非金属材质排水管线的综合探测方法研究

李兵

(徐州市勘察测绘研究院，江苏 徐州 221000)

1 引 言

排水管网普查工作非常重要。2013年12月12日，习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中强调了“海绵城市”的重要性，各级地方政府积极做好城市排水系统研究——排水管网普查工作，从而为“海绵城市”的建设提供基础性数据。同时，排水管网普查工作还可以建立完善的城市排水防涝系统，提高城市防灾减灾能力、保障人民群众的生命财产安全，提高城市排水防涝系统运行调度、预警预判、应急处理的管理水平[1～4]。

排水管线从类别上分为雨水、污水、雨污合流，从材质上大多分为砼、聚氯乙烯PVC、砖石等非金属管。由于不规范施工，现实中雨污混流现象严重，很多排水管网年代久远，缺少准确的数据资料，给管线探测增加了很大难度，尤其是很多作业现场不具备下井测量或者开挖测量的条件，并且排水井井脖过长，井室过大，水深且淤堵比较严重。这种情况下打开井盖时，排水的走向、形态尺寸、拓扑关系、材质、长度、坡度都无从查起，给排水管网普查工作带来了很大的困难[5]。

2 方法研究

结合徐州市城市排水系统研究——排水管网普查工作，针对排水管网普查工作中的实用技巧，总结出“直接、观察、辨音、询查、物探”的综合探测方法。

2.1 直接法

(1)直接下井量测。此方法优点是数据准确、精度高，但缺点明显，大部分排水井中有积水且氧气不足，不宜直接下井量测。

(2)利用L尺测量。探测人员将L尺沿着排水井井壁向下触碰并旋转，如果井壁上无管道口，探测人员会持续地感受到尺端所传递回来的阻力，反之井壁上若存在管道口，探测人员会感受到尺端搓进了一个空间，阻力消失。这种方法可以快速确定管道走向以及精确测量管底的深度。

此方法有以下弊端：

①管道口被淤堵严重时，尺端同样会传递回来阻力；

②井室过大，尺端因弯曲度有限而触碰不到管道口；

③井内排水流速过快造成L尺向下触碰时遭受阻力太大，造成尺端触碰不到管道口。

以上三种情况，出现任何一种，此方法便不能奏效。

(3)利用量杆测量。该方法受淤泥和积水的影响较小，被广泛应用。值得注意的是，量杆测量得到的排水管线的深度是斜距，与排水管线的垂直深度有较大误差，因此有必要对斜距进行转换，得到排水管线的垂直深度，通常采用如下方法：

①投影法

在进行排水管线测量时，有部分的排水井井室宽度较大，排水管道距离井口的水平距离较大，这就造成使用量杆测量的斜距与该检修井排水管道的垂直深度误差较大，针对这种情况，可使用投影法检修井排水管道垂直深度的测量。如图1所示，将量杆插入检修井排水管道的内底A，得到排水管道底部A与井边点B之间的斜距AB，再沿量杆量出与AB等长度的BC段，根据相似三角形的属性特点可推出C点到地面的垂直距离CE便为管道的内底埋深h。

图1 投影法测量示意图

②水平面量测法

在进行市区排水管线普查过程中，检修井内的排水管道会由于下雨等原因存在一定深度的积水，在这种情况下可以采取水平面量测法。如图2所示，水平面测量方法就是将量杆插入到检修井排水管道的内底B，A为井边点，C为量杆排水管道积水面的交点，AC是地面到排水管道水面的斜距，AD是检修井到排水管道积水面的垂直深度，那么该检修井排水管道的垂直深度h就近似于AD与BC之和，即测量出AB、AC、AD的长度就能得到排水管道的近似深度。当检修井排水管道的垂直深度越大且管道内积水越浅，水平面量测法的测量误差越小。

图2 水平量测法示意图

③利用检修井井底量测

该方法适用于井底无积水、淤泥，且深度大的检修井，此方法是以检修井的井底作为参照，从而进行排水管道管底垂直深度的测量，计算方法如图3所示：A为井边地面点、B为检修井排水管道内底，用量杆测得AB与AC长度，二者之差近似于检修井井底垂直深度H与排水管道内底垂直深度之差，这次将其表示为△H，因此排水管道内底的垂直深度近似等于H与△H之差。由于该方法参照了检修井的井底，若要确保排水管道测量深度的精度，则要求井底要尽量平整，井底起伏较大的检修井不建议采取此方法进行排水管道深度的测量。此外在△H小于 0.5 m时，该方法的测量精度很高，能将排水管道垂直深度的测量误差控制在 2 cm以内，充分符合徐州市排水管线普查的测量精度标准。

图3 检修井井底量测法示意图

(4)比对高程。若排水管网相通，其水面高程是一致的。通过GPS或者全站仪等专业测绘仪器测量井盖高程H(井盖)以及井盖与水面之间的高差h，从而算出水面高：H(水面)=H(井盖)-h(高差)。水面高一致的排水井可判定为相通。此方法在以下两种情况下不适用：其一是排水管道被完全淤堵导致水面不相通；其二是如果出现不同排水水系，其水面高完全一致。

2.2 观察法

(1)类别判断。探测人员通过观察，如果排水井与雨水篦相连，可初步判定此排水井属于雨水管网或者雨污合流管网，反之若不与雨水篦相连，此排水井可能属于污水管网，此方法可以判别排水附属物的拓扑关系以及雨污分类。在施工单位不规范施工导致排水管网铺设错误时，此法不能适用。

(2)示踪法判断。探测人员可在流水中投入示踪物，让其漂流，以判断出与此进相连通的其他排水井。此方法要求示踪物具有特定标识，比如特殊的树叶和带颜色的液体等，要避免相同漂浮物形成的干扰。若排水处于静止状态，此方法不能适用。

2.3 辨音法

声音的传播速度与介质有关，一般情况下：v固>v液>v气。同时打开多个排水井井盖，利用锤击任一井口的方法产生声音，声音会通过空气、流水和管道传播出去，与其相连通的排水井会产生回声，以判定为两井相连，若是管径很大的砼管，会产生沉闷的嗡鸣，判断方便。此方法简单却切实可行，但存在弊端：如果管道淤堵，或者管道为管径很小的PVC管，此方法不能完全奏效。

2.4 询查法

询问权属单位，询问周围居民。部分排水管网是由年久的明沟改造，当地居民大致了解排水管网的分布情况，尤其是老一辈群众。询查人员若是问对了对象，将大大减少探测的难度。

2.5 物探法

(1)管道CCTV检测设备：管道检测爬行机器人+管道潜望镜。如图4所示，工作人员将检测机器人放入排水管道内，通过遥控装置操作或者计算机自动控制，进行管道检查工作。管道潜望镜视频检测仪采用伸缩杆将摄像机送到被监测井内，对各种复杂的管道情况进行视频判断。工作人员对控制系统进行镜头焦距、照明控制等操作，可通过控制器观察管道内实际情况并进行录像，从而出具管道的各种检测报告，甚至可以确定管道内的破坏程度。

图4 CCTV管道机器人检测图

目前管道CCTV检测设备在非开挖领域管道检测中得到了极致的利用，但在实际应用中也存在一定的弊端：

①自走车在管道内存留石块或混凝土残料的情况下容易侧翻；

②若管道内水位高且水质浑浊，摄像机不能有效拍摄水下情况；

③成本高。

(2)地质雷达方法。地质雷达，英文简称GPR，通过发射与接收超高频的短脉冲电磁波，来对地下介质进行成像，来研究地下异常的反射特征，来得到地下异常的位置、形状、大小等属性。在徐州市排水管网普查中，可以用地质雷达来探测金属及非金属材质的排水管道。地质雷达从地层表面发射高频短脉冲电磁波，电磁波在地层中传播时，遇到界面两侧地层的介电常数不同时，就会在地层界面产生反射电磁波，在由地表进行接收，来获得电磁波在地下介质中的双程走时、波幅及其他电磁波特征[6]。排水管道被城市浅地表覆盖，与周围土壤有较大的电性差异，必然会在反射波剖面上有异常的波形特征，若已知排水管道的埋设方向，垂直于埋设方向设置地质雷达测线，如图5所示，地质雷达从X-N点到XN开始发射并接受电磁波，共2N个点，将每个点发射的电磁波水平排列，并将地磁波的波峰与波谷以黑、白颜色进行填充，规定波峰为黑、波谷为白，于是得到时间域的反射波剖面，在已知地下介电常数及电磁波传播速度的情况下，进行时间与深度的转换便得到深度域的反射波剖面，排水管道在剖面上的平面及深度信息。

图5 地质雷达工作原理示意图

在实际的地质雷达探测过程中，需要探测人员到现场确定测线位置及间距。间距受到现场测量环境、场地大小、平坦程度等制约，不宜过小及过大。测线间距过小，工作量大、效率低；测线间距过大会丢失排水管道在底下的延展性，损失了地下管道的细节信息，所以要选择合适的测线间距。不同频率的天线宽度不一样，可选择间距为天线宽度的一倍或者两倍，这就使获得的反射剖面能够充分体现地下排水管道的波组特征。在进行探测时，若平行的多个测线反射波剖面均能看到相似位置、相似深度上具有相同的波组特征，这能够说明此地下管道在地下是连续埋设的。由于地下介质复杂，一些大的石块、尖锐物体等都会产生与管道相似的反射特征，要通过多条、不同位置的测线，来对地下不同介质所产生的反射波波组特征进行研究，尽量排除干扰信号，获得最准确的管线反射信息。

确定管线深度和水平位置。地质雷达发射与电磁波，获得了电磁波的旅行时，由于地下介质是复杂的，不同地下介质有不同的介电常数及电磁波传播速度，需要通过已知深度的管线对介电常数进行拟合，并进行时间与深度的转换便得到深度域的反射波剖面，这为地下排水管道提供深度信息奠定了坚实的基础。地下排水管道水平位置可以通过地质雷达自带的测距轮进行准确定位，地质雷达的位置能够通过测距轮对应到反射剖面上，在确定了排水管道的反射特征后，对比反射波剖面，将雷达中心移动到反射特征处，即可得到排水管道的水平位置，过程中要确保测距轮不能离开地面，否则会造成位置误差。

确定管线管径。地质雷达在地下管线管径的探测方面，对管线探测人员的使用经验及专业知识要求较高，同时，通过雷达剖面得到的管径精度也不能保证。

若要较为准确地得到地下管线的管径信息，可以通过相关雷达后处理软件来实现，例如REFLEXW，它是通过输入不同的管线半径来调整拟合抛物线，并与地质雷达反射波剖面上管线的抛物线反射特征进行比对，当二者形态吻合良好时，此时输入的管线半径即可作为地下管道的半径。此方法具备无损、快捷、连续、准确、分辨率高等优势。同时，此方法具有成本高、效率低、误差较大等劣势。

此外，还有示踪仪方法和机械方法等，这些探测方法的工作量巨大，会浪费大量的时间，占用大量的人力、物力，所以只有在以上方法都不能确定管线属性的情况下才使用该类方法[7]。

3 工程实例

实际案例中需要探测一段泰奎大沟及其周边排水管网，项目地点位于徐州市泉山区软件科技园内，此沟及其支流被工地、绿化带压盖，明显点少，年久失修，也缺少准确的文字图纸资料，却承担着重要排水防涝任务。综合探测方法在此案例中得到了充分的运用。

直接法：获知了部分大沟段的宽约 8.8 m，深度约 2.6 m。

观察法：有效区分大沟水系与其他水系的不同，分析出在大沟西侧存在一条DN500的独立污水管网。

辨音法：此区域存在盲区约500 m，无明显点。通过辨音法，有效地确定了盲区起终点平面位置。

询查法：经过探测人员坚持不懈的走访，很多已退休的排水管网养护人员和老一辈的居民提供了宝贵的线索，帮助我们确定了大沟的大致走向，为下一步的精准探测奠定了良好的基础。

物探法：此大沟年久失修，水位高且水质浑浊，使用管道CCTV检测方法易发生侧翻且图像不清晰，不宜使用，故采用地质雷达法。经过直接法、观察法、辨音法、询查法后，用红色线标注了盲区范围内大沟的粗略位置，在黑色线位置布置地质雷达4条测线(图6)。

图6 泰奎大沟粗略位置叠加雷达测线图

地质雷达发射的电磁波遇到地下平稳界面产生反射波，从而在剖面图上形成平稳的反射界面，而泰奎大沟是一个宽约 8.8 m、深约 2.6 m的大沟，大沟的顶底界面就可形成稳定的反射界面，电磁波在大沟内多次反射从而形成多次波，如图7～图10所示，红色线框内的波形特征即为泰奎大沟的多次波反射特征，在大沟之外地层的电磁波由于未遇到介电常数差异的地层继续向下传播，从而未形成明显的反射界面。

图7 测线1地质雷达剖面图

图8 测线2地质雷达剖面图

图9 测线3地质雷达剖面图

图10 测线4地质雷达剖面图

图11 泰奎大沟新旧位置对比图

通过4条测线的反射特征，确定出泰奎大沟的中心位置(已经过开挖验证)，进行泰奎大沟排水管线的重新成图，并与推测的泰奎大沟管线位置进行对比(图11)，红色线为推测的泰奎大沟位置，紫色线为地质雷达探测的泰奎大沟位置，新老泰奎大沟位置的最大误差可达 3.56 m。

4 结 语

排水管网探测遵从综合管网探测的普遍规律：在单一方法失效的情况下，可以多方法综合运用，提高普查准确率。排水管线由于大部分管道为非金属材质，更需要我们探测人员综合分析，综合判断。本文提出的综合探测方法可以归纳为“手量、目测、耳听、口问，探测”十字方法，操作适当，切实可行。同时，我们展望未来，希望排水管网施工部门对排水管网的铺设更加规范，希望仪器生产厂家增强创新，以排水管网与周围介质的差异为突破口，生产出更有效的物探设备，从而更高效地完成排水管网探测任务。