排水管线探测方法探究

冯 勇

(中航勘察设计研究院有限公司,北京 100098)

0 引 言

排水管线探测之所以是一项难题,主要原因在于排水管线多为砼、砖混、PVC等非金属材料制作而成,大多不导电、不导磁、基本绝缘;且排水井内有害气体积聚较多;下井调查危险系数高;以上不利条件都增加了探测的难度。与此同时,排水管线与我们日常生活息息相关,因此查清排水管线的属性信息,科学有效地管理排水管线,具有重要意义。

本文按调查过程中与目标管线的接触方式差异,列举出多种针对排水管线的探测方法,并结合排水管井内多样复杂的环境,对其各自的优劣程度、适用条件进行了分析,便于在实际作业中选择最优方法。

1 接触式探测

因排水管道中有毒有害气体聚集较多,对人体危害极大,一般不建议人工下井测量,本节所述方法均为仪器设备进入有限空间进行量测。

1.1 常规调查

作为排水管线探测最普遍也是最直接的手段,利用钢尺、测杆、测距仪等设备可直接获取管线的埋深、管径、连接关系、水流方向等属性信息。但对于井盖锈、焊死,或因雨水冲刷、污水腐蚀等日常运行损耗[1],导致管道内常有淤泥、积水等状况时,除在备注中记录该井现状,属性数据基本无法量测。

1.2 特制测深杆

现今城镇人口数量不断增加,生活废水排量随之增大,加之部分城市雨季降水量大,这些情况都会导致排水井内积水较多,调查人员会因为看不到排水管道而无法使用常规设备对其进行量测。特制测深杆利用棱镜杆自带刻度的特点,将其进行改造,去掉原底部定位器,自制一长约0.5 m的铁棒与原螺孔进行组装旋接(图1)。该装置可在管道内水流湍急、井内积水没过管顶的条件下对排水管线的管径和管内底埋深进行测量并确定方向,但在井内固体物质堆埋、管线埋深较深的情况下,无法准确测量管线的属性信息。

图1 特制测深杆

1.3 摄影测量仪

市政排水管井作为一类重要的有限空间,具有环境复杂、事故救援难度大等特点,作业风险较高,容易发生缺氧窒息、燃爆、中毒事故,造成严重后果。

采用北京林业大学精准林业重点实验室研制的地下管线摄影测量仪,根据单像摄影测量原理,利用平板电脑通过无线网络远程控制CCD镜头拍照获取单张井下像片,基于此进行单张像片解算[2]。通过拍摄过程中激光器发射出的绿色激光点在照片上的位置,确定照片中特征点(管径/方沟两端点、井室内顶点、管线外顶/内底点)的距离,从而实现不用人工进入有限空间测量,既能对井内的情况、管线材质有清晰、直观的了解,又可获取管径/方沟尺寸、井室尺寸、管顶/底至井室内顶埋深等属性信息(图2)。采用摄影测量仪对管顶埋深较浅的排水管道量测较为准确,测量误差一般在±5 cm之内,但在管顶与井室顶部距离过大的情况下,由于照片内无法找全特征点,通常会借助钢尺的辅助,而钢尺本身会随着深度的增加稳定性随之减小,测量误差也随之增大。

图2 摄影测量仪获取管线属性信息

1.4 示踪法

1.4.1 传统示踪法

探测不导电的排水管道时,可采用示踪法对其进行定位、定深。沿管道走向将能发射电磁信号的示踪探头或导线送入非金属管道内,在地面上用接收机探查探头所发出的电磁信号,据此信号变化确定地下非金属管线的走向及埋深[3]。示踪法探测非金属管道信号强、效果好。但管道必须有放置示踪探头的出入口,即必须有排水井或排水口等明显管线设施,且管道中水流强度能够带动示踪探头行进。此法限制条件较多,使用频率有限。

1.4.2 CCTV探测机器人法

目前部分排水管道检测设备机器人可加装信标发射器。遥控爬行器在管道内行进,地面上方依旧使用感应法对排水管线进行定位和定深(图3)。此法相对于传统示踪法限制条件较少,除管道内淤泥较多外,无水或积水情况下均可使用,且不用考虑水流方向影响。测量精度与金属管线隐蔽点探测精度基本一致。

图3 CCTV探测机器人法原理图

1.5 钎探法

当探测区域为填土而非硬化路面时,在管线埋设较浅的情况下可以考虑使用钎探法确定位置。钎探法操作简单,在条件具备的情况下定位快速准确,但限制因素较多,只能钎探土盖层的管线,并且容易造成管线损坏[4]。如排水管线材质必须为砼,管线大致走向需预先了解,管线上方基本确定无其他管类干扰,上层埋设的土质较松软。本法在市政道路周边的绿地、林地、公园等区域较为适用。

2 非接触式探测

当探测区域内无排水井或井盖被堆土、沥青压盖,量测仪器无法进入有限空间调查排水管线的相关信息时,利用相关设备通过地球物理探测手段可以在一定程度上解决管线的位置、埋深问题,但由于目标管线无外露点,且受周边环境影响较大,探测精度一般在±0.1 m甚至更大。

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2.1 地质雷达法

地质雷达法是一种用于确定地下介质分布的电磁波技术。地质雷达利用一个天线发射高频短脉冲宽频带电磁波,另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。探测所利用的电磁波中心频率一般为25～1 200 mHz[5]。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化,根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形等资料,可推测管线的结构、管径、埋深等信息。

雷达探测中的反射信号强度主要取决于上、下层介质的电性差异,电性差异越大,反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率,导电率越高,穿透深度越小;中心频率越高,穿透深度越小,反之亦然。

由表1可知,在排水管线探测中,管线的材质与土壤的电性差异相对于金属来说并不明显,充水的非金属管道的相对介电常数较大,波速小,反射波振幅小,很少出现多次反射波;而无水的非金属管道,反射波的振幅大,反射信号较强。因此在排水管线探测过程中,应充分考虑管内介质带来的影响[6]。

表1 部分介质的物性参数表

图4、图5为顺义区牛栏山镇下坡屯村道路病害检测项目中右堤路的雨水管线与下坡屯路的污水管线在雷达探测时显示的图像,其中雨水管线内无积水,而污水管线内有明显水流且水量较大,两者差异在图像中可明显判别。

图4 雨水管线(无积水)

图5 污水管线(有大量积水)

图4中测线位置423～425 m的区域出现多次反射波,而图5中测线位置439.5～441 m的区域反射波振幅较小。

2.2 高密度电法

高密度电法基本原理与常规直流电法相同,常用于地下障碍物(空洞、管道、抛石)等探测和地下地质体(构造、破碎带)调查。

高密度电法通过地下管线及其周边介质之间的明显电性差异,确定管线的位置与埋深。野外测量时,将全部电极(几十至上百根)置于剖面上,利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。各电极同时或不同时沿选定的测线按规定的电距间隔移动[7]。现场测量结束后,将所测数据导入计算机,通过自动反演,绘出电阻率反演剖面成果图。图6中水平距离15～18 m,深度位于地面下7.5～9.5 m的范围内出现低阻异常,经与既有资料核对,该处有一管径为1 200 mm的雨水管线,管内底埋深8.7 m,与探测情况基本吻合。

图6 高密度电法反演剖面成果图

2.3 地震映像法

地震映像法工作原理同地质雷达法类似,地质雷达利用高频电磁波,衰减快,但分辨率高;地震映像法利用弹性波,穿透力强,但分辨率低。两种方法各有所长,可互为补充[9]。操作时需要在地面布置的测线上牢固安置检波器,一般采用锤击震源。地震映像法既可以忽略目标管线上方浅层管线的干扰,又能探测大管径且埋深较深的非金属管线,但探测中对场地的平整度要求比较高;震源要求比较稳定,一般作为补充探测手段使用[10]。

3 辅助探测方法

在排水管线调查工作中,资料查询是管线探测前期准备工作中的重要任务。无论测区范围大小、复杂程度如何,查询到的资料对目标管线的属性能够进行补充与完善,对管线外业调查工作大有裨益。排水管线资料一般存放在各城市档案馆、排水集团公司、管委会等相关单位或部门。对于一些探测难度较大的排水管线,既有资料既可以作为探测成果的参考依据,也可以在建设年代、结构形式、使用情况等方面对探测成果进行补充。

4 探测方法分析

排水井内环境复杂多样,理想测量条件下可采用常规手段,但遇到井内或管内淤堵、管壁腐蚀破损、管内水流量大、管段存在隐蔽折点等情况时,选用适当的方法可以确保探测的效率及精度。以下结合相关工程实例对异常条件下排水管线探测方法的选取进行分析。

4.1 管线腐蚀严重

北京市南新华街东侧有一管段,两端污水井分别为W1、W2,管段内积水占全部管径截面的1/3,管底埋深约2.9 m。在W1中用钢尺量测管段管径为600 mm,在W2中量测该段管径为500 mm。因怀疑管内淤泥影响,又分别使用测深杆和井下摄影测量仪对管径进行了复核,3种测量方法所得到的数据如表2所示。

表2 钢尺、测深杆、井下摄影测量仪测量成果表

因管内存在污水和淤泥,摄影测量仪拍摄的照片无法显示并量测管底数据,所测为管径截面最大水平位置。而钢尺和测深杆量测均为管道截面竖向位置的最大距离,如管道材质为砼且建设年代较长,管内积水积泥,且污水具有一定的腐蚀性,造成竖向管壁变薄,影响管径尺寸的量测精度,而横向管内壁因受腐蚀程度较低,量测数据更为可靠。

4.2 管段存在隐蔽折点

四川大厦东侧有污水井W3、W4,探测过程中W3东北方向与W4西向管材、管径均一致,且周边无其他污水管井,但两井在位置与方向上无直连可能,因此怀疑W3～W4管段间存在隐蔽拐点,两井相对位置关系及周边环境如图7所示。

图7 W3～W4管段现场位置图

W3东北向管底埋深5.80 m,W4西向埋深5.86 m。针对埋深超过5 m的现状,使用示踪法或地质雷达法均超出仪器探测量程,且W4西向进入围墙自行车停车场,无法满足高密度电法布设电极的条件。此时可将排水管道检测爬行器(CCTV机器人)放入到管线的一端,即从污水井W4向西爬行,经过爬行测距及管道内的照明效果,确定自W4井中心向西8 m处为拐点位置,再从W3井向东北爬,确定至拐点距离为14.4 m,按照后方交会原理,确定拐点的最终位置W5。

4.3 探测方法分析对比

综合上述各种方法的优缺点及适用条件,考虑到管井、管道内环境的复杂多样性,排水管线探测方法比对如表3所示。

表3 探测方法比对分析表

5 结 语

(1)工程开工前,应做好前期准备工作,及时查找测区内既有资料进行核对,对探测工作可以起到事半功倍的效果。

(2)根据工程的现场条件、排水管线的现状及分布情况选择适当的探测方法。

(3)排水管道内出现淤堵情况时,使用测深杆调查的数据精度较高。

(4)排水管道内腐蚀严重时,井下摄影测量仪量测管径的精度更高。

(5)如遇管径较大的圆管/方沟,或管道偏离井中心较远的情况,采用钢尺测量与井下摄影测量仪(或潜望镜)结合的作业方式效果更好。

(6)如排水管段内存在暗点或暗井需要定位,在管内无淤堵的情况下可选择管道爬行器,如埋深较浅,可在爬行器上安置信标发射器,确定管线的位置及埋深。

(7)在排水井较少,排水管线埋深小于5 m的情况下,可采用地质雷达对其进行定位定深;如遇大管径且埋深大于5 m的时候,可在条件允许的情况下使用高密度电法或地震映像法。