三維激光掃描技術在城市排水暗涵檢測評估中的應用

胡 雍

（1.深圳市水務規劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518000；2.深圳市水務科技發展有限公司,廣東 深圳518000）

排水暗涵是城市排水設施中的重要組成部分。深圳在快速城鎮化的過程中,采取了先地上后地下、高速度建設、高負荷使用的發展模式,很多歷史遺留的老舊暗涵還在持續使用。但因時間久遠、資料不完善,導致暗涵的位置、走向等基本情況不明,同時大多數暗涵的檢修井間距過大、被埋沒甚至根本無檢查井,同時老舊暗涵上部常常存在違建、搭建的問題,導致管理單位日常管養維護困難,無法及時發現暗涵存在的隱患[1]。如2019 年8 月28 日,深圳市羅湖區發生的居民樓垮塌事件,從官方通報來看,與樓下的排水暗涵存在關聯。由于暗涵一般存在時間較長,在運行過程中,長期被水沖刷,周圍邊界條件也較早期發生了較大的變化,暗涵內常常存在一定的安全隱患[2],同時這些隱患通常具有隱蔽性強、危害性大的特點[3],在不進入暗涵檢測的情況下,不易被發現。因此,對現有的排水暗涵進行全面調查、檢測評估有著重要意義。

三維激光掃描技術因其特殊的數據采集模式,在做好安全措施保證作業人員安全的前提下,利用暗涵進出口明顯特征點以及暗涵段已有的檢查井,可以解決暗涵三維位置的準確測量以及對暗涵外觀的全面掃描,是暗涵檢測的一大利器。

1 工程概況

本工程位于深圳市光明區新湖街道,暗涵長度約400 m,暗涵出水口接入茅洲河,經前期摸查,暗涵上游大概走向已知,但暗涵地表變化大,從途經學校、從高速公路下方穿過、穿過工業區等,地面檢查井稀少,同時局部暗涵段淤積較多、積水較深,常規測量手段開展難度大,為完成暗涵的檢測評估,項目組提出了三維激光掃描與地表特征點相結合的工作方法,獲取暗涵的三維信息及外觀缺陷。以期為下一步暗涵評估及隱患整治提供基礎資料。

2 工作方法

三維激光掃描技術被譽為“測繪領域繼GPS 技術之后的又一次技術革命”[4],它是一種先進的全自動高精度立體掃描技術[5],可以快速獲取目標物體表面大量的點云數據,將實體信息轉換為可直接處理的數字信號[6]。儀器啟動后,經過自動校準和自動整平后,開始掃描作業。由激光發射器向外發射激光束,通過高速旋轉反射鏡掃描目標物體表面,信號原路返回,接收器在接收后計算出儀器發射點與目標物體反射點之間的距離,同時記錄激光信號的橫向角度、縱向角度,以激光發射點為坐標原點,通過三維坐標系即可計算被測點的三維坐標[7]。

為保障測量精度,需保障相鄰兩個激光掃描測站有一定的重復率,便于后期點云配準、拼接成一個整體。點云配準是將每站掃描出來的儀器自定義的不同坐標系進行旋轉和平移,使得每一站的點云數據統一到同一個坐標系下。具體配準原則為：對比待配準測站點云與已配準的基準點云進行對比,找出兩個點云間的共同的明顯特征點,利用特征點由數據處理軟件求解配準參數并配準[8]。

三維激光掃描結束后,根據出入口及檢查井的位置,布設控制點,獲取特征點（棱角點、檢查井等）的真實坐標,控制點坐標應在暗涵的上、中、下游均有布置,并確保控制點已被完整掃描,便于進行地理坐標轉換時,提高轉換精度。本次使用的激光掃描儀型號為Trimble（天寶）X7,是一款脈沖式激光掃描儀,數據處理軟件為Trimble Realworks。

檢測過程中,作業人員穿好安全防護用品（氧氣瓶、安全帽、雨褲、氣體檢測儀、對講機等）,2 人一組開始作業,地表配備通訊人員。作業人員首先在露天的出水口周圍架設測站,以便掃描周圍特征點信息,然后進入暗涵連續掃描,一般以兩倍的涵高作為測站間的距離,在暗涵有明顯特征處（如拐彎、檢查井、排放口、大體積障礙物等）加密測站,以便完整掃描到暗涵的空間信息。最后通過GPS-RTK 技術獲取暗涵外部特征點（檢查井、河口護欄等）的絕對坐標,作為后期點云數據地理坐標轉換的依據。

3 檢測成果分析

經過將外業采集的激光掃描數據進行配準、去噪、地理坐標轉換后,得到了具有真實坐標的暗涵點云數據（見圖1）。對比地表檢查井坐標與三維激光轉換后的檢查井坐標數據間的誤差大小,確保數據精度滿足規范要求。

圖1 暗涵點云數據

暗涵共分三段（如圖2 所示）,第一段暗涵長度為73.4 m,材質為漿砌石蓋板涵,從某理工大學教學樓下方穿過,排入茅洲河截流渠；第二段暗涵長度為55.96 m,材質為鋼筋混凝土箱涵,從某高速路下方穿過,下游經明渠流入第一段暗涵；第三段與第二段間存在一段天然溝渠,暗涵長度為290.96 m,材質為漿砌石蓋板涵,暗涵穿過廠房、工業園區,上游為明渠。

圖2 暗涵平面位置示意圖

3.1 暗涵外觀缺陷

根據深圳市水務局發布的《深圳市暗渠化河流安全檢測與評估暫行指南》對暗涵發現的外觀缺陷進行分類分級,其中Ⅰ級缺陷危害最嚴重,Ⅳ級缺陷危害輕微。三段暗涵外觀缺陷如下：

（1）影響過流缺陷統計

第一段暗涵：異物侵入Ⅳ級1 處,殘墻Ⅳ級1 處,淤積Ⅳ級1 處；

第二段暗涵：淤積Ⅳ級1 處,管線順穿1 處；

第三段暗涵：異物侵入Ⅰ級1 處,異物侵入Ⅲ級10 處,異物侵入Ⅳ級1 處；

暗涵內的異物穿入、管網順穿、淤積的典型照片（見圖3、圖4）。

圖3 異物穿入典型照片

圖4 淤積、管網順穿典型照片

（2）結構表觀缺陷統計

第一段暗涵：共發現結構表觀缺陷11 處,其中Ⅱ級缺陷2 處,Ⅲ缺陷7 處,Ⅳ級缺陷2 處；

第二段暗涵：未發現結構表觀缺陷；

第三段暗涵：共發現結構表觀缺陷31 處,其中Ⅰ級缺陷1 處,Ⅱ級缺陷0 處,Ⅲ缺陷21 處,Ⅳ級缺陷9 處。

缺陷統計（見表1）。暗涵存在的墻體空洞、墻體裂縫、頂板剝蝕、鋼筋裸露、頂板變形、墻體垮塌、砌體松散的典型照片（見圖5～圖10）。

表1 暗涵結構表觀缺陷統計表

圖5 墻體空洞典型照片

圖6 墻體裂縫典型照片

圖7 頂板剝蝕、鋼筋裸露典型照片

圖8 頂板變形典型照片

圖9 墻體垮塌典型照片

圖10 砌體松散典型照片

3.2 暗涵排放口調查

根據暗涵點云模型,可獲取排放口尺寸、管底標高、平面坐標以及存在的隱患（如堵塞、垮塌等）,結合外業作業記錄中記錄的管材及水流情況（為排放口定義及后續溯源提供材料）,可以形成排放口臺賬,樣表（見表2）。

表2 暗涵排放口統計表（部分信息）

三段暗涵共發現排放口39 個,其中第一段暗涵有5 個,第三段暗涵有34 個,第二段暗涵無排放口。排放口的材質有HDPE 雙壁波紋管、PVC、鋼筋混凝土以及磚砌。典型照片（見圖11、圖12）。

圖11 HDPE 雙壁波紋管典型照片

圖12 鋼筋混凝土管典型照片

3.3 暗涵檢查井調查

根據暗涵點云模型,可獲取檢查井尺寸、間距、平面坐標以及檢查井存在的隱患,并按指南進行安全等級評估,可以形成檢查井檢測臺賬,樣表（見表3）。

表3 暗涵檢查井統計表（部分信息）

三段暗涵共發現檢查井11 個,其中第一段暗涵有3 個（安全等級Ⅰ級1 處,Ⅱ級2 處）,第三段暗涵有8 個（安全等級均為Ⅱ級）,第二段暗涵無檢查井。檢查井普遍存在無爬梯、無防墜網的問題,部分檢查井井壁有裂縫。檢查井及無井蓋暗井典型照片（見圖13、圖14）。

圖13 檢查井典型照片

圖14 無井蓋暗井典型照片

三維激光掃描獲取到測量成果、外觀檢測成果、排放口檢測成果、檢查井檢測成果可同其他暗涵檢測成果（如強度、銹蝕程度、耐久性、周圍土體隱患檢測等）綜合對暗涵整體進行評估。

4 結語

（1）本文以三維激光掃描技術在深圳某暗涵檢測評估中的應用為例,對三維激光掃描的原理、優點以及在暗涵內可以解決的問題進行了論述,印證了該技術在定位測量、三維建模、外觀檢測、排放口調查、檢查井檢測中的突出作用,為暗涵的檢測評估帶來了極大便利。

（2）城市暗涵通常有流水或積水,三維激光掃描很難發現暗涵底板存在的缺陷,需要依靠檢測人員在進行數據采集時,有針對性的檢測,特別是對排口附近的底板（易受沖刷）進行檢測,避免遺漏底板的淘空隱患。