新時期排水檢測數字化嘗試
——以龍華區為例

文／傅巍 深圳市龍華排水有限公司 廣東深圳 518000

引言：

城市的正常運轉表現之一是排水系統的暢通運行，而排水系統運行受多因素綜合影響，需要加強日常的排水管道檢測和系統巡查。傳統的排水檢測多采取人工方式，需要作業人員佩戴專業設備進入到管道井內檢查，或者使用反光鏡、量泥桿等工具進行檢測，耗費大力的人力物力，檢測時效性差，且適用范圍較窄。在一些河道擋墻區域也存在邊坡坍塌風險，對于排水檢測來說是不小的挑戰。隨著技術的創新，新型數字化檢測技術問世，特別是雷達探測技術、數字化監測系統的問世，為排水檢測提供數字化技術支持，也突破了邊坡檢測的局限。

1、排水系統檢測概述

排水系統檢測必不可少，這是因為隨著排水系統使用年限的增加，排水管道及附屬設備等很容易出現結構受損、性能下降的情況，如果檢測不及時、隱患處理不到位，很容易出現排水事故。而使用先進的技術進行排水檢測具有現實必要性，可以發揮數字化自動檢測優勢，及時獲知排水系統的實際運行情況及對周邊地質影響，及時明確故障區域，根據一定的優選原則對存在嚴重缺陷的管道進行維修，以減少事故的發生，減少經濟損失。目前，隨著排水系統檢測工作深化開展，在檢測中根據區域實際選擇先進的數字化檢測技術，實現了排水管道的科學檢測與評估，實現了非開挖修復的嘗試。在實際的排水系統檢測中常見的檢測技術有傳統方法類目下的直接目測法、反光鏡法、潛水員檢查法等。而在儀器檢測類目下主要對應CCTV、聲吶檢測。一些新型的管道檢測技術也相繼問世，如SSET、SAM。不僅實現了大規模、高效率的檢測作業，也能有效應對邊坡坍塌風險。

2、龍華區排水系統檢測現狀

龍華地區排水檢測任務較重，不僅排水系統分布廣泛、管網復雜，且邊坡類型復雜，不僅有漿砌石擋墻、混凝土擋墻、加固擋墻，也有自然山體邊坡，給檢測帶來了很大的難度。隨著技術的創新和管理部署的優化，龍華區排水管道檢測也逐漸步入正軌，一些新技術逐漸得到有效運用，取得一定的檢測實效。如在管網內部檢測方面，檢測作業班組熟練運用QV（管道無線潛望鏡）、CCTV（閉路電視檢測）檢測工具，對轄區內大部分排水管道做到快速、高效檢測。與此同時重點引進探地雷達、管中雷達等先進設備，提前探測地下空洞，及時發現，避免塌陷，取得了理想的排水管道檢測效果。其中建立三維城市空間地質綜合管理平臺，實現了一張圖的監管布局和一個平臺下的聯動檢測。一張圖檢測布局既關注地上設施全要素，如邊坡、擋墻、壩體、巖土。也關注地下設施全要素，如供排水管網、燃氣管道與供電管道。以統籌監管保證檢測監管的全面性。在一個平臺的支持下則實現了統一監測、全周期管理、聯動分析、精準預警與調控的統籌。龍華區在數字化排水檢測技術的應用探索中也建立了四大技術支撐體系，四大技術分別為探地雷達技術（主攻地面塌陷防治）、管中雷達技術（主攻在超深管網隱患排查）、邊坡雷達（主攻立體地質排查）、智能形變監測儀技術（支持全天候智實時監測、實時感知邊坡結構變化），在高水位管道、箱涵檢測，滿水位管道檢測，大埋深管道外部缺陷檢測中實現了新突破，也實現了漿砌石擋墻、混凝土擋墻、加固擋墻以及自然山體邊坡坡面整體全覆蓋的滑動面檢測，實現坡體中的病害體，包括脫空、空洞、過水通道的檢測。對比傳統的人工檢測技術，改變了巡查效率低，無法對邊坡進行全天候監測的情況。突破了邊坡縱深大，探測手段無法掌握內部地質情況的局限。在數字化檢測技術的支持下也實現了科學的災害預警，排水管道事故應急處置能力明顯提升。

3、龍華區排水管道數字化檢測——管中雷達

龍華區早期規劃建設標準偏低，汛期受連續強降雨天氣影響，極易誘發邊坡、擋墻垮塌、地面坍塌等次生災害，排水管道檢測難度較大。龍華地區排水系統檢測通過運用博銘維全地形機器人設備Gator-S1 及博銘維動力聲吶檢測機器人設備OTTER-S1（鴨嘴獸），雖然在技術的支持下解決了管道高水位、高淤積等復雜工況下水上水下的全覆蓋檢測，但也存在諸多不足，特別是大埋深管道外部缺陷檢測中具有一定的應用局限，亟待新型數字化檢測技術的檢測支持。而管中雷達檢測技術發揮實效。

3.1 管中雷達檢測技術概述

管中雷達作為一種新型的雷達監測系統，兼容多種頻率天線，實現360 度無死角全空間檢測，且不受管道埋深限制，在多管徑中靈活作業。既支持管道周邊地質病害的探測、管道周邊土壤回填密實度的探測，也支持管道周邊灌漿密實度探測。其主要通過下井獲取管道外部雷達圖并提取雷達數據進行處理，最終通過數據分析形成檢測報告，檢測作業更高效。

管中雷達發揮其人性化操作優勢和信息集成優勢，進行全空間檢測。設備搭載的集成高清攝像頭與地質雷達檢測技術同步，沿管道軸向及徑向進行雙向檢測，實現管道周邊隱患的全空間檢測與排查。設備從管中對管道周邊進行探測，距離探測目標更近，更有效地解決地面探測時地質雷達探測深度與分辨率的取舍問題，能精準探測空洞、脫空、疏松體等病害，明確其形狀、大小、分布及位置。而其具備高清攝像功能，實現360 度旋轉，更方便查明管道內部缺陷。例如龍華區管網普查中，利用特種管網機器人技術，通過其搭載的可視云臺和雷達，對管道周邊存在的空洞、脫空、疏松體、富水體等病害檢測。

3.2 應用實踐

龍華區使用在排水檢測中使用博銘維管中雷達機器人設備SmartMole-PPR。管中地質雷達機器人SmartMole-PPR (Pipe Penetrating Radar) 搭載CCTV 高清攝像頭和地質雷達,進入非金屬管道中，向管道周邊發射電磁波進行探測,同步采集管道內部視覺影像和機器人坐標位置等信息，有效可靠的探測地下管道周邊存在的空洞、脫空、疏松體、富水體等病害的大小與分布以及管道周邊土壤回填密實度或灌漿密實度，為城市地下安全維護、管線管理、基建施工等提供依據，有效預防城市道路塌陷。

4、龍華區排水管道數字化檢測——邊坡雷達、邊坡感知監測儀

4.1 龍華區邊坡檢測痛點

通過實地的調研，目前龍華區的邊坡大致可以分為4大類，漿砌石擋墻、混凝土擋墻、加固擋墻以及自然山體邊坡。每種邊坡分布的場景也比較復雜，有分布在河道兩側的，公路兩側的，以及工業區和居住區的。整體邊坡的種類多，場景復雜，給檢測帶來了很大的難度。檢測時需要從三個方面出發，對坡面整體全覆蓋的滑動面檢測。對坡體中的病害體，包括脫空、空洞、過水通道的檢測。以及對坡面防護墻的厚度、寬度等的結構檢測。現行的邊坡檢測主要依賴定期的巡檢，以及人工的雷達檢測。若邊坡坡面陡峭，而且人工檢測大部分情況需要下到河道，危險度很高。此外人工檢測的覆蓋面不足，對中高部坡面難以檢測。整體的邊坡檢測效率比較低。是現行邊坡檢測的痛點與難點。

4.2 邊坡雷達、邊坡感知監測儀應用

邊坡雷達使用機械設備代替人工，實現更安全的檢測。通過多檢測模式與多通道雷達同步檢測，實現對邊坡坡面的高效全覆蓋檢測。通過邊坡雷達車的不同功能設計，以適應更多的邊坡場景，達到普適性的效果。邊坡雷達從上往下與從下往上的兩種檢測模式可自由調節。多個功能的設計可以實現不同的檢測姿態。設備搭載了兩個高清攝像頭，不僅可以實時監測雷達對坡面的檢測過程，也同時實時監測邊坡雷達車運行前進后退方向上的路況。邊坡雷達車的懸臂角度可以通過電控來調整，以貼合不同坡度的坡面。搭載了多通道的雷達可以實現一掃一面，同時對邊坡內部深淺并探。基于多通道雷達的數據，借助數據后處理軟件可以實現對邊坡內部的三維動畫展示，這樣更有助于作業人員對邊坡內部病害的判斷。

龍華區也推出了邊坡感知監測儀，進行系統化的監測，利用監測手段做好邊坡擋墻的實時關注，獲取邊坡擋墻動態變化，系統根據預警值發出預警報告。在實踐中建設福城街道城市邊坡擋墻智慧監測系統，通過系統三維可視化功能，對建設福城街道城市邊坡擋墻情況進行實時模擬，通過遠程操作了解邊坡狀況，實現應急指揮與決策。通過對邊坡進行自動化監測了解邊坡動態變化情況，為政府職能部門邊坡應急處理提供詳實的數據支持。應用中先建立基礎臺賬，進行隱患點基礎數據的管理和隱患點可視化分布管理。前者對隱患點兩卡一按數據、歷年工程資料等進行統籌歸納，后者則通過可視化分布手段展示隱患點分布情。巡查人員對隱患點進行數據采集并上傳到監測系統，由監測平臺對巡查數據進行管理及核實。傳入的地質災害點、設備數據進行標準統一管理，數據一鍵導入與導出。在監測平臺的作用下，實現對智能化監測設備的遠程控制、遠程升級、指令下發，并做到流量監控、自費監控，使得設備運行狀態良好。監測平臺具有完整的設備運行狀態分析機制及四級聯動預警機制，當設備數據傳輸及數據值分析設備存在問題時發出預警，促進問題的快速解決。

5、龍華區排水管道數字化檢測——探地雷達

5.1 探地雷達檢測技術概述

探地雷達檢測技術主要利用電磁穿透地面原理，進行地下排水管道及周圍土層檢測，是當前應用效果較好的無損檢測技術。一般配有雷達的移動電臺會沿著排水管網持續移動，使用不同頻率天線完成反射信號的收集，并對探明的不同位置的觀測值進行連接，生成管道及周圍圖層的圖像，及時幫助工作人員了解地下排水管道實際情況及周圍土壤現狀。雷達探測技術探測深度與波長呈正相關關系，但波長過大會導致分辨率降低，在使用該技術時應做到分辨率與穿透深度之間的合理權衡。目前探地雷達無損檢測技術在淺層地下排水管道普查中發揮實效，可以查明排水管道是否存在暗管、暗溝等系列問題，在城市地下排水管道探測中具有高效、無損、分辨率高等優勢。探地雷達檢測技術也支持對排水管道周圍土質的檢查，及時探明管道是否存在坍塌風險，具體表現為探明管道周圍土質是否為疏松質，及時判斷分管道破裂引起的空洞體問題。無論是磚砌排水管還是輸水渠、小管徑排水管都可使用該技術，應用場景多元。目前龍華區使用探地雷達檢測技術排查地面塌陷隱患取得了理想效果。探測任務于2021年1月中旬正式開展，至2021年12月對龍華區內六個街道（觀湖街道、民治街道、龍華街道、大浪街道、福城街道、觀瀾街道）探測測線長度達257km。提供了探測所得地下空洞情況數據資料，為制定隱患點的整治方案制定和工程實施提供了技術依據。龍華區土類以赤紅壤為主，土層較厚，質地較黏重，肥力較差，呈酸性，潮濕赤紅壤對電磁波有較強吸收能力，實測深圳市市政道路地質雷達探測有效深度約為2.5-3m。

5.2 龍華區探地雷達檢測裝備

采用加拿大Sensors & Software Inc 公司提供的SPIDAR 系列天線雷達，見圖1，以及中科院電子所CAS 雙頻雷達。其使用方法和原理是通過向地下發射高頻電磁波，根據接收到的電磁波的波型、振幅強度和時間的變化特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。由探地雷達系統中的窄脈沖發射源通過發射天線向地下發射高頻寬頻域單脈沖，該地下脈沖在向探測物體內部傳播過程中，遇到不同電性介質界面產生不同強度的反射，通過接收天線在全時域上的接收后向散射及反射電磁波，再利用接收到的反射電磁波電磁學特征及發、收天線幾何位置關系經過數據圖像信號處理，得出探測體內的反射體空間位置及形態。

圖1 SPIDAR 系列天線雷達

5.3 龍華區探地雷達檢測流程

首先進行外業數據采集。根據試驗結果確定采集參數后，開始正式數據采集工作，在采集的數據圖像正常時盡量保持采集參數不變。在道路主干道上采用車載進行探測，車速小于10km/h；在道路步道上采用手推車進行探測，速度為1m/s 左右。數據采集時盡量避開流動干擾源，交通繁忙地段無法避開時采用夜間施工的方法。各個路口、橋區路段、歷年塌陷區域和現狀路面缺陷區域作為重點探測區段采用詳查的探測方式。采集出現不合格原始數據時，及時分析原因，如因人為原因造成的不合格應及時返工，并采取預防和糾正措施。

其次進行數據分析。采集到的數據使用配套的EKKO_Project V5 基礎版進行分析。EKKO_Project V5 可運行于Windows 操作系統上，用于對采集的雷達探測數據進行處理和分析。雷達探測經過軟件的濾波，背景吸收，增益，比例調整，速度分析等處理，即可呈現出較為清晰直觀的圖像。根據反射波的強弱、波形等特征，在圖像上確定出對應的探測異常區域，并對其性質進行初步判定。分析雷達波的相位、頻率與振幅等特性，識別出土層擾動異常，并根據異常特征確定道路病害等級。結合地質資料、道路結構信息、市政工程信息、被探測體的性質和規模等進行綜合分析?！渡钲谑械孛嫣[患探測技術導則》，道路雷達病害等級分類標準表見表1。

表1 道路雷達病害等級分類標準表

結語：

隨著技術的創新發展，新型數字化檢測技術不斷問世，在城市地下排水系統及邊坡擋墻檢測中發揮實效。而在實際的檢測工作中人們也更加清晰地認識到單一的檢測技術無法滿足現實中綜合檢測作業要求。為加強排水系統和邊坡擋墻檢測力度，保證檢測實效，必須多種技術靈活選用、合理組合，特別是管中雷達、探地雷達檢測技術、邊坡雷達等多重組合、優勢互補，實現了數字化檢測技術價值的最大化發揮，才能帶來我國排水檢測的高質與高效。