路基排水工程及排水效果無損檢測研究

摘要 隨著城市建設發展逐漸加快，公路建設質量也越來越被國人重視。公路常常會產生積水現象，排水系統的建設作為衡量公路建設好壞的主要指標之一，特別是高等級公路的建設，其作用十分關鍵。當前公路路基管道的排水缺陷管道檢測技術（CCTV）作為我國最常用的公路管道檢測技術，仍然具有很多不足，比如不夠智能化和自動化，需要大量的人工鑒別。文章通過建立公路排水管道缺陷檢測集成系統，進行實地檢驗，并與CCTV進行對比分析。研究結果表明，與傳統的CCTV檢測相比，該系統平均檢測時間減少了45.6%，缺陷定位的最大誤差為0.42 m，且檢出率達到了100%。

關鍵詞 公路路基；排水管道；無損檢測；特征提取

中圖分類號 U417 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0076-03

0 引言

近些年，隨著城市化的快速發展及城市地區的不斷擴建和開發，公路建設也在逐漸加快，相關的城市排水系統也面臨一定壓力，導致城市地下排水系統出現泄漏的安全隱患。水分對于公路的質量起著至關重要的作用，而且路面和路基的穩固性直接受到水的影響，因此在許多情況下，水是導致各種道路病害發生的關鍵因素。公路路基排水系統泄漏，即指廢水通過破損的管道流入周圍環境，這種情況往往伴隨著土壤和基巖的損壞，可能引起水資源損失、出現天坑，嚴重時可能會破壞城市基礎設施。同時，也有部分研究表明，公路路基排水管道的泄漏可能會嚴重污染地下水資源，對環境生態和公共健康造成不同程度的影響[1]。

1 公路排水效果無損檢測方法

1.1 電法勘探

目前廣泛采用以巖石電阻率和電化學活性為主要研究方向的直流電法進行勘探，巖石的不同電學特性信息可以通過人工或自然電場的研究獲得，從而對水文和工程的地質問題進行判斷。電法勘探是在巖礦體電性差異的基礎上，結合電測深度和電剖面的特點進行的物探方法。該方法通過設置密度更高的觀測點，以獲取更詳細的地質信息，從而提高采集數據的精確性和抗干擾性[2]。

1.2 地質雷達

地質雷達主要是向地下發射超高頻電磁波，通過電磁波返回的信息探測地下介質的結構和分布，主要是對地下含有耗散介質的靶體進行探測，因此在發射波形、天線設計等方面均具有獨到之處。對公路地下界面或目標性質的檢測，則是通過發射天線將脈沖電磁波送入地下，并結合地球物理解釋模型對接收到的反射波的形態、幅度、變化特征等信息進行分析，進而判斷公路地下排水效果的基礎資料。

1.3 地震勘探

地震勘探主要是利用人工激發的彈性波，對地殼內地質結構進行研究。反射波和折射波是由激發點經錘擊或爆炸產生的彈性波向外傳播，檢測器接收到地下產生微弱震動的波，經過處理放大后轉換成電信號記錄下來。通過分析這些電信號，推斷出與公路地下排水工程相關的不同地層的深度、形狀和結構特征。地震勘探方法包括折射波、反射波和透射波等三種類型[3]。

1.4 瞬變電磁法

瞬變電磁法（TEM）是一種從結構層解決地下結構和特征的地質勘探方法，它通過向地下發送脈沖電磁信號，通過信號反射觀測次生電磁場的時間與空間分布。該方法的檢測基礎在于地下結構的不同，電阻率也具有差異，且遵循電磁感應定律。TEM可以在沒有一次場背景的情況下觀測純二次場異常，因此體積效益增加，旁側影響減少，而采用同點裝置時的解析力也有所提高，可以有效提升公路排水工程及排水效果分析的準確性。TEM技術最初在勘探金屬礦產等領域應用較多。目前，隨著技術的不斷改進，TEM不僅在勘測災害地質和環境地質方面發揮著重要作用，還在勘測橋梁、公路路基、建筑基礎、地熱和地下水資源等領域發揮著重要作用。

2 公路路基排水管道缺陷檢測方案

2.1 公路路基排水管道泄漏檢測技術

公路路基排水系統一般由挖方邊溝、填方邊溝、塹頂截水溝、平臺截水溝、排水溝及其縱橫向的急流槽等組成。公路路基排水管泄漏是公路建設與維護中常見的問題，涉及多個方面。首先，有管道本身的質量問題導致的泄漏，如管道材料選擇不當、安裝工藝不合理等。其次，維修不當也是導致排水管泄漏的重要原因，日常工作中應及時修補破損處或定期進行檢查維護。再次，開采挖掘活動也可能損壞排水管道，加劇泄漏風險。最后，地表過載、管線腐蝕及樹根深入也會對排水管道造成損害，影響其正常運行。在多種因素的綜合作用下，最終導致水土資源流失、地下水污染，并產生天坑等地質災害，對公路路基質量和交通安全構成潛在威脅。

該研究根據公路路基排水管道泄漏檢測技術特征的不同，將其分為三大類：首先對公路排水系統進行整體評估，包括其外觀和內部結構；其次通過土壤、航空熱成像、高密度電阻率法、探地雷達等測試周圍土壤、環境和電磁參數，判斷漏水的位置和滲漏的程度；最后則專注于從管道內部進行檢測，利用圖像、聲波和壓力變化等方式深入了解公路路基排水管道的缺陷情況[4]。公路排水管道查漏補缺的主要目標是發現滲漏情況，準確定位泄漏點位置，在實際工程中更應注重檢測效率的問題，該研究需要結合對相關檢測技術的速度和精度進行分析。

2.2 公路路基排水管道缺陷檢測方案設計

目前，公路排水工程及排水效果的檢測主要采用管道閉路電視系統（Closed Circuit Television， 簡稱CCTV）缺陷檢測技術，但是該技術的智能化和自動化較弱，需要進行大量的人工鑒別。因此，為提高公路路基排水工程中管道檢測的智能化和自動化程度，需要改進圖像采集和缺陷的檢測流程，采用智能化方法，提高檢測的準確性和效率[5]。依據《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》（CJJ 181—2012）相關要求，CCTV缺陷檢測系統應符合包括分辨率、爬坡能力、缺陷定位精度等多個方面在內的一系列技術指標。這些指標要求檢測設備在保證行進速度和缺陷縱向定位誤差在合理范圍內的同時，在公路排水工程管道內行走時能夠準確、快速地定位缺陷位置。CCTV檢測設備技術指標及檢測方法如表1所示：

3 排水工程及排水效果無損檢測案例

3.1 工程概況

該文以山西省晉中市某公路路基排水工程為研究對象，對其排水效果進行了檢測和分析。該工程包括12.9 km（直徑區間為DN200至DN500）長的排污管道和3座污水一體化提升泵站。該試驗區地勢平坦，河道平均比率降低至1‰～2‰，排水通道水位受潮汐影響下降明顯。目前排水系統采用的是雨污合流制，主要通過公路兩側的蓋板溝渠排除雨水和污水，而部分地區排水系統的重要組成部分就是依靠地面和路面進行自然排放。為解決排水過程中管道的安全性問題，亟須建立一套便于檢測管道內部損傷情況的系統。

3.2 檢測系統軟件設計

該文為通過Pycharm和QtDesigner這兩個平臺開放上位機軟件，用于構建檢測系統基本功能的軟件。啟動檢測后，在原圖像欄和檢測圖像欄分別顯示圖像流和公路排水管道缺陷的檢測算法。算法將在圖像偏離信息欄中顯示偏離程度、環向位置及軸向位置。當檢測系統檢測到管道缺陷時進行自動編號，同時還在缺陷檢測結果一欄顯示缺陷類型。

3.3 檢測結果分析

為驗證基于Pycharm和QtDesigner軟件設計的管道缺陷檢測系統，將其運用在該公路路基排水工程的標志性區間范圍內，兩個位置（位置1位于管道500 m左右，位置2位于管道1 300 m處）均位于管道路徑變化處，起到分流、排氣和檢查公路排水工程中管道狀況的作用。

3.3.1 位置1排水管道缺陷檢測分析

如圖1、圖2所示，給出了公路排水工程管道缺陷檢測系統的檢測精度和檢測時間對比圖。從圖中可以看出，公路路基排水管道缺陷檢測系統與CCTV檢測情況一致，最小誤差為0.04 m，最大誤差為0.37 m，均處在合理區間。公路路基排水管道缺陷檢測系統檢測的平均時間為7.8 min，而CCTV檢測系統平均檢測時間為14.5 min，前者平均檢測時間快了46.2%，但缺陷檢出率同樣達到了100%。

3.3.2 位置2排水管道缺陷檢測分析

通過對圖3、圖4的結果分析，可以知道公路路基排水管道缺陷檢測系統與CCTV檢測系統的檢測結果一致。與之相比，最小誤差為0.02 m，最大誤差為0.42 m。公路路基排水管道缺陷檢測系統檢測的平均時間為10.5 min，而CCTV檢測系統平均檢測時間為19.3 min，前者平均檢測時間快了45.6%，而缺陷檢出率同樣達到了100%。

通過對位置1和位置2的試驗結果進行分析，兩個系統查出管道缺陷的類型完全一致。該文設計的公路路基排水管道缺陷檢測系統最大定位誤差僅為0.42 m，相較于規程允許的最小定位誤差降低了0.08 m。此外，該系統缺陷檢測時間比CCTV缺陷檢測時間提高了45.6%，大幅度提高了工作效率，實際缺陷檢出率同樣高達100%。所以，這套系統可以較好地替代CCTV檢測系統。

4 結論

該文通過對公路排水工程及排水效果檢測方法的分析和總結，討論了管道的缺陷檢測方案，并基于山西省晉中市某公路路基排水工程及排水效果無損檢測進行了深入研究，主要得出以下結論：

（1）CCTV缺陷檢測技術是常用的公路路基管道缺陷檢測技術，但是該技術在人工智能和缺陷識別等方面還尚有不足，公路路基排水管道泄漏檢測技術仍面臨一定挑戰。在進行無損檢測時，需要綜合考慮不同的技術，結合具體檢測要求合理確定檢測方案。

（2）通過開展公路排水管道缺陷檢測集成系統的研發，利用Pycharm和Qtdesigner等平臺設計了檢測軟件。該平臺不僅操作簡單、快捷，并且可以通過數值展示使其更加直觀、清晰。該文所構建的管道缺陷檢測系統在缺陷定位方面的最大誤差為0.42 m，而檢出率卻達到100%，比傳統CCTV檢測的平均時間縮短了45.6%，整體檢測性能具有明顯優勢。

參考文獻

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[3]宋瑞寧，戴正暉，王宇，等.管網缺陷對城市排水系統模擬結果的影響[J].中國給水排水，2021（11）：125-130.

[4]劉艷海，李鴻，郭帥.南、北方3個城市排水管道缺陷統計分布特征比較研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2023（7）：930-935.

[5]吳慧英，江凱兵，李天兵，等.基于SWMM的市政排水管道泥沙淤積對溢流積水影響的模擬分析[J].給水排水，2019（11）：135-139.

收稿日期：2024-04-17

作者簡介：白曉菲（1990—），男，本科，工程師，從事公路勘察設計工作。