擬流場法在高水位污水管道滲漏檢測中的應用研究

王永濤， 邵 春

（1.中國地質大學（武漢） 自動化學院， 湖北 武漢 430074； 2.中國地質大學（武漢） 資源學院， 湖北 武漢 430074）

0 引 言

污水管道肩負著運輸城市生活污水的功能，如果管道有裂縫，污水會流出管道，污染管道流經區域環境。雨天時，雨水會流入污水管道，增加污水處理廠的負擔。因此，污水管道的好壞與居民的生活和城市的環境息息相關，研發污水管道滲漏檢測儀器具有重要的意義。

現有的污水管道檢測儀器很多，包括管道視頻潛望儀、管道視頻檢測機器人、推桿式管道內窺儀、管道聲納檢測儀等[1-3]。前面3 種儀器都是以攝像頭為傳感器的視頻檢測儀器，在管道口或者深入管道里面檢測，檢測精度高，能有效檢測出管道裂縫，但視頻檢測儀器檢測前需要對管道進行清洗，作業成本很高。視頻檢測儀器還要求污水管道里沒有水或者水量很少[4]，但大多數污水管道里面污水很多，并且不能封堵，所以視頻檢測儀器只能檢測少部分污水管道。管道聲納檢測儀是水下檢測設備，不需要排干污水，其對于管道塌陷、管道變形、管道淤泥等缺陷有很好的檢測效果，但對于管道滲漏檢測收效甚微。污水管道滲漏檢測需要新的技術方法和儀器設備。擬流場法是一種地球物理無損檢測方法，是由何繼善院士首先提出，并在堤壩管涌滲漏檢測中已經被驗證的可行的地球物理方法[5-7]。擬流場法的基本原理是：利用水流場和電流場相似的特點搭建人工電流場，測出沿著滲漏裂縫流動的電流路徑，從而得到水流路徑，進而發現堤壩管涌通道[8-9]。本文把擬流場法應用到污水管道檢測行業，設計并實現了基于擬流場法的污水管道滲漏檢測系統，沿著管道軸向繪制管道電場異常曲線，從而發現管道裂縫大小和位置，供污水管道管理部門在管道修復決策時使用。

1 總體設計思路

污水管道擬流場法滲漏檢測示意圖如圖1 所示。擬流場法主要用于檢測污水管道周圍管壁裂縫大小和位置信息。整個系統由水下探頭、電纜盤、牽引動力裝置盤和主控制器組成。探頭尾端連接著牽引繩，在動力電機盤的帶動下，探頭沿著污水管道前進，每分鐘最快可移動10 m，移動速度越慢，探測精度越高。探頭由3 個環狀金屬電極組成，分別為電極A、電極C、電極D，與地面遠端電極B 構成四電極系統，探頭各電極之間用塑料材料絕緣隔離。四電極系統中電極B 一直作為地電極使用，電極C 和電極D 作為發射電極，電極A 作為接收電極。探頭前進帶動信號電纜增長，從而轉動電纜盤，安裝在電纜盤里面的編碼器開始計數，計數值轉換成距離值，距離每變化5 mm，觸發主控制器采集一次電場數據。

圖1 污水管道擬流場法滲漏檢測示意圖

如圖1 所示，電流在主控制器、電纜線、探頭電極系、污水、管道壁、圍土、電極B 之間形成了一個閉環路徑。閉環路徑中地下電場的分布是污水管道滲漏檢測的關鍵，地下電場的分布與路徑中物體的電阻率是相關的[10]。污水中存在大量的電解質，其電阻率為1～10 Ω·m，甚至更小。污水管道大部分采用混凝土管道和雙壁波紋管道，混凝土在潮濕環境下的電阻率為200～500 Ω·m，雙壁波紋管的電阻率更高。圍土是修建管道時的覆蓋填充物，一般是泥土和少量瓦礫石塊，其電阻率[11-13]為10～60 Ω·m。混凝土管道的電阻率是污水和圍土的10 倍以上，因此電極B 和探頭電極系之間的電場分布主要取決于混凝土管道完整性。如果管道完好，電場將均勻分布；如果管道有裂縫存在，裂縫處的電場將呈現密集分布現象，即電場梯度增大，并且裂縫越大，電場梯度越大。通過判斷電流場的梯度變化，從而得到水流場的變化規律，最終確定滲漏點的大小和位置。

2 系統硬件電路設計

污水管道擬流場法滲漏檢測系統硬件電路由兩部分構成，分別是水下探頭電路和主控制器電路，主要模塊電路設計框圖如圖2 所示。水下探頭硬件電路以國產32 位MCU 芯片CH32V307VCT6 為核心，兩路驅動電路分別控制電極C 和電極D，高精度數據采集模塊獲取不斷變化的電場強度，狀態采集模塊獲取探頭的各項狀態參數，通信模塊與主控制器之間交互命令和數據包。

圖2 儀器硬件電路設計框圖

2.1 高精度數據采集電路

擬流場法滲漏檢測儀是一個高精度數據采集系統，電極A 和地電極B 的信號通過屏蔽導線接入采集電路，經過帶通濾波器和放大調理電路后，分別連接到J1和J2接頭，如圖3 所示。低噪聲運算放大器ADA4896-2 作為緩沖器，可以接收前置電路0～5 V 高動態范圍的輸入信號，輸出驅動ADC。基準電壓源ADR4550ARZ 提供低噪聲、穩定的5 V 基準電壓，從ADC 的REFIN 引腳接入，保證ADC 有寬廣的動態范圍，可以完整采集大范圍變化的電場。模數轉換器采用24 位芯片AD4032-24，最高采樣速率為500 KSPS，與MCU 有三種通信模式，分別為傳統SPI 模式、回波時鐘模式和主機時鐘模式。本設計采用SPI 串行接口模式，MCU 在CNV 引腳上發出一個信號脈沖，脈沖上升沿啟動模數轉換，引腳BUSY 上高電平信號表示ADC 正在轉換工作，隨后低電平表示轉換結束，數據結果可以讀取。片選信號CS#置低電平，每一個時鐘SCK 信號，從SDO0～SDO3 讀取4 位數據，直到24 位轉換結果全部讀取完為止。由于AD4032-24 的VIO 電源采用的是1.8 V 供電，與MCU 的3.3 V 電平不符，兩者之間需要加入電平轉換芯片FXLH42245MPX進行電平驅動隔離。

圖3 高精度數據采集電路原理圖

2.2 電源輸入保護電路

工程野外現場經常采用發電機供電，高溫高濕環境下，供電穩定性差，紋波大，故障率高，所以電源保護電路尤為重要[14]。本系統采用具有電源反向保護的二極管 控 制 器LTC4359HS8，驅 動N 溝 道MOSFET 管FDS8870，構建電源輸入保護電路，原理圖如圖4 所示。

圖4 電源輸入保護電路原理圖

如果發電機發生故障，LTC4359HS8 可以快速關斷，抑制反向瞬變電流。與傳統使用肖特基二極管作為反向保護電路相比，例如肖特基二極管SBG2040CT[15]，在10 A負載的情況下，本應用熱耗散從4 W降低到0.2 W，電壓損耗從0.5 V 降低到0.1 V 以下，改善了狹小電路倉的散熱環境。輸出電壓Vout1經3 個低噪聲LDO 穩壓器LT1763CS8 分別轉換成1.8 V、3.3 V 和5 V 電壓，供給系統中其他模塊。

3 系統軟件設計

探頭中32 位國產MCU 芯片CH32V307VCT6 控制采集電極A 與地電極B 之間的電場強度值，傳輸給主控制器，主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程

軟件具體實現過程如下：

1） 系統初始化。儀器上電后，MCU 先設置寄存器初值，距離值清零。電極C 和電極D 接通電源，與地電極B 在污水、管道壁、圍土之間建立一個穩定的電場。

2） 數據采集和傳輸階段。牽引盤轉動，拉著探頭在污水管道中緩慢移動，信號電纜增長，電纜盤中的編碼器計數，一圈400 脈沖，根據實時圓周半徑，轉換成距離值。當距離變化5 mm 時，觸發數據采集子程序，ADC開始工作，采集一組電極A 與地電極B 之間的電場強度值。隨后再采集一組探頭狀態值，例如探頭內溫度、壓力和姿態，用于判斷探頭是否能繼續正常工作。最后把所有數據打包傳輸給主控制器，完成一輪采集任務。

3） 數據處理階段。原始電場數據繪制成曲線后，只有經驗豐富的工程師才能分析，而工程施工現場需要根據結果實時調整參數，這就要求結果簡單直觀，所以需要軟件對原始數據進行實時處理。經過數據濾波和數據識別等算法處理后，得到直觀的電壓梯度曲線，并把所有數據存儲到文件中。

4 系統測試

選取湖北省某市天鵝路公交車站旁的一段污水管道作為測試對象，管道長22 m，材質為混凝土，管道直徑為800 cm。為了驗證管道擬流場法滲漏檢測系統的有效性，先用管道視頻機器人爬入管道內，對此段管道做了視頻檢測。

圖6 是裂縫點視頻截圖，由于篇幅有限，只展示了部分裂縫截圖，并分別標注了裂縫點距離檢查井口的距離，以便于與擬流場法滲漏檢測系統結果進行對比分析。

圖6 相同污水管道視頻檢測裂縫截圖

圖7 是污水管道擬流場法滲漏檢測軟件界面截圖。圖中繪制了兩條數據曲線，上面曲線是滲漏檢測原始數據，下面曲線是根據原始數據經過算法處理后軟件自動得到的電壓梯度曲線。曲線橫軸表示距離井口的距離，由于起始點是從檢查井中心算起，為了與視頻資料距離一致，根據現場記錄，橫軸起始點從-40 cm 開始，縱軸是電壓值。

圖7 污水管道擬流場法滲漏檢測軟件界面截圖

由于污水管道距離地表較淺，受雨水環境影響大，在同一段管道，不同濕度環境下去檢測，電阻率變化較大，測量絕對值意義不大。這里用相對值表示，直接用檢測得到的電壓值代表管道相對導電性能，從而反映污水管道滲漏情況。電壓梯度曲線能直觀地表示管道滲漏點位置和大小，定義電壓梯度值200 mV 以下的為輕微S 級裂縫缺陷，電壓梯度值400 mV 以上的為嚴重L 級裂縫缺陷，中間值為中等M 級裂縫缺陷。測試管段裂縫缺陷統計如表1 所示。

表1 裂縫缺陷統計

對比圖6、圖7 和表1 的數值，得出以下結果：

1） 污水管道擬流場法滲漏檢測系統數據是可信的。由圖7 與圖6 管道機器人視頻檢測數據對比可知，在距離4.18 m、6.40 m、8.62 m、10.64 m、12.50 m、14.72 m、20.93 m 等7 處，兩種方法的裂縫異常數據位置是吻合的，并且視頻檢測中裂縫越大，擬流場法檢測中電壓梯度值越大，符合理論方法。

2） 污水管道擬流場法滲漏檢測系統比管道視頻機器人檢測精度高。在距離4.92 m、9.01 m、10.76 m、11.95 m、18.19 m 等5 處，擬流場法檢測出屬于輕微S 級缺陷，而視頻機器人沒有檢測出來，可能是由于管道外壁有缺陷，但管道內壁完好，導致視頻看起來完好，而實際污水管道管壁厚度變薄，暗藏隱患。在距離7.12 m處，擬流場法檢測出屬于中等M 級缺陷，視頻機器人檢測管壁完好，可能是由于混凝土中鋼筋骨架裸露，導致誤檢。所以擬流場法適用于非金屬管道滲漏檢測，不適用于金屬管道，例如沒有鋼筋骨架裸露的混凝土管道和塑料管道。

3） 從擬流場法滲漏檢測原始數據曲線可以看出，距離16.6 m 處是個分界點，前面管段檢測電壓值高，后面管段檢測電壓值低，這與管道周圍填充物和土壤濕度有關，雖然不同管段檢測電壓值差異較大，但不影響整段管道電壓梯度曲線精度。所以擬流場法滲漏檢測系統適用于多種土壤濕度環境，不受晴天雨天限制。

4） 此管段檢測長度22.01 m，共有缺陷21 個，其中大型缺陷2 個，中型缺陷11 個，小型缺陷8 個，裂縫缺陷總長度0.306 m，缺陷總長度占管道總長度比例為1.38%。建議對6～15 m 污水管段范圍內做面狀重點修復，其他管段做點狀修復。

5 結 論

本文將擬流場法應用到非金屬污水管道裂縫檢測中，解決了高水位管道裂縫無法檢測的問題，設計并實現了污水管道擬流場法滲漏檢測系統。與目前市場上成熟的管道視頻機器人檢測方法進行了對比，實驗結果表明，擬流場法滲漏檢測系統檢測數據可靠，檢測精度高，能檢測出污水管道中絕大部分表面裂縫和隱藏缺陷。在工程項目應用中，本系統可以和管道聲納檢測儀一起使用，一次性檢測出高水位污水管道裂縫、塌陷、變形、淤泥等諸多異常問題。本文系統檢測成本低，檢測速度快，具有良好的市場應用價值。

注：本文通訊作者為王永濤。