備通過地球物理探測手段可以在一定程度上解決管線的位置、埋深問題,但由于目標(biāo)管線無外露點,且受周邊環(huán)境影響較大,探測精度一般在±0.1 m甚至更大。

從系統(tǒng)功能語言學(xué)視角論《紅樓夢》的“譯味 ”……………………………………………………… 司顯柱（2.65）

2.1 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的電磁波技術(shù)。地質(zhì)雷達利用一個天線發(fā)射高頻短脈沖寬頻帶電磁波,另一個天線接受來自地下介質(zhì)界面的反射波。探測所利用的電磁波中心頻率一般為25～1 200 mHz[5]。電磁波在介質(zhì)中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化,根據(jù)接收到波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形等資料,可推測管線的結(jié)構(gòu)、管徑、埋深等信息。

雷達探測中的反射信號強度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異,電性差異越大,反射信號越強。雷達波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率,導(dǎo)電率越高,穿透深度越小;中心頻率越高,穿透深度越小,反之亦然。

由表1可知,在排水管線探測中,管線的材質(zhì)與土壤的電性差異相對于金屬來說并不明顯,充水的非金屬管道的相對介電常數(shù)較大,波速小,反射波振幅小,很少出現(xiàn)多次反射波;而無水的非金屬管道,反射波的振幅大,反射信號較強。因此在排水管線探測過程中,應(yīng)充分考慮管內(nèi)介質(zhì)帶來的影響[6]。

表1 部分介質(zhì)的物性參數(shù)表

圖4、圖5為順義區(qū)牛欄山鎮(zhèn)下坡屯村道路病害檢測項目中右堤路的雨水管線與下坡屯路的污水管線在雷達探測時顯示的圖像,其中雨水管線內(nèi)無積水,而污水管線內(nèi)有明顯水流且水量較大,兩者差異在圖像中可明顯判別。

圖4 雨水管線(無積水)

圖5 污水管線(有大量積水)

圖4中測線位置423～425 m的區(qū)域出現(xiàn)多次反射波,而圖5中測線位置439.5～441 m的區(qū)域反射波振幅較小。

2.2 高密度電法

高密度電法基本原理與常規(guī)直流電法相同,常用于地下障礙物(空洞、管道、拋石)等探測和地下地質(zhì)體(構(gòu)造、破碎帶)調(diào)查。

高密度電法通過地下管線及其周邊介質(zhì)之間的明顯電性差異,確定管線的位置與埋深。野外測量時,將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上,利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀實現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動采集。各電極同時或不同時沿選定的測線按規(guī)定的電距間隔移動[7]。現(xiàn)場測量結(jié)束后,將所測數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機,通過自動反演,繪出電阻率反演剖面成果圖。圖6中水平距離15～18 m,深度位于地面下7.5～9.5 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻異常,經(jīng)與既有資料核對,該處有一管徑為1 200 mm的雨水管線,管內(nèi)底埋深8.7 m,與探測情況基本吻合。

圖6 高密度電法反演剖面成果圖

2.3 地震映像法

地震映像法工作原理同地質(zhì)雷達法類似,地質(zhì)雷達利用高頻電磁波,衰減快,但分辨率高;地震映像法利用彈性波,穿透力強,但分辨率低。兩種方法各有所長,可互為補充[9]。操作時需要在地面布置的測線上牢固安置檢波器,一般采用錘擊震源。地震映像法既可以忽略目標(biāo)管線上方淺層管線的干擾,又能探測大管徑且埋深較深的非金屬管線,但探測中對場地的平整度要求比較高;震源要求比較穩(wěn)定,一般作為補充探測手段使用[10]。

3 輔助探測方法

在排水管線調(diào)查工作中,資料查詢是管線探測前期準(zhǔn)備工作中的重要任務(wù)。無論測區(qū)范圍大小、復(fù)雜程度如何,查詢到的資料對目標(biāo)管線的屬性能夠進行補充與完善,對管線外業(yè)調(diào)查工作大有裨益。排水管線資料一般存放在各城市檔案館、排水集團公司、管委會等相關(guān)單位或部門。對于一些探測難度較大的排水管線,既有資料既可以作為探測成果的參考依據(jù),也可以在建設(shè)年代、結(jié)構(gòu)形式、使用情況等方面對探測成果進行補充。

4 探測方法分析

排水井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多樣,理想測量條件下可采用常規(guī)手段,但遇到井內(nèi)或管內(nèi)淤堵、管壁腐蝕破損、管內(nèi)水流量大、管段存在隱蔽折點等情況時,選用適當(dāng)?shù)姆椒梢源_保探測的效率及精度。以下結(jié)合相關(guān)工程實例對異常條件下排水管線探測方法的選取進行分析。

4.1 管線腐蝕嚴(yán)重

北京市南新華街東側(cè)有一管段,兩端污水井分別為W1、W2,管段內(nèi)積水占全部管徑截面的1/3,管底埋深約2.9 m。在W1中用鋼尺量測管段管徑為600 mm,在W2中量測該段管徑為500 mm。因懷疑管內(nèi)淤泥影響,又分別使用測深桿和井下攝影測量儀對管徑進行了復(fù)核,3種測量方法所得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鋼尺、測深桿、井下攝影測量儀測量成果表

因管內(nèi)存在污水和淤泥,攝影測量儀拍攝的照片無法顯示并量測管底數(shù)據(jù),所測為管徑截面最大水平位置。而鋼尺和測深桿量測均為管道截面豎向位置的最大距離,如管道材質(zhì)為砼且建設(shè)年代較長,管內(nèi)積水積泥,且污水具有一定的腐蝕性,造成豎向管壁變薄,影響管徑尺寸的量測精度,而橫向管內(nèi)壁因受腐蝕程度較低,量測數(shù)據(jù)更為可靠。

4.2 管段存在隱蔽折點

四川大廈東側(cè)有污水井W3、W4,探測過程中W3東北方向與W4西向管材、管徑均一致,且周邊無其他污水管井,但兩井在位置與方向上無直連可能,因此懷疑W3～W4管段間存在隱蔽拐點,兩井相對位置關(guān)系及周邊環(huán)境如圖7所示。

圖7 W3～W4管段現(xiàn)場位置圖

W3東北向管底埋深5.80 m,W4西向埋深5.86 m。針對埋深超過5 m的現(xiàn)狀,使用示蹤法或地質(zhì)雷達法均超出儀器探測量程,且W4西向進入圍墻自行車停車場,無法滿足高密度電法布設(shè)電極的條件。此時可將排水管道檢測爬行器(CCTV機器人)放入到管線的一端,即從污水井W4向西爬行,經(jīng)過爬行測距及管道內(nèi)的照明效果,確定自W4井中心向西8 m處為拐點位置,再從W3井向東北爬,確定至拐點距離為14.4 m,按照后方交會原理,確定拐點的最終位置W5。

4.3 探測方法分析對比

綜合上述各種方法的優(yōu)缺點及適用條件,考慮到管井、管道內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多樣性,排水管線探測方法比對如表3所示。

表3 探測方法比對分析表

5 結(jié) 語

(1)工程開工前,應(yīng)做好前期準(zhǔn)備工作,及時查找測區(qū)內(nèi)既有資料進行核對,對探測工作可以起到事半功倍的效果。

(2)根據(jù)工程的現(xiàn)場條件、排水管線的現(xiàn)狀及分布情況選擇適當(dāng)?shù)奶綔y方法。

(3)排水管道內(nèi)出現(xiàn)淤堵情況時,使用測深桿調(diào)查的數(shù)據(jù)精度較高。

(4)排水管道內(nèi)腐蝕嚴(yán)重時,井下攝影測量儀量測管徑的精度更高。

(5)如遇管徑較大的圓管/方溝,或管道偏離井中心較遠的情況,采用鋼尺測量與井下攝影測量儀(或潛望鏡)結(jié)合的作業(yè)方式效果更好。

(6)如排水管段內(nèi)存在暗點或暗井需要定位,在管內(nèi)無淤堵的情況下可選擇管道爬行器,如埋深較淺,可在爬行器上安置信標(biāo)發(fā)射器,確定管線的位置及埋深。

(7)在排水井較少,排水管線埋深小于5 m的情況下,可采用地質(zhì)雷達對其進行定位定深;如遇大管徑且埋深大于5 m的時候,可在條件允許的情況下使用高密度電法或地震映像法。