基于聲納、雷達和管道內窺儀的多手段 管道淤積檢測

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(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635;2.廣東省大壩安全技術管理中心，廣州 510635; 3.廣東省河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635)

城市內澇是指由于降水超過城市排水能力致使城市內產生積水災害的現象。近年來，城市內澇事故頻發，給城市帶來經濟損失甚至危及人身安全的同時，也造成嚴重的水污染與水生態問題[1]。

城市排水管道系統是現代化城市不可或缺的重要市政基礎設施，同時也是一個城市排漬、排澇以及防洪的骨干工程[2]。管道淤積是可能導致城市排水不暢的一個重要因素，淤積問題多是管道系統中的泥沙以及懸浮固體沉積所引起的[3]。當排水管道淤積到一定程度時，其排水能力會急劇下降，最終造成管道堵塞[4-5]。ASHLEY與NALLURI的研究表明，淤積物的存在會增加排水管道中的水流阻力，從而減小排水管道的過流能力，造成管道排水不暢。此外，管道過度淤積還會對環境造成影響，淤積物中的有機物在微生物的作用下會產生H2等毒害氣體[6-7]，并最終轉化成酸性物質腐蝕管道[8]，進而破壞管道，使其產生滲漏而污染地下水。因此，研究管道淤積檢測技術，不僅有利于掌握城市排水管網的淤積程度與指導排水管道的清淤工作，更能在一定程度上對城市內澇、地下水污染等問題的緩解提供有力的技術支持。

在我國，華南地區多地發生過排水管道淤積導致排水不暢的事故。以廣東省四會市為例，管道淤積嚴重段位于該市中心位置的商場房屋正下方，傳統的方法無法對管道內的淤積情況進行有效檢測。筆者提出采用聲納、雷達、管道內窺儀聯合檢測技術，探究該聯合檢測技術是否能更準確地反映管道內的淤積情況，以期在緩解當地城市內澇、水污染等問題的同時，能夠為今后大型管道淤積檢測技術的選用提供借鑒與指導。

1 多手段儀器聯合測試方法

1.1 聲納檢測系統檢測方法

聲納管道檢測系統采用了聲學原理檢測管道，檢測時將傳感器頭浸入水中，聲納頭快速旋轉向外發射聲納信號并經管道反射顯示管道的橫斷面圖，從而實現管道的檢測。系統能提供準確的管道內部狀況的量化數據，并標識出反射界面的類型從而檢測到管道的淤積情況。由于能量的不足，聲納信號通常不能穿透堅硬的表層，所以該方法無法得知管壁厚度及管線周圍土壤的性質等信息。

1.2 管道內窺儀(CCTV)檢測方法

CCTV (Closed Circuit Television)檢測技術也稱管道內窺攝像檢測技術，檢測時只需要將管道檢測機器人放在管道口，即可操縱機器人爬入管道內進行檢測，是目前國際上用于管道狀況檢測的有效、安全的手段。檢測的管道缺陷主要有：管道接口滲漏、錯口、管道腐蝕、管身穿孔、支管、障礙物和淤積等。但CCTV檢測技術受限于儀器尺寸，要求檢測空間不小于30 cm凈空。

1.3 探地雷達檢測方法

探地雷達(GPR)方法，利用高頻電磁波(1 MHz～1 000 MHz)，以脈沖形式通過發射天線被定向地送入地下并將電磁波傳回。雷達波在地下介質中傳播遇到分界面時會發生反射，電磁波反射能量的強弱與分界面兩側的介電常數的值有關：當兩個分界面的介質介電常數相同時，波形不會出現反射；當兩個分界面的介質介電常數相差很大時，雷達波波形出現強反射，反射界面兩側的電性差異越大，反射圖像越清晰。根據接收到的雷達波波形、強度、電性及幾何形態特征，可推斷地下地層(或目標體)的情性質。

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此可根據地質雷達記錄的電磁波的傳播時間ΔT，計算出地層厚度ΔHi。

ΔHi=Vi·ΔT/2

(1)

(2)

式中：Vi為電磁波在介質中的傳播速度；c0為電磁波在真空中的傳播速度(c0=0.3 m·ns-1)；εi為第i層地層的介電常數；μi為第i層地層的磁導率。

2 測試結果分析

2.1 聲納檢測系統檢測結果

采用的儀器設備為X4管道聲納檢測系統，對某段管道橫斷面的檢測結果如圖1所示，圖中圓點為發射信號源的聲納頭，上部輪廓為平直水面線，下部輪廓為淤泥的淤積線。

圖1 某管段的聲納檢測結果

由圖1可清晰地看到該段涵管的淤積深度和淤積形態，管道的兩側淤積多，中間淤積少。根據設計圖紙標注的管道斷面尺寸，推求出管道的平均淤積深度約為1.62 m。

2.2 CCTV管道內窺儀檢測結果

管道內窺儀的檢測結果如圖2所示。

由圖2(a)可以清晰地看到管道上的蓋板鋼筋銹脹嚴重，混凝土表層大面積脫落，結構存在嚴重的安全隱患；由圖2(b)可以看出，管道內水位偏高且基本無流動，橫梁結構存在阻水現象，說明管道內淤積已十分嚴重，應盡快進行清淤工作。這兩張圖片直觀地反映了管道的結構安全狀態和淤積現狀，進一步驗證了聲納檢測系統的檢測效果。

圖2 某管段的CCTV檢測結果

2.3 探地雷達檢測成果

采用加拿大EKKO專業雷達對管段進行檢測，探地雷達管道橫斷面檢測結果如圖3所示。

由圖3可以明顯地看出，雷達檢測到的土層數為6層，分別為樓板層、空氣層、污水層、淤泥層、渠底層和基礎層等，層與層之間分界明顯，以此為依據可以計算出管道的淤積深度，各層數特征及參數如表1所示，表中雷達波傳播時間為雷達波接觸到地層并反射回接收器的總時間。

由圖3可見，管道底部混凝土層較為清晰，混凝土下填土回波較弱，介質介電常數變化不大，填土質量較好，管道無明顯滲漏。根據計算可得管道的平均淤積深度為1.58 m。

2.4 綜合分析

(1) 聲納檢測系統能檢測到管道內淤積情況的表觀數據，管道內窺儀能直觀地顯示管道內的結構安全狀態和表面淤積情況，兩者均不能反映管道管底和基礎的結構現狀。探地雷達則可以對管道下的土層結構進行深層檢測，雷達波的波形可反映出管道的淤積情況以及結構的完整度，也可通過周圍地層含水率的變化推測管道有無明顯的滲漏現象。

(2) 將聲納檢測結果與雷達檢測結果融合在一起(見圖4，圖中藍色線代表探地雷達所測波形，紅色線為聲納檢測得到的數據)發現，二者相似度極高，因此確定檢測成果準確可靠。

(3) 將聲納檢測系統、管道內窺儀和探地雷達3者結合在一起進行綜合分析，得到了更為立體、準確、直觀的數據，即多源數據相互配合、相互印證，檢測結果科學可信。

圖3 某管段的雷達檢測結果

層別雷達波特征雷達波傳播速度/(m·nm-1)雷達波傳播時間/nm該層厚度/m樓板層分層明顯,同相軸連續,雷達波回波較強0.10[9](混凝土)60.30空氣層雷達波回波同相軸不連續,波形較為混亂0.30(空氣)81.20污水層雷達波回波較弱,同相軸連續,可清晰看到分層的雷達波0.033(水)280.46淤泥層雷達波回波最弱,基本無回波0.075(濕潤的土)421.58渠底層雷達波回波較強,同相軸連續0.10(混凝土)60.30總計903.84

圖4 某管段的雷達與聲納檢測結果對比

(4) 該管道蓋板鋼筋銹脹嚴重，混凝土大面積脫落，存在嚴重的安全隱患，而管道底部混凝土連續性較好，無明顯滲漏。應立即清淤處理后對結構破損管道開展除險加固。

(5) 探地雷達檢測結果為淤積深度約1.58 m，與聲納檢測系統的檢測結果1.62 m基本相符，因此前后檢測成果可信度較高，最終結果取兩者的平均值1.60 m。

3 結論

(1) 聲納、雷達、管道內窺儀多手段聯合檢測管道淤積方法，適用于城市水務地下排水管道無檢修井且無法進行人工檢測的情況；相比單一檢測手段,其能更好地檢測管道的淤積深度、結構的安全狀態以及有無滲漏等情況，具有檢測速度快，檢測結果可信度高等特點，是無損檢測方法在水務管道檢測中的融合創新。

(2) 聲納檢測系統能檢測到管道內淤積情況的表觀數據；管道內窺儀能直觀地顯示管道內的結構安全狀態和表面淤積情況；探地雷達可以對管道下的土層結構進行深層檢測，雷達波的波形能反映管道的淤積情況以及結構的完整度，也可通過周圍地層含水率的變化推測管道有無明顯的滲漏現象。