淺談密集構筑物區黑臭暗涵的探測方法

陳 勇，許傳貝，王青峰，方建國，陶小飛

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

隨著社會快速發展，城市人口不斷增長，產生的廢（污）水迅猛增加且未經處理或處理不達標即排入河道中，使河道水質受到嚴重污染，形成黑臭水體，部分污染物沉積在河道底部，形成黑臭淤泥[1]。寧德市中心城區南大塘排洪渠、東湖塘北港等水系為黑臭水體。為貫徹落實國家《水污染防治行動計劃》（水十條）中“到2020年，地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內；到2030年，城市建成區黑臭水體總體得到消除的目標”，對寧德市中心城區水系進行綜合治理十分必要[2]。

河道清淤技術和相應的探測方法在我國水利行業已經得到普遍的應用，但對于城市密集構筑物區黑臭暗涵的探測方法研究目前相對匱乏。本研究基于寧德市中心城區水系綜合治理工程，深入探索密集構筑物區黑臭暗涵的探測方法，為城市密集構筑物區水環境治理提供方法支撐。

2 工程概況

寧德市中心城區水系綜合治理工程位于寧德市蕉城區和東僑經濟技術開發區，包括了3個流域片區，分別是：金涵片區、金港片區、鐵基灣片區。水系由21條溪流組成，總長約72 km。受客觀基礎條件制約，目前中心城區污水管網尚不完善、終端污水處理能力不足、內河生態補水缺乏等問題，城區內坪塔溪、后崗溪、古溪、后山溪等暗涵段以及東湖塘北港段等尚未徹底清淤的河道，暗涵段總長度約6.4 km，其中南大塘排洪渠、東湖塘北港等水系為黑臭水體暗涵長4.8 km。

該工程暗涵長度大，埋深大，覆蓋物復雜，周邊分布城市道路及建筑物，暗涵內部空間有限，淤泥深度未知，檢查井少，通風設施少，空氣不易流通，照明困難，需要大量排水與封堵，水質達標要求高，暗涵探測困難。因此，開展城市密集構筑物區暗涵探測方法研究具有重要實際價值。

3 黑臭暗涵的探測方法

3.1 人工初步排查探測

在空間稍大通風良好且不存在有害氣體的工作環境下，可以先通過人工依據圖紙對施工區內暗涵管線檢查井進行開井排查，并進行編號、拍照取證，初步確認排查探測范圍。

3.2 管道潛望鏡探測

3.2.1 工程所用設備介紹

管道潛望鏡是一種以遠程視頻采集并進行回傳分析為主要工作原理的檢測設備，具備激光測距、視頻變焦檢查、無線傳輸等功能；同時配備了強光源和便攜式電源以及伸縮桿，又稱QV潛望鏡[3]，伸長后可達6 m；也可配備爬行器（機器人），又稱CCTV管道機器人[4]；且產品具有防水功能，可將設備送至所需工作位置，適用于檢查井分布較密或有明確標示的暗渠。目前，已廣泛應用于市政排水管道快速勘察，隧道涵洞內部空間狀況檢測等。

3.2.2 工程應用

在本工程中管道潛望鏡應用于窨井、檢修井、市政雨污水管網、暗涵及孔洞的探測。可通過檢測畫面直觀地判定管道內部塌陷、堵塞、錯位、非法插入、裂痕等各種缺陷狀態，為河道清淤提供評估依據。有下列情形之一的應中止檢測：①管道內充滿霧氣，影響圖像質量；②其他原因影響到圖像質量；③爬行器在管道內無法行走或推桿在管道內無法推進；④鏡頭沾有污物；⑤惡劣的天氣狀況影響。

工程中實際使用應根據人工排查的結果，確認重點排查范圍，再通過QV潛望鏡進一步確認。然后根據QV潛望鏡檢測結果，對于工作空間有限、通風不良或存在有害氣體的暗涵通過CCTV管道機器人檢測。設備及其工作環境如圖1所示。

圖1 CCTV管道機器人及其工作環境

3.2.3 評估方法及標準

CCTV管道檢測的其中一項最重要的內容就是對影像數據信息的判讀,具體包括確定管道內部缺陷種類、等級、位置表述和管道狀態評估計算方法[5-6]。國內將管道缺陷分為結構缺陷和功能缺陷，結構缺陷主要與管道的物理狀況、構造和損壞程度有關；功能缺陷與排水系統的狀況是否達到服務的標準和排水能力要求，以及潛在的堵塞和水密性有關。

結構評估時管道運行狀況系數用S表示，其數學表達式為：

式中:i為變量，取值1，2…n；L為被評估管道的總長度；Li為第i處缺陷縱向長度；Pi為第i處缺陷權重；n為結構缺陷總個數。

結構缺陷參數用F表示，其數學表達式為：

管道評估時，某段管道的狀況是依據結構缺陷參數F，地區重要性參數K，管道重要性參數E、B和地質條件參數T來確定的，但每種參數所占的權重不一樣。管道維修指數RI計算公式為：

功能評估時管道運行狀況系統用Y表示，其數學表達式為：

式中：k為變量，取值1，2…n；L為被評估管道的總長度；Lk為第k處缺陷縱向長度；Pk為第k處缺陷權重；m為功能缺陷總個數。

功能缺陷參數用G標識，其數學表達式為:

管道維護指數MI計算公式為：

MI=0.8G+0.05K+0.05E+0.05B+0.05T

具體評估標準及建議見表1[7]。

表1 評估標準及建議

3.3 地質雷達探測

3.3.1 工程所用設備介紹

探地雷達（GPR）是一種新型的無損探測方法，探地雷達系統一般由主機、天線（包括發射天線和接收天線）和顯示器組成，其工作原理是利用天線向地下發射電磁波，通過接收地下目標的反射回波，來實現對地下目標的探測和成像，分析雷達剖面中反射信號的振幅、相位、頻率和雙程走時等，對地下目標進行定位，分析其幾何形態和物理性質，適用于檢查井分布稀少或無檢查井標示的暗渠以及全段封閉的暗渠。探地雷達具有快速、無損、不易受到干擾等優點，已廣泛應用于土木工程檢測和深空探測中[8]。

3.3.2 工程應用成果

探地雷達在本工程中的探測成果見表2。

表2 地質雷達探測成果

3.3.3 三維探地雷達介紹

常用的探地雷達掃描方式為橫向掃描（B掃描），而三維探地雷達數據一般需通過C掃描方式獲取，設定相鄰測線的間距小于最小波長的四分之一，然后采集一系列測線相互平行的二維剖面，并將這些二維數據組合成三維數據。相比較傳統地質雷達，三維地質雷達效率更高，其結果更加直觀可靠，后期數據處理能力和準確性有明顯提高[9]。

3.4 聲吶探測儀探測

3.4.1 工程所用設備介紹

聲吶探測儀是一種利用聲波，通過電聲轉換和信息處理，完成水下探測的電子設備，有主動式和被動式兩種類型。聲吶檢測法是將聲吶置于暗涵管道內，進而測算其斷面尺寸、形狀，以及檢測管內沉積物和凝結物等，且可以識別大于3 mm的開放型裂隙[10]。這種方法的缺點是聲吶傳感器需要通過線纜與位于地面的聲吶處理系統相連，這就要求待測區域要有檢修井，此外檢測范圍也會受到線纜長度的限制。

3.4.2 水下成像聲吶設備介紹

水下聲吶成像原位觀測系統（雙頻識別聲吶探測儀）能夠主動發射兩種頻率的聲波，聲波遇到物體反射回來被探頭接收，經聲學成像系統的信號處理可以在顯示屏上顯示物體的影響[11]。該儀器可運用聲頻“鏡頭”在昏暗的水體中生成幾乎等同于影像質量的圖像，完全擺脫光線和渾濁對水下觀測的影響，可用于暗涵管道調查等水下工程探測，最大工作深度可達300 m。

3.5 電位探測技術探測

電位探測技術是一種利用直流電供電裝置在管涵上方地面布設探測電極，借助水的導電性來檢測管涵周邊電信號的方法[12]。當探測段不存在排口時，電信號保持平穩，而存在排口時會出現異常電信號，且越靠近排口，異常電位值越明顯。該技術還可以判斷管涵與周邊檢查井的連通性，通過導電性差異探測與上游相連的檢查井。電位探測技術需要在管涵有水的狀態下進行，而探測距離、管涵內環境等對探測結果影響不明顯，但要求暗涵管道為非金屬材質，該方法適用于檢查井分布稀少或無檢查井標示的暗渠。

3.6 人工最終確定探測

對于復雜暗涵管道采用其他探測方法有疑問的或不能探測清楚的暗涵管道，在足夠工作空間的條件下可以采用人工方法如釬探、鉆探或者開挖、下井等手段進行最后的探測來確定淤泥分布特征、分布長度、厚度及其主要組成物質。

（1）實際工程中首先要進行有限空間作業防護，箱涵內作業照明也要采用低壓防爆照明燈具[13]。防護措施如圖2所示。

圖2 有限空間作業防護（左）、強制通風（中）、氣體檢測（右）

（2）強制通風，按照有限空間作業要求，空間風量不小于0.8 m/s或每小時換氣20次[14]。

工程中采用開敞式進行持續通風，在作業過程中對氣體濃度進行實時監測，合理安排單次短時作業時間。對暗河段合理開孔強制通風，氣體檢測合格后方可進入探測。根據暗涵管道橫截面積，依據規范計算得出應在工作區間上游檢查井口布置1臺30 kW軸流式風機用于鼓風，下游布置1臺30 kW軸流式風機用于排風。

（3）箱涵作業人員工作1h后必須上地面休息15 min以上再下箱涵繼續施工作業。

作業人員進入箱涵前由監護人員檢查各種設備是否穿戴整齊和正確。在箱涵作業時，作業監護人員不得少于2人，應與箱涵內作業人員保持實時聯絡通訊；作業人員在進入箱涵后，應先向作業監護人員報告本次作業點，最遠位置距離，最近出口正常通行所需的時間；禁止未經過有限空間作業培訓人員進入箱涵作業；從事有限空間危險作業的人員須佩戴安全帽、安全帶及安全繩；有水時還要穿戴好下底服、皮衩、救生衣等。具體防護工作及探測結果如圖3所示。

圖3 防護工作及探測結果

4 結語

本研究以寧德市中心城區水系綜合治理工程為例，探討了城市密集構筑物區狹小作業空間下黑臭暗涵的探測方法，對于含有深厚淤泥的狹小黑臭暗涵一般應進行：①人工初步排查暗涵范圍；②對于有明確出入口或檢查井的暗涵，可以先采用QV潛望鏡初步探測，再進行CCTV管道機器人視頻探測；③對于出入口不明確、檢查井稀少的暗涵，可以采用地質雷達或者聲吶探測儀初步探測，必要時可以選擇車載型三維探地雷達或者水下成像聲吶探測；④對于全封閉的暗涵可以采用地質雷達、三維探地雷達或者人工釬探、鉆探、開挖、下井等探測方法。實際工程中應根據地質條件、水文條件和社會經濟情況合理選擇綜合性探測方法進行探測。