基于CCTV的管道檢測評估在黑臭水體治理中的應用

李松勤

(深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000)

城市排水管道系統包括雨水、污水排水管道系統，是重要的城市基礎設施，作為“城市的血管”，其運行狀態關乎城市的居住環境安全。由于我國排水管網的建設過程中，存在著諸如系統性規劃缺失、施工質量參差不齊等問題，并且排水管道的施工質量與日常的維護保養工作中往往容易存在缺漏，導致管道網絡出現結構性與功能性缺陷的問題，進一步影響管道排水系統的結構狀態與正常使用功能，導致大量的黑臭水體直排河道或滲出，極大地影響了城市風貌與水環境安全，嚴重危害了人民群眾的身心健康。由此可見，管道排水系統的健康是城市黑臭水體治理的基石，且管道檢測是管道系統維修、改建、養護的重要依據，因而對于現存管道的檢測是十分必要的。本文以某區域管道檢測評估為例，采用管道閉路電視檢測技術對某區域既有城市雨水、污水管道系統進行檢測、分析與評估。

1 管道檢測技術及設備

1.1 管道閉路電視檢測技術

目前，隨著城市黑臭水體治理工程的廣泛實施，管道檢測技術與設備及其配套軟件發展迅猛，其各項關鍵技術指標均得到明顯加強，有效地提升了管道檢測工作的工效與準確率。常見的內窺式檢測技術主要有閉路電視檢查(CCTV)、潛望鏡檢查(QV)、聲納檢查(SI)、激光檢測等。其中，閉路電視(CCTV)檢測技術，以其能直接記錄管道內部的真實情況，并直觀反映缺陷位置、狀態等優勢，且適用于管道詳查、普查、驗收與修復等項目，因而受到廣泛應用。CCTV檢測系統的基本設備包括：攝像機、長度測量儀(傳感器)、燈光照明系統、電源系統、控制系統、爬行器等部件。通過控制帶攝像頭的機器人在管道內走行，將管道內的實時影像進行回傳[1]，進而采用軟件識別與人工識別對影像資料進行解析，可對管道結構缺陷，如破裂、變形、錯口、腐蝕、起伏、脫節、接口材料脫落、支管案接、異物穿入、滲漏等缺陷進行判別；對功能性缺陷，如沉積、結垢、障礙物、殘墻、壩根、樹根、浮渣等缺陷進行判別。

1.2 管道CCTV檢測流程

管道內窺鏡檢測流程主要由4部分組成，分別是資料收集、現場踏勘、管道預處理、管道檢測[1- 3]。資料收集旨在手機管道竣工圖與區域管線的分布資料；現場踏勘周邊場地的狀況與檢查井定位，進而制定監測方案與確定合適的檢測時間；通過對管內淤積情況與水位進行判別，通過風度、高壓水射流清淤與抽水等措施，使得管道內水位小于0.2倍直徑且小于30cm，管道內淤積小于20cm[4- 5]，在保證經濟性的前提下，保障管道機器人走行的通暢，與管道內缺陷的可檢測性；管道檢測為檢測的實施階段，通過控制帶攝像頭的機器人在管道內走行，對管道內存有的缺陷對其狀態、影像、位置進行記錄并進行回傳，后通過人員、算法判別解析回傳圖像，確定管道內實際狀態并明確缺陷，判別其類型、位置與級別。其檢測流程圖如圖1所示。

圖1 CCTV檢測流程圖

2 管道評估方法

2.1 管道缺陷判定與評估概述[4- 6]

管道檢測完成后，得到各個管段影像數據資料。依據CJJ 181—2012《城市排水管道檢測與評估技術規程》(以下簡稱“規程”)，對各個管道缺陷進行人工判別或采用計算機算法進行判別并輔助以人工校驗。

首先根據缺陷性質進行分類，分為結構性缺陷與功能性缺陷兩類構成，而后針對各個具體缺陷類型，依據規程對其進行缺陷等級判別，并根據等級進行賦分。規程缺陷等級分類見表1，將缺陷程度分為輕微、中等、嚴重、重大4類缺陷。對應等級賦分值最大為10分，其中部分缺陷類型最嚴重級別為3級，嚴重缺陷，賦分值為5分。

規程對于單個缺陷的縱向尺寸約定為最小為1m。當兩個相鄰缺陷的縱向間距大于1.5m時，視為獨立缺陷；當縱向間距大于1m且不大于1.5m時，視為相互影響缺陷，對其賦予影響系數；當縱向間距小于1m時，將之視為一個缺陷，并對缺陷程度賦分值進行加和，且加和值不大于最大分值10分。

表1 缺陷等級分類表

對于某一管段，其狀況進行評估時，其整體缺陷參數按如下公式進行計算：

(1)

式中，M—某管段的結構性缺陷參數或功能性缺陷參數;S—該管段的狀態參數;Smax—單個缺陷的最大分值。

對管段內缺陷根據間距分為間距大于1.5m的獨立缺陷與間距大于1m且不大于1.5m的相互影響缺陷兩種缺陷分別計數進行均值計算，如式(2)。

(2)

Smax=max{Pi}

(3)

式中，n1—獨立缺陷數量;Pi1—各個獨立缺陷賦分;n2—相互影響缺陷數量;Pi2—各個相互影響缺陷賦分;k—相互影響系數，一般取1.1。

以上，可計算得到各個檢測管段的缺陷參數，并據此評價該檢測管段狀態，見表2，Ⅰ-Ⅳ級分別表示管段不同程度的缺陷等級。

表2 缺陷評價表

2.2 結構性狀況評估方法

通過影像判別，針對檢測中分類為結構性缺陷的管段，通過式(1)—式(3)計算結構性缺陷參數，并依據規程，綜合結構性缺陷因素、地區重要性因素、管道重要性因素土質等參數，得到管段修復等級RI，為維修、改建提供科學依據。

2.3 功能性狀況評估方法

針對檢測中分類為功能性缺陷的管段，通過式(1)—式(3)計算結構性缺陷參數，并依據規程，綜合功能性缺陷因素、地區重要度因素、管道重要性因素，得到管段養護等級MI，為管道的養護提供數據支撐。

3 工程實例分析

3.1 工程概況與設備選型

本項目位于深圳市某區，檢測管道總長1011m，共計56管段，管材設計種類為鋼筋混凝土管、HDPE，檢測管徑為DN300、DN400、DN600。本次管道CCTV檢測采用中儀X5-HQ綜合CCTV管道內窺檢測系統，主要包括HPX1-U爬行車、HCTV旋轉攝像頭、有線控制盒、X5-HQ自動卷線盤等。

3.2 檢測結果

根據CCTV檢測結果，對管道結構性缺陷、功能性缺陷進行統計。結果見表3。

表3 功能性缺陷統計表

通過CCTV檢測，已檢管段中發現7處1級(輕微)功能性缺陷、5處3級(嚴重)功能性缺陷。已檢管段中發現14處1級(輕微)結構性缺陷、53處2級(中等)結構性缺陷、14處3級(嚴重)結構性缺陷、4處4級(重大)結構性缺陷,見表4。

表4 結構性缺陷統計表

本次檢測中，各類型典型缺陷圖像如圖2—3所示。

根據以上工程檢測結果，對已檢測管段進行修復等級與養護等級計算，按修復等級與養護等級進行分類統計，得到檢測管段修復等級分類表，見表5—6。結果表明，檢測管段存有4處結構存在重大缺陷，已發生破壞，需要立即修復；存有2處管道過流受阻嚴重，嚴重影響功能，需要根據基礎數據進行全面的考慮，盡快處理。

表5 管段修復等級統計表

圖2 功能性缺陷圖

圖3 結構性缺陷圖

表6 管段養護等級統計表

3.3 結果分析

針對數量較大的結構性缺陷，進一步對檢查結果進行統計分析，其結果如圖4所示。顯而易見，管道破裂為最主要缺陷，占比為總缺陷數量的約60%，其次為管道錯口，約占為總缺陷數量20%。針對破裂缺陷問題，由于本次檢測管道中，雨水管道采用DN600鋼筋混凝土管道，破裂由管道的外部壓力超過其自身承載能力所致，其可能形成原因如下：區域內混凝土管普遍施工較早，其使用年限相對較長；早期鋼筋混凝土管節生產質量較差，安裝前可能已經存在一定缺陷，或管節鋼筋配筋率不足；混凝土管節運輸、安裝過程中未按規范、規程要求進行，導致管節受損，致使管道破裂[7]；管道基礎、回填覆土未按要求施工，導致管道基礎產生較大不均勻沉降，或回填物中含有堅硬物體，導致開裂；管道埋深不足，導致管頂覆土深度不滿足要求，在上部荷載的作用下，土壓力擴散較少，管節受力增大，導致破裂；機動車道下方管道可能長期受到超限超載車輛碾壓，導致管道破裂。針對錯口缺陷問題，主要是由于管節安裝不規范導致間隙過大；亦可能由于管節生產不合格導致承插口不匹配或膠圈質量問題導致。

對管道材質進行對比，采用高密度聚乙烯(HPDE)管段總結構性缺陷為3處，分別為2處2級變形缺陷與1處1級滲漏缺陷，總占比約為3.53%，其管道狀態較為良好。其可能原因如下：HPDE管相較于鋼筋混凝土管進入市場較晚，其使用年限相對較短；HPDE具有較強的耐沖擊能力，且抗拉強度較高，可在較大的溫度范圍內承受管道應力與沖擊荷載，避免了缺陷的發生；其化學性能穩定，具有優良的耐化學腐蝕能力，可承受多種類的腐蝕性介質侵蝕[7- 8]；相較于鋼筋混凝土關節間采用承插式連接，HPDE管可采用焊接或法蘭連接，具有更優良的連接可靠性，降低了脫節等缺陷的發生概率。

針對DN600鋼筋混凝土管的大范圍破裂與脫節缺陷問題，建議如下：破裂缺陷特別嚴重的關節建議進行更換處置；其余破裂關鍵建議采用環氧樹脂進行修補；特別針對機動車道下方管道，宜核查其覆土厚度，對于無法滿足50cm處，應考慮設置防護結構對管道進行保護。

圖4 結構性缺陷統計圖

4 結語

通過對深圳市某區共計1011m、HPDE、鋼筋混凝土材質的雨水污水管道系統進行檢測與評估，并對病害特征進行分析與總結。該區域內管道的結構性缺陷主要為2級缺陷，以管道破裂與脫節為主要缺陷。這一結果充分反映了鋼筋混凝土管道的常見病害問題，建議在類似新建管道設計中優先選用HDPE管道，并采用柔性接口，同時加強管道基礎施工與頂部覆土深度的控制，提升排水管道系統的健康狀態。對于既有管道，應及時采取維修與指定維修計劃，采用環氧樹脂修補并對破壞嚴重管節進行更換處理。

在后續的CCTV管道檢測中，建議采用多傳感器技術，擴大CCTV技術的檢測深度與適用條件，綜合提升管道檢測結果的可靠性與準確性，更多維度地獲取管道實時健康、運行狀態，提升相應維修、養護工作的時效性與經濟性。