基于浮標信號增強和動態探測污水管定位方法的探討

李兵，張海榮，梁苗

(1.徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇 徐州 221000； 2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

污水管道用于城市污水排放，是重要的市政基礎設施之一。檢測、維護老化的污水管道或在污水管道周邊建設地下工程時，需要首先查清污水管道的平面位置、埋深和走向。然而現實中部分污水管深度較深、井口小、井脖長、井室大、井內污水渾濁且充滿垃圾漂浮物，給探測帶來了相當大的難度[1]。

《城市地下管線探測技術規程》對超大埋深的污水井管口深度測量未明確按照明顯管線點精度或是隱蔽管線點精度來判定。與此同時，目前行業內使用常規探測手段亦無法有效探明此類管線，精度要求無從談起。目前，污水管道的定位方法主要包括量桿測量、L尺測量、管道CCTV檢測設備測量、地質雷達測量等。各種方法優缺點如下：

(1)量桿測量。優點是操作簡單、效率高。缺點是測量排水管時，需要傾斜量桿，測量的深度數據是斜距，并不準確，或者當大埋深污水井的井室比較大時，量桿無法觸碰到污水管的管口，無法測量。

(2)L尺測量。優點是操作簡單、數據相對準確。相比于量桿測量，L尺可以碰觸到污水管的管口，測量結果更準確。缺點是當大埋深污水井的井室比較大時，L尺無法觸碰到污水管的管口，無法測量。

(3)管道CCTV檢測設備測量。該方法將檢測機器人放入污水管道內，通過遙控裝置操作或者計算機自動控制，進行管道檢查工作[2]。管道潛望鏡視頻檢測儀采用伸縮桿將攝像機送到被監測井內，對各種復雜的管道情況進行視頻判斷。工作人員對控制系統進行鏡頭聚焦、照明控制等操作，可通過控制器觀察管道內實際情況并進行錄像，從而出具管道的各種檢測報告，甚至可以確定管道內的破壞程度。缺點是：①探測成本高、適用性差，例如CCTV檢測設備工作前，必須將管道內積水進行抽取，部分污水管不具備抽水的條件，從而無法使用此方法；②自走車在管道內存留石塊或混凝土殘料的情況下容易側翻。

(4)地質雷達測量。地質雷達從地表發射高頻脈沖電磁波，電磁波遇到污水管產生反射電磁波，再由地表進行接收，獲得電磁波在地下介質中的雙程走時、波幅及其他電磁波特征，進而確定目標管的平面位置和深度[3，4]。地質雷達優點是可對井室外污水管進行定位，缺點是：①部分污水管材質老舊，由于分子存在相互運動，污水管材的介電常數與周圍介質的介電常數差異小，電磁波不能產生有效反射，從而無法測量[5，6]；②對于深度 6 m～12 m的大埋深污水管，反射電磁波能量弱，在各種電磁干擾和圍巖反射電磁波的背景場中很難判別目標污水管[7]。

2 基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位方法

針對上述常規技術存在的問題，研究了一種基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位裝置，有可能對井室外污水管的有效定位和測深提供技術支撐。

2.1 污水管定位裝置的組成

基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位裝置(如圖1所示)包括量桿，用于置放浮標的浮標卷，以及置于地面上的地質雷達。

圖1 基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位裝置示意圖

如圖1所示，本基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位裝置包括量桿，用于置放浮標的浮標卷，以及置于地面上的地質雷達。

量桿為長度相等的多節量桿，兩兩量桿之間通過螺紋連接構成，每節量桿上均刻有刻度。頂部首節量桿上設有指南針和水平氣泡，末節量桿底部為尖頭結構，且設有用于對浮標卷的浮繩進行導向的滑輪，滑輪的位置可上下調整。

浮標為多節包覆在浮繩上的鐵片或銅片。浮標每 50 m～100 m呈一卷，浮標卷之間通過連接扣連接。

地質雷達為普遍用于管線探測的地質雷達，天線頻率約 80 MHz，具有增益等功能，可根據目標管口深度進行調節增益，屏蔽干擾信號，接收金屬浮標反射的電磁波信號。

2.2 工作原理

基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位裝置利用了污水管道內污水處于流淌狀態(城市污水提升泵站和污水處理廠的正常運作即證明了污水處于流動狀態)的特點，流水將金屬浮標卷沖進下游管道，增強目標體與周圍介質的物性差異，從而可被地面接收機接收到電磁信號。通過放入浮標與無浮標情況下的反射波剖面圖進行對比，確定排水管線的位置和深度；逐步增加浮標長度后得到多副反射波剖面圖，通過對比多副反射波剖面圖，確定排水管線的走向。

2.3 工作步驟

(1)根據井口周圍有效作業半徑選擇足夠數量的浮標卷，浮標卷總長度要大于有效作業半徑。有效作業半徑為本井室到下一井室之間的距離。

(2)根據污水井的井底深度，確定需要的量桿根數，并將其連接，確保量桿總長度大于井底深度，確保首節桿位于最上方。

(3)將量桿置于井室底，測量井底淤泥深度。

(4)取出量桿，將滑輪調至淤泥深度上方，以防止滑輪進入淤泥，阻礙滑動。

(5)將浮標一端置于量桿的滑輪上，將量桿和浮標一同放入井室底。

(6)在地面放浮標，浮標沿滑輪隨水流進入下游污水管道，進入污水管道的浮標長度為 12 m。

(7)以污水井為中心，以10 m為半徑，采用地質雷達進行環形探測，對采集的數據進行數據處理，得到有浮標情況下的反射波剖面圖。

(8)進行動態探測，將浮標回收12 m，重復步驟(7)，得到無浮標情況下的反射波剖面圖。

(9)對比步驟(7)和步驟(8)的反射波剖面圖，反射波信號增強位置即為污水管位置，在地面標出污水管位置，并獲得污水管道內水面至地表的深度。

(10)在地面放浮標，放浮標長度在上一次基礎上增加 10 m。

(11)以步驟(9)新標出的污水管位置為中心，以 10 m為半徑，采用地質雷達進行環形探測，對采集的數據進行數據處理，得到有浮標情況下的反射波剖面圖。

(12)進行動態探測，將浮標回收 10 m，重復步驟(11)，得到無浮標情況下的反射波剖面圖。

(13)對比步驟(11)和步驟(12)的反射波剖面圖，反射波信號增強位置即為污水管位置，在地面標出污水管位置。

(14)重復步驟(10)、步驟(11)、步驟(12)和步驟(13)，直至測量完畢。

2.4 技術特點

與常規探測技術相比，本基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位裝置的有益效果如下：

(1)相比量桿測量方法和L尺測量方法，此方法不受井口小、井脖長、井室大、井內污水渾濁且充滿垃圾漂浮物等條件限制，還可以對井室外污水管進行定位、測深(管道內水面至地表深度)。

(2)相比管道CCTV檢測設備測量方法，不需要對污水管進行預先抽水，適用性更好。

(3)相比常規地質雷達方法，通過金屬浮標和動態探測增強污水管信號，提高了地質雷達對目標體的探測能力，提高了探測深度，從而有可能實現對老化污水管和大埋深污水管的有效定位。

(4)相比常規的反射波剖面圖，不需要對異常進行精確判讀，通過對比是否放入金屬浮標的兩張剖面圖，不同的地方即為目標管線，更容易判別。

3 現場試驗

現實中，大埋深的污水井溢滿水，無法下井，且缺少合適的金屬浮標做實驗。為達到實驗效果，將目標管線深度變淺，目標管線管徑同比例縮小，地質雷達天線頻率相對應提高。選取了徐州市新城區的一段新敷設的排管做實驗(如圖2所示)，管井的深度約 1.5 m，管徑為 80 mm，材質為PE，用多節不銹鋼排水桿代替金屬浮標，地質雷達天線頻率采用 160 MHz。

圖2 實驗現場圖

使用地質雷達對檢查井周圈進行探測，如圖3所示。

圖3 地質雷達探測圖

目標排管內未放置金屬排水桿時，地質雷達接收機獲得了反射波剖面圖(如圖4所示)，目標排管內放置金屬排水桿后，地質雷達接收機獲得了反射波剖面圖(如圖5所示)。

圖4 未放置金屬桿的反射波剖面圖

圖5 放置金屬桿的反射波剖面圖

通過判別，圖4在測線3.6 m處出現異常，可能為目標排管或是其他異常干擾。本文討論的方法是不需要判別，只需對比兩幅圖的不同即可判定目標管線。通過與圖4對比，圖5在測線 3.6 m處呈現出來的是強導電體反射電磁波的震蕩信號。經量測，數據與實地排管平面位置、深度、走向相同。需要說明的是，圖5出現了金屬桿的反射電磁波震蕩信號，實驗效果比較理想，反之，若不出現震蕩信號，只要是兩幅剖面圖中明顯不一樣的圖形所對應的平面位置即為目標管線所在處，判別相對簡單。

4 結 論

本文探討的基于浮標信號增強和動態探測的污水管定位方法利用污水處于流淌狀態的特性，流水將金屬浮標卷沖進下游管道，增大目標體與周圍介質的物性差異，通過放入浮標與無浮標情況下的反射波剖面圖進行對比，從而更容易確定排水管線的平面位置和深度。在對大埋深、管道內污水較滿等排水管線進行探測時，此方法有可能進一步輔助提高污水探測的精度。