城市排水暗涵安全檢測與評估方法的應用研究*

趙越順，孟 磊，陳永輝，楊昊東

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710043

1 暗涵檢測現狀

隨著各個城市的不斷發展，水環境治理成為各個城市考核的一項重要指標。深圳在過去20多年快速城市化和工業化的影響下，河流治理工作嚴重滯后于社會經濟發展速度，所存在的安全隱患問題也逐步凸顯出來，主要包括四個方面：（1）河道覆蓋現象比較嚴重，形成了暗河、暗渠等，所帶來的安全問題主要有內部缺陷及后期運維困難；（2）部分河段箱涵由于年久失修，存在老化、開裂、鋼筋銹蝕、四周土層可能出現空洞；（3）暗涵內部暗接排口，尤其是污水排口，對水質達標造成重大影響；（4）河道淤積現象比較嚴重。

為了確保人們的生命財產安全，保障城市經濟快速高效發展，必須針對覆蓋河道所存在的諸多問題進行全方位的安全檢測與評估，及時掌握其現狀信息，對癥下藥，提出相應的解決方案和實施措施，使暗涵內部結構性和功能性缺陷得以整治，對排污口進行溯源及整治，確保水質達標。

目前傳統的暗涵檢測僅采用閉路電視進行暗涵外觀檢測，無法滿足結構檢測的需求，不能對暗涵墻體內部隱患進行有效檢測；采用傳統測量方式對暗涵進行測量，耗時比較長，且增加了人員在涵內的危險性。為了提高暗涵檢測的安全性及工作效率，對暗涵進行全方位檢測和評估，深圳市水務局出臺了《深圳市排水暗涵安全檢測與評估暫行指南》，文章據此對深圳市某暗涵進行安全檢測與評估，旨在為暗涵治理提供依據。

2 工作方法

暗涵檢測分為外觀檢測、結構檢測及周邊隱患探測，外觀檢測方法包含人工檢測方法、攝像檢測方法、聲吶檢測方法及三維激光掃描法；結構檢測方法包含超聲波法、沖擊回波法、探地雷達、超聲橫波反射三維成像法、鉆孔法、回彈法等；周邊隱患探測包含探地雷達法、高密度電法、瞬變電磁法、地震反射波法、瞬態面波法、天然源面波法、鉆孔取芯法等方法。文章重點介紹三維激光掃描及探地雷達方法。

2.1 三維激光掃描

對水深較淺、淤積較小（不大于50cm）、水深距離底板不大于1m的暗涵（渠）采用人工三維激光掃描方法，其中三維激光掃描設備如圖1所示。由潛水員配合作業的方式開展檢測，結合實時差分定位設備（RTK）、全站儀測距技術，獲取高密度、高精度的點云數據，應用分析軟件，進行暗涵排口位置精確定位、功能性、結構性缺陷評估。通過對實測數據進行處理與分析，完成暗涵本體尺寸特征、暗涵檢查井空間分布情況檢查，以及排放口的排查與統計，其中，排放口的排查與統計信息包括排放口的空間位置、管底標高、直徑、材質、實測時是否有水流出等信息。

圖1 三維激光掃描設備

2.2 探地雷達

地質雷達（GPR），也被稱為探地雷達或透地雷達。GPR技術是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態的變化而變化，GPR利用一個天線發射高頻寬帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波，根據接收到的資料來推斷介質的結構及性質等信息。地質雷達工作原理圖如圖2所示，H表示地層深度。

圖2 地質雷達工作原理圖

地質雷達主要利用帶寬高頻時域電磁脈沖波的反射檢測目標體，電磁脈沖時間t的計算公式如下：

式中：z為目標埋深；x為發射、接收天線距離；v為電磁波在介質中的傳播速度。

地質雷達法是依據地下介質界面對電磁波的反射同相軸的連續性進行判斷，數據利用美國的Radan軟件進行數據處理成圖。此次檢測采用的探地雷達型號為美國勞雷公司的SIR4000，其工作數據處理流程包括數據編輯、時間零點調整、距離歸一化、水平濾波、背景噪聲去除、時深轉換、反褶積、部分數據選擇偏移處理，數據處理流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程圖

3 工作成果

此次檢測成果以深圳市某項目某條暗涵檢測為實例，利用三維激光掃描和探地雷達對該暗涵進行檢測并評估，暗涵檢查以面向水流方向（上游至下游）定義左右方向，即面向水流方向左手邊為左側墻、右手為右側墻，里程樁號從每段箱涵下游往上游編排，隱患編號按河流拼音縮寫+箱涵編號+隱患類型（危害程度等級）隱患流水號來編排。

3.1 暗涵外觀檢測

（1）暗涵外觀檢測內容。此次外觀檢測采用三維激光掃描方法進行檢測，查明以下內容：①暗涵的長、寬、高、橫縱斷面等尺寸信息；②結構性缺陷和功能性缺陷情況；③檢測暗涵的淤積、沖刷現狀；④糙率現狀調查；⑤必要時，查明暗涵內部排口位置、大小、材質等屬性信息。

（2）暗涵外觀檢測成果。①暗涵的長寬高、橫縱斷面由三維激光掃描數據經過處理后得到的，部分示意圖如圖4所示。②結合三維激光掃描成果與攝像視頻，可得出結構性缺陷和功能性缺陷成果表，嚴重程度從低到高為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級（下文相同），其部分信息如表1所示。③依據三維激光掃描結果，可得到暗涵內各排口位置、屬性等信息，其部分成果表信息如表2所示。

表1 某暗涵缺陷成果表部分信息

表2 某暗涵排口成果表部分信息

圖4 某暗涵部分橫斷面圖（單位：m）

3.2 暗涵結構檢測

（1）暗涵結構檢測內容。此次采用探地雷達及回彈法等方法進行檢測，結構檢測主要檢測混凝土強度、混凝土裂縫、混凝土結構厚度、混凝土鋼筋分布及銹蝕、碳化深度等。

（2）暗涵結構檢測成果。混凝土結構厚度及鋼筋分布可從探地雷達成果圖中得出，暗涵某段探地雷達成果圖如圖5所示。混凝土裂縫可采用裂縫儀及裂縫測寬儀進行檢測，裂縫部分信息如表3所示。綜合結構檢測成果，可得到暗涵結構檢測成果表，其部分信息如表4所示。

表3 某暗涵裂縫檢測成果表部分信息

表4 某暗涵結構檢測成果表部分信息

圖5 暗涵某段探地雷達成果圖（未進行距離歸一化）

3.3 周邊土體隱患檢測

周邊土體檢測一般是指對暗涵左右邊墻、底板、頂板周邊土體進行隱患探測，探測是否存在脫空、富水、疏松甚至是空洞現象。此次暗涵檢測采用探地雷達對其周邊土體進行探測，如圖6所示。

圖6 某暗涵上覆土層探地雷達部分剖面圖（K0+080～K0+150）

3.4 暗涵運維設施檢查

暗涵運維設施檢查包含以下內容：（1）檢查井的檢測，具體包括井位及井間距測量、井蓋與井座完好性檢查、井壁完好性檢查、安全防護設施完好性檢查、人工爬梯完好性檢查等；（2）出水口的檢查，具體包括沖刷、護墻結構坍塌、異物堵塞等檢查；（3）運維設施周邊土體檢測。但是運維設施檢測只是提供參考資料，并對暗涵進行指標化定性評估，不進行復核計算。

3.5 暗涵總體安全評估

綜上所述，排水暗涵單元的安全等級根據子單元安全等級綜合確定，暗涵總體的安全等級根據過流能力、結構安全及耐久性、周邊土體空洞隱患的安全等級綜合確定。

該暗涵的功能性安全評估等級為Ⅳ級，結構安全及耐久性安全評估等級為Ⅰ級，周邊土體安全評估等級為Ⅳ級，暗涵總體安全評估等級為Ⅰ級，其重大原因為子單元4（K0+100～K0+150）存在較大變形和嚴重的拉筋孔滲漏問題，并且由設計單位對該子單元的結構安全進行復核計算，以設計復核結果為準。

4 結束語

文章采用綜合方法對暗涵進行安全檢測和安全評估，通過對這次暗涵檢測評估方法的應用分析，為城市暗涵整治提供了有力依據，保證了城市水環境治理水質達標，有效地排除了暗涵存在的隱患，保證了人們的生命財產安全。排水暗涵環境復雜，外部條件變化大，暗涵安全現狀不是一成不變的，因此排水暗涵的安全評估是一個動態的過程，需結合排水暗涵的動態化檢測成果進行復核、修正，并根據變化確定安全檢測與評估的頻次。