聲納技術(shù)在排水方涵淤泥厚度檢測中的應(yīng)用研究

湯克軒，劉占興，王志豪，田書宇，張文波，于婷婷

（1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司勘察院，天津 300222；2.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 引言

城市排水管涵是城市排污、排水、防汛的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在城市雨水、污水有序收集、運(yùn)輸和治理體系中發(fā)揮著重要作用［1］。排水管道內(nèi)部結(jié)垢、沉積、障礙物等功能性缺陷是導(dǎo)致排水能力下降的主要原因之一［2］。定期開展管道缺陷檢測，了解管道運(yùn)營狀況，依此進(jìn)行有效的維護(hù)，是提升管道通水能力、防止城市內(nèi)澇、維護(hù)城市環(huán)境的重要舉措［3］。

排水方涵一般為預(yù)制或現(xiàn)澆的混凝土方形過水涵，過流量大、形狀標(biāo)準(zhǔn)、施工方便、具有一定的承載力，城市排水系統(tǒng)中，核心區(qū)域的大流量排水通道一般采用方涵。相同的斷面面積下，方形截面的水力半徑小于圓形截面，方涵具有更大的摩擦阻力，涵底更易淤積，且方涵的四壁受力不像圓管那樣均勻，彎曲管段不利于抵抗水流壓力，相對于圓管，更容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性缺陷。綜合考慮方涵的重要性、結(jié)構(gòu)和淤積特點(diǎn)，方涵應(yīng)作為城市排水系統(tǒng)運(yùn)營中檢測和維護(hù)的重點(diǎn)對象。

對于管底沉積檢測，傳統(tǒng)方法一般是打開井蓋，使用量泥斗來檢查井口附近的積泥厚度，以此推斷整個(gè)管段的淤積情況［4］。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，以管道閉路電視（Close Circuit Television Inspection，CCTV）為主的內(nèi)窺檢測技術(shù)成為管涵內(nèi)部缺陷檢測的主流［5－7］，CCTV檢測的前提是管道內(nèi)具備搭載車及攝錄裝置的通行和攝像條件，在積水積泥嚴(yán)重的管段，往往測試條件不理想。管道聲納因具有能適應(yīng)高水位、數(shù)據(jù)量化等優(yōu)點(diǎn)，是在不具備降水或爬行器通行條件的情況下首選的檢測方法［8，9］。目前，基于聲納、雷達(dá)、內(nèi)窺和測距的多手段聯(lián)合管道淤積探測技術(shù)也日趨成熟［10－12］。另外，缺陷智能化識別和分類技術(shù)也在不斷發(fā)展［13，14］。聲納技術(shù)以聲波反射定位、成像為基礎(chǔ)，檢測結(jié)果高效、無損，在水底地形［15，16］、河湖淤泥厚度［17，18］、水下沉船、水下管道、海底光纜探測［19－21］、水下建筑物質(zhì)量檢測［22，23］等方面發(fā)揮著廣泛的作用。將聲納技術(shù)應(yīng)用于城市排水管道檢測，是聲納技術(shù)應(yīng)用的拓展和有效嘗試。

相對于圓管，方涵在市政工程中的使用范圍有限，且其聲納檢測數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜，目前國內(nèi)外聲納技術(shù)在排水方涵沉積缺陷檢測中的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累相對較少。在規(guī)則的圓形管道中，可以通過聲納成像弧狀輪廓的圓周擬合來獲取管道邊界。而方涵不同，頂、底板的位置與側(cè)壁輪廓無確切的幾何關(guān)系，在檢測過程中，需要量取水位或頂?shù)茁裆畹葏?shù)來間接推算，測量過程中還需考慮檢測井之間的管道和水面坡度，以便對中間涵段頂、底板位置做插值計(jì)算。在方涵沉積缺陷檢測中，由于方涵的邊界在資料解譯時(shí)無法像圓管一樣通過特定半徑的圓周做推斷和約束，當(dāng)方涵口徑變化或存在彎曲、沉降等變形時(shí)，缺陷判別和缺陷等級判讀的難度加大。由于聲納探頭在水中非靜態(tài)測量，存在一定的左右轉(zhuǎn)角和前后傾角，測量出的方涵邊界可能是平行四邊形而非方形；在無邊界約束或不進(jìn)行角度校正的情況下，所測距離均為視距離，對淤泥厚度檢測影響明顯。另外，由于聲納成像的鏡像效果，水位上、下方涵側(cè)壁不像圓管具有弧角，有時(shí)不易找到對稱中心線（水面），很容易將淤泥頂界的鏡像影像與箱涵頂板、水面等界面混淆。

本文以某城市核心城區(qū)主排水方涵為例，就方涵涵底淤泥厚度聲納檢測的步驟、要點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理過程中容易忽視的若干問題進(jìn)行討論。

2 方法原理

管涵內(nèi)聲納檢測是一種采用聲波反射原理對管道（涵）變形、淤積進(jìn)行量化分析的檢測技術(shù)。它利用聲波對水下物體進(jìn)行探測和定位識別，無需像管道攝像檢測方法一樣排干管道內(nèi)部的液體，便可獲得充滿液體的管道內(nèi)部破損、淤積等相關(guān)數(shù)據(jù)。

排水管涵內(nèi)聲納檢測技術(shù)的工作原理是以高聚焦脈沖反射波為基礎(chǔ)的［24］。該技術(shù)利用步進(jìn)電機(jī)帶動換能器，在排水管道中繞自身360°旋轉(zhuǎn)，并連續(xù)發(fā)射聲納信號，反射信號的傳播時(shí)間和幅度被測量并記錄下來，顯示成管道截面圖，通過觀測管道截面圖的完整性來檢測管道病癥［25］。

換能器與管壁之間的距離可由反射信號的傳播時(shí)間計(jì)算得到，計(jì)算公式如下［26］：

其中：v是聲波在雨污水中的傳播速度（m／s），通過從被檢管道中取水樣裝入已知尺寸的容器中實(shí)測得到；t是反射信號的傳播時(shí)間（s）；d是換能器與管壁之間的距離（m）。

反射波幅度可以反應(yīng)管道壁的各種性質(zhì)。反射波能量的大小可以利用反射系數(shù)R來表示，反射系數(shù)的表達(dá)式如下［27－29］：

其中：ρ1、v1分別是管道內(nèi)雨污水的密度（kg／m3）和聲波速度（m／s）；ρ2、v2分別是排水管道管壁的密度（kg／m3）和聲波速度（m／s）；其兩者乘積ρv叫作聲阻抗，反應(yīng)管道的聲學(xué)特性。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

某城市核心城區(qū)主排水方涵長約7km，為2000mm×2000mm方涵，為保證雨季行洪順暢，需對涵底積泥厚度進(jìn)行調(diào)查，以便及時(shí)清於。方涵內(nèi)可能含有硫化氫、二氧化氮等有毒氣體，水位較高（部分滿水），漂浮物也較多，且不具備降水條件，故CCTV或其它組合類檢測設(shè)備不太適用，擬采用既能漂浮又能潛水的管道聲納設(shè)備對涵底積泥厚度進(jìn)行檢測。

3.2 外業(yè)實(shí)施

聲納檢測設(shè)備由聲納探頭、電纜盤、主機(jī)、成像分析軟件四部分構(gòu)成。測量時(shí)，將水下掃描單元（聲納頭）置于管道內(nèi)部的水下（滿管、半管均可），本次管道聲納成像檢測采用人工拖拽的方式驅(qū)動（可滑行、漂浮）。宜尋找專門的動力裝置牽引塑料繩穿越相鄰檢查井，然后用牽引繩作為聲納探頭的動力源和方向指引。當(dāng)搭載聲納探頭的漂浮桶在管道內(nèi)移動時(shí)，聲納探頭旋轉(zhuǎn)式發(fā)射聲波脈沖，并接收從物體表面發(fā)射回來的信號。聲納利用色彩表示從管壁反射回來的回波強(qiáng)度，并且將每個(gè)管道橫截面顯示出來。聲納探頭的移動速度取決于管道直徑和需要探測的缺陷大小。管道聲納檢測工作示意見圖1。

圖1 排水方涵聲納檢測示意圖［25］Fig.1 Schematic diagram of pipeline sonar detection

綜合考慮檢測精度和檢測效率，本次檢測的采樣間隔為0.1～0.5m。檢測條件欠佳的測段，采樣點(diǎn)距不應(yīng)大于2.0m。每個(gè)涵段聲納檢測開始前和結(jié)束后，應(yīng)分別用測量尺測出水面到涵頂?shù)木嚯x。

3.3 資料處理

3.3.1 積深計(jì)算

現(xiàn)有的管道聲納處理軟件主要是針對圓形管道，首先通過邊界擬合來獲取管道輪廓，然后量取淤泥頂界面到管壁輪廓底部的距離，即為淤積深度，如圖2所示。通過管壁聲納影像的圓形邊界擬合可知，管道內(nèi)徑約1696mm，最大淤積深度約251mm。

圖2 圓形管道聲納檢測數(shù)據(jù)解譯示意圖Fig.2 Schematic diagram of circular pipeline sonar detection data interpretation

由于方涵側(cè)壁是上下平行延伸，不具有固定的弧角，方涵內(nèi)壁的上、下邊界無法通過邊界擬合獲得，獲取方涵淤積厚度的方法和過程與圓管略有不同。首先，需要根據(jù)水面位置、水面和涵頂?shù)木嚯x推算涵頂位置，然后以箱涵頂界面為基準(zhǔn)，根據(jù)箱涵內(nèi)壁的設(shè)計(jì)高度，推算箱涵底位置。對于管涵聲納數(shù)據(jù)處理軟件，在繪制方涵的標(biāo)準(zhǔn)模型、確定方涵邊界位置時(shí)，應(yīng)提前換算方涵頂?shù)走吔缥恢谩?/p>

方涵聲納檢測典型的單點(diǎn)采樣原始數(shù)據(jù)如圖3（a）所示。聲納檢測的原始圖像能顯示水面、淤積層頂部、方涵內(nèi)兩側(cè)壁的輪廓，聲納探頭一般接收不到涵底的反射信號（聲波能量一般不足以穿透淤積層，且分辨率有限），也無法接收水面以上界面信號（聲波以水作為主要傳導(dǎo)介質(zhì)）。因此需要在兩端檢查井口利用刻度尺測量出水面到方涵頂板的距離d1（一般為管道兩端測量值求平均），在分析軟件上量取水面到淤泥的距離d2（多次測量求平均），利用方涵的設(shè)計(jì)高度h減去兩個(gè)測量距離，即為涵底淤泥厚度d3，即

圖3 方涵聲納檢測數(shù)據(jù)解譯示意圖Fig.3 Schematic diagram of square culvert sonar detection data interpretation

在方涵中，d1、d2、d3、h及其它長度變量，一般均以mm為單位。對于圖3，h為2000mm，d1近似為1439mm，d2為250mm，所以淤泥厚度約為311mm。

在野外操作上，相對于圓管，方涵聲納檢測多一步d1的測量。對于聯(lián)合探測裝置，d1可通過激光測距裝置同步獲取，但對于大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型單一功能的聲納裝置，一般采用管口人工測量。

3.3.2 等效淤泥厚度計(jì)算

當(dāng)淤泥頂界面不齊整時(shí)（尤其在大尺寸或清淤不徹底方涵中），不能量取最大厚度或隨機(jī)量取某點(diǎn)厚度作為斷面的淤積厚度，可以求算等效淤泥厚度珚d3，利用第三方繪圖和測量軟件，描繪并測量出圖3（b）中的淤積層的橫截面積S（單位：mm2），然后除以對應(yīng)管涵的設(shè)計(jì)寬度l（單位：mm），即

3.3.3 姿態(tài)校正

管道聲納檢測時(shí)，聲納探頭多處于懸浮狀態(tài)（即浮力與自重相當(dāng)，可因需調(diào)整聲納探頭內(nèi)部的充水量以調(diào)節(jié)自重），因受力不均，其測試位置和姿態(tài)會發(fā)生變化，探頭在水中位置（與側(cè)壁及水面的距離）不影響測試結(jié)果，在水中任意的位置均可掃描出360°圓周的反射界面，但探頭的姿態(tài)（包括左右轉(zhuǎn)角θ1、前后傾角θ2、圓周轉(zhuǎn)角θ3）對測量結(jié)果影響較大。

漂浮物在探頭上的不均勻纏繞及牽引過程中的不均勻受力等原因，會改變探頭的左右轉(zhuǎn)角和前后傾角（分別影響左右寬度和上下高度），因此聲納影像會出現(xiàn)變形和傾斜（圖4）。若無法進(jìn)行有效的角度校正（多數(shù)處理軟件無法做傾角校正），會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至出現(xiàn)上下段視距離測量值大于管涵口徑，計(jì)算出的淤積深度為負(fù)值的情況，如圖4（a）所示，這個(gè)時(shí)候必須進(jìn)行角度校正。在軟件上測量的視距離d′2和真實(shí)距離d2、變化角度θ（單位：°）的關(guān)系為：

圖4 管涵聲納成像無角度校正效果Fig.4 Schematic diagram of sonar imaging with no angle correction

式（5）和式（6）中，變化角度θ為圖（4）底端所顯示的左右轉(zhuǎn)角θ1（ROLL）和前后傾角θ2（PITCH）的綜合反映，通過聲納探頭中內(nèi)置的方位羅盤測量所得，二者的校正方式相同。測量時(shí)，一般采用雙向牽引繩，前后牽引探頭，保持探頭走向與管道延伸方向一致，可使θ1保持在較小水平。

大多數(shù)情況下，聲納檢測獲取的方涵側(cè)壁輪廓并非直立的，而是有一定的偏轉(zhuǎn)角θ3，如圖2～圖5所示的成像輪廓，均不端正。這是因?yàn)閳A形的聲納探頭為環(huán)狀掃描，其收發(fā)起點(diǎn)在水中并不能保持特定的位置，本該正面朝上（一般設(shè)置）的探頭的掃描起點(diǎn)在圓周上的轉(zhuǎn)角決定了掃描成像圖的旋轉(zhuǎn)角度，這個(gè)圓周轉(zhuǎn)角θ3不影響淤泥厚度檢測結(jié)果，在不做特定結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷的方位快速判讀時(shí)，一般不用做校正。在繪制三維連續(xù)淤積斷面時(shí)，應(yīng)做圓周轉(zhuǎn)角校正，將各斷面影像按轉(zhuǎn)角進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)即可。

圖5 水面和底部投影圖示Fig.5 Schematic diagram of water surface and bottom projection

3.3.4 界面識別

資料解譯過程中，應(yīng)有效識別水面和底部投影（聲波在水面的二次反射），特別是在水質(zhì)干凈、漂浮物少、淤積層較厚且頂界面平滑時(shí)，水面反射信號弱，而底部投影清晰，且與水面間距較小，水面和底部投影很容易混淆。如圖5（a）所示，當(dāng)水面較干凈時(shí)，基本看不到水面的反射信號，很容易把底部投影當(dāng)成水面，這樣測出來的水深d1就大出1倍。當(dāng)淤泥頂界面齊整時(shí)，容易將底部投影當(dāng)成方涵頂板。

底部投影與淤泥頂界面多以水面為對稱中心而鏡像存在，水面信號一般較為平直，且聲納探頭多數(shù)在水面以下臨近水面的區(qū)域。在水面存在漂浮物處，水面信號較強(qiáng)，鏡像信號較弱（漂浮物散射）；反之，水面干凈無浮渣，水面信號較弱，鏡像信號較強(qiáng)。排水方涵管道聲納資料解譯時(shí)，水面和底部投影要結(jié)合前后測點(diǎn)的情況加以甄別。另外，可以借助水面的浮渣投影或不規(guī)則底界面與其影像的對稱中心來尋找水面，如圖5（b）和圖5（c）所示。

3.3.5 坡度校正

排水方涵通常設(shè)計(jì)有一定的自流坡度，而水面的上下游坡度往往與箱涵的頂?shù)装迤露炔⒉煌耆恢?，如圖6所示。當(dāng)管段長度較大時(shí)，管段兩端檢查井水面到方涵頂板的距離相差較大，如果直接將首尾檢查井頂板與水面距離的平均值作為整個(gè)管段的d1值，勢必會有較大的偏差。

圖6 方涵內(nèi)部情況斷面Fig.6 Sectional view of internal situation of drainage square culvert

對于管段不同位置水面到方涵頂板的距離d1，可根據(jù)相鄰檢查井水面到方涵頂板距離的測量值D1、D2及測點(diǎn)位置L2和管段長度L1，參考式（7）進(jìn)行線性插值，即

式（7）中，變量單位均為mm。

也可以用管道坡度角α（單位：°）、水流坡度角β（單位：°）及上游側(cè)管口信息計(jì)算任意管點(diǎn)d1值：

式（8）中，α、β一般通過兩端孔口跨度及頂、底界面高差計(jì)算所得。

3.4 檢測結(jié)果

根據(jù)各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，繪制方涵淤積厚度曲線，并根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管檢測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ 181—2012）和《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站運(yùn)行、維護(hù)及安全技術(shù)規(guī)程》（CJJ 68—2016）對檢測結(jié)果進(jìn)行評估。

以各測點(diǎn)聲納徑向掃描斷面為基礎(chǔ)，校正圖像數(shù)據(jù)，并計(jì)算各測點(diǎn)的等效淤泥深度。以此為基礎(chǔ)，繪制管涵內(nèi)的沉積斷面圖。以樁號K4＋501.3～K4＋537.3為例，該段排水方涵聲納檢測的沉積狀況縱斷面圖如圖7所示。

圖7 方涵內(nèi)部淤積斷面Fig.7 Siltation section of drainage square culvert

對該典型段方涵內(nèi)淤積泥層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 典型測段（K4＋501.3～K4＋537.3）淤積泥層厚度Table 1 Statistical table of siltation thickness in typical test section（K4＋501.3～K4＋537.3）

該段方涵檢測范圍內(nèi)方涵內(nèi)淤積厚度262～469mm，占管徑比例13.11%～23.49%，缺陷等級為1級，平均淤積厚度411mm，現(xiàn)存淤積量29.86m3。方涵內(nèi)淤積泥層厚度在允許淤積深度線（400mm）以下的測段占比29.44%。管道養(yǎng)護(hù)指數(shù)MI為1.84，沒有立即處理的必要，但宜有處理計(jì)劃。

4 結(jié)論

本文通過對某城市中心城區(qū)主排水方涵的聲納檢測，準(zhǔn)確判定了方涵涵底的淤積情況，為后續(xù)清於處理提供了依據(jù)。通過本次針對方涵的聲納檢測，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）方涵管道聲納淤泥檢測過程與圓管不完全相同，數(shù)據(jù)處理無法做邊界擬合，數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)同步測量水面到涵頂?shù)木嚯x，數(shù)據(jù)處理時(shí)若量取淤積深度，應(yīng)提前換算方涵頂?shù)走吔缥恢茫?/p>

2）方涵管道聲納檢測數(shù)據(jù)處理時(shí)，對淤泥的鏡像界面、水面、方涵頂板應(yīng)進(jìn)行有效的信號甄別；

3）漂浮物不均勻纏繞及牽引過程中的不均勻受力等，會改變聲納探頭的左右轉(zhuǎn)角和前后傾角，若無法進(jìn)行有效的角度校正，會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；

4）方涵頂?shù)装搴退嫫露冉欠峭耆恢?，對淤積層厚度及淤積量換算存在一定的影響，當(dāng)測段跨度較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行坡度角校正；

5）當(dāng)淤泥頂界面不齊整時(shí)，不能隨意量取任意點(diǎn)的淤泥厚度，可根據(jù)淤泥界面面積計(jì)算等效淤積厚度。