城市排水箱涵缺陷检测及评估技术研究进展

石稳民， 邹静， 彭冠平， 黄林， 杨振，2

（1.中建三局水务环保有限公司， 武汉 430056； 2.中建三局水务环保设计研究院， 武汉 430014）

排水箱涵作为城市排水系统的主干管网， 沿城市主干道路呈网络状分布， 承担着城市雨水、 污水的有序收集、 转运和处理等功能， 是城市重要的市政基础设施［1］。 随着城市化进程的不断发展， 部分箱涵建设年代已较为久远（大于20 a）， 达到箱涵设计使用年限中期或后期。 由于建设质量控制标准低、 污水长期浸泡腐蚀、 箱涵周边荷载变化等原因［2-3］， 箱涵顶板及内壁出现混凝土剥落、 钢筋锈蚀、 变形缝渗漏等缺陷， 造成排水不畅， 极大降低箱涵结构承载力， 影响排水箱涵安全使用。

在城市管道维养及非开挖修复工程中， 为全面了解排水箱涵过流能力及结构强度现状， 需对旧排水箱涵性能进行仔细检测与评估。 传统城市排水管道检测主要有目测、 反光镜检测、 人员进入管内等手段， 以及闭路电视（CCTV）、 声呐、 潜望镜（QV）等仪器检测法。 针对城市排水箱涵， 还需对混凝土强度、 钢筋锈蚀程度、 箱涵承载力等进行检测分析， 以全面评估排水箱涵功能及结构安全现状。 目前我国针对城市排水箱涵的检测与评估技术仍处于发展阶段， 本文对排水箱涵的缺陷类型进行了总结分析， 阐述了排水箱涵结构性缺陷的检测及评估技术， 为排水箱涵的养护管理和修复工作提供参考。

1 排水箱涵缺陷类型

按照CJJ 181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》， 城市排水管道缺陷可归纳为功能性缺陷和结构性缺陷两大类， 其中结构性缺陷主要包括破裂、 变形、 腐蚀、 错口、 脱节、 支管暗接、 异物穿入、 渗漏等10 种， 功能性缺陷主要包括沉积、结垢等6 种［4－6］。 相比城市排水管道， 城市排水箱涵一般采用钢筋混凝土结构（部分老旧箱涵为砖砌结构）， 其缺陷类型包括底部淤积、 侧壁结垢等功能性缺陷和以混凝土腐蚀为主的结构性缺陷。 按照腐蚀程度划分， 箱涵缺陷主要包括表面裂缝、 顶板局部破损、 保护层破损、 钢筋腐蚀及变形缝渗漏等几类［3，7］。 各种缺陷及主要特征如表1 所示。针对不同缺陷类型， 所采用的缺陷检测技术也有所区别。

表1 排水箱涵缺陷类型及主要特征Tab. 1 Defect types and main characteristics of drainage box culvert

2 排水箱涵缺陷检测技术

传统箱涵检测手段包括人工检测法、 量泥斗检测法、 反光镜检测法和烟熏法等， 检测工作繁琐且安全性低［8］。 经过多年发展， 针对排水箱涵检测形成了多种成熟技术及一些更安全化、 精细化的新型技术。 按照检测目的和类型不同， 可大致分为以下三类： 一是针对箱涵表面外观质量的检测， 如CCTV、 声呐、 QV、 红外热成像等； 二是针对箱涵结构性能的检测， 如混凝土强度检测、 钢筋锈蚀检测等； 三是针对箱涵内排口、 渗漏检测以及其他新型检测技术。

2.1 外观质量检测技术

2.1.1 CCTV 检测

CCTV 检测是指利用闭路电视系统进行管道检测的方法， 其主要检测设备包括操作牵引车、 摄像机、 控制系统等， 通过摄像机对管道录像的方式来探查箱涵表面缺陷情况， 工作示意如图1 所示。

图1 CCTV 检测工作示意Fig. 1 Detection work of CCTV

CCTV 检测具有操作简便、 安全性能好、 检测速度快、 成像质量高等优点， 广泛应用于下水道、排水管道、 给水管道的缺陷检测中。 使用CCTV检测前需采取临时降水、 内壁清洗等预处理措施，管道内水位不大于管道直径的20% 且不超过300 mm［9］。 为了获得较高的成像质量， 小车的行进速度宜限制在15 cm／s。 管道内障碍物、 水雾等均会对检测效果产生干扰。

2.1.2 QV 检测

QV 检测是指采用管道潜望镜在检查井内对管道进行检测的方法， 其主要检测设备包括主控器、摄像头和手提竿等。 通过摄像机对管道内部进行长距离拍摄以探查管道内部状况。

管道潜望镜可用于管道日常巡查、 管网普查及新建管道复核检查等， 主要用作对管道状况的快速初步判定。 QV 检测时， 管段内水位不宜大于管径的1／2， 管段长度不宜大于50 m， 超过30 m 时应进行双向检测［9］。 QV 检测操作简便、 数据直观，在城市管道检测中应用较多， 但也存在探测距离短， 检测不连续等问题。

2.1.3 声呐检测

声呐检测是采用声波反射技术对管道内水面以下的状况进行检测的方法。 声呐检测可与CCTV、QV 以及其他检测技术结合使用， 具有灵敏度高、穿透力强、 探伤灵活、 效率高、 成本低等优点。 声呐检测时， 管道内水深应大于300 mm［9］。 检测时管内水流速度应符合不影响检测探头的定位精度要求［10］。 声呐只能检测液面以下的管道状况， 且不能检测结构性缺陷， 只能用作管道状况的初步判定。

2.1.4 表面裂缝检测

表面裂缝是混凝土箱涵表面质量缺陷的重要特征， 对裂缝分布特征及裂缝宽度进行检测十分必要。 传统检测手段主要通过人工配备检测小车、 裂缝测宽仪等进入箱涵内部进行近距离测量， 检测周期长， 成本也较高， 且安全性低。

近年来， 随着检测技术的发展， 红外热成像技术逐渐在建筑物无损检测及安全评估方面得到广泛应用［11］。 利用高分辨率热红外图可以快速识别混凝土表面异常， 利用计算机批量处理， 从而快速确定混凝土表面裂纹或其他缺陷情况［8］。 热成像检测技术判别速度快、 精度高， 未来应用前景广阔。 此外， 超声横波反射三维成像技术也被用来确定水工混凝土结构表面裂缝宽度和贯穿深度［12］。

2.2 结构性能检测技术

2.2.1 混凝土强度检测

混凝土强度是反映箱涵结构稳定和安全的关键指标， 目前箱涵混凝土强度检测主要包括钻芯取样法、 回弹法、 超声－回弹法、 冲击回波法等［8，13］。

钻芯法是利用钻芯机及配套机具， 在混凝土结构构件上钻取芯样， 通过芯样抗压强度来测定混凝土抗压强度的方法。 钻芯法具有直观准确、 代表性强及可同步检测混凝土内部缺陷等优点， 常用作其他检测技术的校核。 钻芯法的主要缺点是对测试结构有扰动以及成本较高［8］。 回弹法是利用回弹仪的弹击重锤敲击混凝土表面， 利用回弹距离测试混凝土表面硬度， 从而推算混凝土抗压强度。 回弹法检测结果精度较低， 不适用于表面和内部有明显质量差异的混凝土结构。 超声－回弹法综合了非金属超声仪和回弹仪2 种检测结果， 可利用声学时值和回弹值反映混凝土内部和表面性能， 从而提高检测精度［14］。 冲击回波法主要应用于钢筋混凝土构筑物的无损检测， 可用来测量结构混凝土厚度， 具有简便、 快速、 设备轻便、 干扰小、 可重复测试等特点［15-16］。

回弹法、 超声－回弹法、 冲击回波法可用于箱涵混凝土强度的无损检测， 必要时可采用钻芯取样法进行强度复核。

2.2.2 钢筋锈蚀检测

在混凝土箱涵结构中， 钢筋是影响箱涵系统承载力的重要因素， 因此对钢筋锈蚀的检测也十分必要。 目前检测钢筋锈蚀情况主要有4 种方法： 直接观察法、 自然电位法、 现场凿开法和电磁法［8］。

直接观察法是对混凝土构件表面进行观察， 查看是否存在锈迹等； 现场凿开法是指破除保护层，直接测量锈层直径和钢筋直径。 直接观察法和现场凿开法适用于钢筋已有锈蚀的情形。 自然电位法和电磁法主要利用电场和磁场变化反馈混凝土内部钢筋异常状况， 具有操作简便， 不破坏混凝土结构等优点， 但检测精度相对较低。

2.2.3 混凝土厚度及钢筋分布检测

针对带压、 满水运行的排水箱涵， 胡绕等［2］采用阵列式超声波法和探地雷达法， 从箱涵外部对排水箱涵的内部腐蚀情况进行了检测分析。

阵列式超声波法的主要原理是通过控制换能器阵中的发射脉冲间隔来改变声波相位， 从而实现聚焦点和声束方位的变化， 完成声成像。 探地雷达主要是利用介质间的电导率、 介电常数等电性差异，利用高频电磁在介质中的传播速度不同， 从而实现对地下异常物体的位置和深度的定位。 综合运用阵列式超声波法和探地雷达法可从箱涵外侧实现对内侧顶板厚度微小变化、 顶板钢筋分布及腐蚀锈断情况的清晰分辨。 阵列式超声波法用于混凝土厚度检测效果明显， 探地雷达法用于分辨结构内部钢筋分布则更清晰。

2.3 箱涵渗漏探测技术

针对箱涵排口及渗漏检测问题， 研究开发了管道电位探测技术、 高密度电阻率法、 电阻率CT 法等勘探技术， 具有检测速度快、 实用性强及成本低等特点。

2.3.1 管道电位探测技术

管道电位探测技术是指利用直流供电装置向探测管段内部供电， 通过管道中水来传导电流， 同时通过管涵上方地面布设探测电极， 来检测管涵周边电位的检测手段， 管道电位法检测工作示意如图2所示。 管道内壁为钢筋混凝土结构， 相对水和周边土体来说为高阻抗， 当管道存在排口或存在渗漏情况时， 电极之间存在低阻抗通路， 因而电极之间电流增大。

图2 管道电位法检测工作示意Fig. 2 Detection of pipeline potentiometry

周景等［17］将管道电位探测技术用于城市暗涵排口溯源， 比常规溯源法迅速快捷、 准确率高。 贺超等［18］利用电法测漏定位仪对管道破裂、 渗漏等常见病害进行了检测和分析， 结果表明该技术对管道缺陷定位精度高、 成本低、 效率高， 可结合声呐、 CCTV 等检测技术， 对管道缺陷进行深入分析。

2.3.2 电阻率法检测技术

电阻率法的基本原理是利用土层中不同介质的电阻率差异， 通过建立人工稳定电流场， 观察研究其分布规律， 从而探测土层中的矿产、 地下水等，最早应用于矿产勘探行业。 吴锋［19］研究了电阻率法在排水箱涵渗漏检测方面的应用， 主要包括高密度电阻率法和电阻率CT 法。 首先通过高密度电阻率法可快速确定排水箱涵存在的电阻异常（渗漏）位置， 再利用电阻率CT 法进行进一步的精细检测。研究结果表明， 通过模型正演和反演， 联合使用高密度电阻率法和电阻率CT 法能够高效、 无损检测排水箱涵的渗漏情况， 具有实用性强、 效率高及成本低等优势。

3 排水箱涵缺陷评估技术

3.1 排水管道缺陷评估标准

针对管道缺陷状态评估， 英国、 美国、 日本、丹麦等国家均出台了相关评估标准［1］， 基于人工检测、 CCTV、 QV 以及其他管道缺陷检测数据， 从管道结构性缺陷、 功能性缺陷以及周边土体病害等方面进行综合评价分析。

目前国内管道缺陷评估参照英国、 美国等评价标准， 编制发布了CJJ 181—2012。 规程采用评级打分的形式对10 种结构性缺陷和6 种功能性缺陷进行综合评价， 根据缺陷的危害程度给予相应的分值和缺陷等级。 通过缺陷长度、 位置及数量计算管段的缺陷参数S， 当管段缺陷参数S 小于管段缺陷最大值Smax时， 缺陷参数按最大值计算， 相反则按平均缺陷参数S 计算， 其计算公式如式（1） ～（3）所示。

式中： n 为管段的结构性缺陷数量； n1为纵向净距大于1.5 m 的缺陷数量； n2为纵向净距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的缺陷数量； Pi1为纵向净距大于1.5 m 的缺陷分值； Pi2为纵向净距大于1.0 m且不大于1.5 m 的缺陷分值； α 为结构性缺陷影响系数， α ＝1.1。

除缺陷参数S 外， 还可以用缺陷密度SM表征缺陷数量的多少， 其计算公式如式（4）所示。

式中： SM为管段结构性缺陷密度； L 为管段长度， m； Li1纵向净距大于1.5 m 的结构性缺陷长度，m； Li2纵向净距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的结构性缺陷长度， m。

管段缺陷密度SM常与管段缺陷参数S 配套使用， 平均值S 表示缺陷的严重程度， 缺陷密度SM表示缺陷量的程度［5］。

3.2 排水箱涵缺陷评估优化

CJJ 181—2012 主要通过整段管段的缺陷最大值对管道状态进行评估， 缺少综合评价的量化指标。 目前排水箱涵的缺陷评估仍参考CJJ 181—2012， 缺少对管道周边土体状况、 荷载影响下的结构安全等综合评估。

徐建武等［20］研究了公路混凝土箱涵的评定方法， 主要有缺陷扣分法、 分层综合评定法， 其评估标准中主要考虑结构性能缺陷的影响。 江章景［8］从密封性、 功能性和结构性3 个方面出发， 利用层次分析法对各种管道缺陷类型进行了权重赋值， 采用模糊综合评价法进行系统评估， 同时引入了地区重要性、 管段重要性等参数进行综合分析。 此外， 针对箱涵系统， 结合箱涵的结构性参数， 运用模型模拟、 数值计算对箱涵的结构安全性进行了分析， 将箱涵稳定性纳入评估范畴， 可为箱涵修复提供更详尽的参考和指导。

目前， 无论是针对圆型排水管道还是排水箱涵的缺陷评估， 国内对结构性安全评价方面仍处于探索阶段。 在实际工程应用中既要考虑结构安全性的影响， 又要尽量简化评估算法， 提高分析效率。

4 结语及展望

排水箱涵是城市排水系统的重要组成部分， 针对其缺陷进行快速有效检测和合理评估对箱涵修复和维护保养具有重要意义。 排水箱涵检测及评估与圆形管道检测及评估有一定相关性， 但在检测手段、 安全影响等方面有一定区别， 在国内仍处于探索开发阶段。

基于现状的调研和分析， 未来排水箱涵检测和评估技术研究工作可从以下几方面入手： ①开发类似电阻率法等箱涵外无损快速检测技术， 降低检测安全风险， 探索箱涵不降水检测技术等； ②建立箱涵安全评估模型， 采用模型模拟和数值分析等提高箱涵评估过程的科学化程度； ③编制箱涵检测与评估等有关技术规范， 推进相关标准化工作。