李兵

(徐州市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 徐州 221000)

1 引 言

排水管網(wǎng)普查工作非常重要。2013年12月12日，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》的講話中強(qiáng)調(diào)了“海綿城市”的重要性，各級(jí)地方政府積極做好城市排水系統(tǒng)研究——排水管網(wǎng)普查工作，從而為“海綿城市”的建設(shè)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。同時(shí)，排水管網(wǎng)普查工作還可以建立完善的城市排水防澇系統(tǒng)，提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力、保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，提高城市排水防澇系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度、預(yù)警預(yù)判、應(yīng)急處理的管理水平[1～4]。

排水管線從類別上分為雨水、污水、雨污合流，從材質(zhì)上大多分為砼、聚氯乙烯PVC、磚石等非金屬管。由于不規(guī)范施工，現(xiàn)實(shí)中雨污混流現(xiàn)象嚴(yán)重，很多排水管網(wǎng)年代久遠(yuǎn)，缺少準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，給管線探測(cè)增加了很大難度，尤其是很多作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不具備下井測(cè)量或者開(kāi)挖測(cè)量的條件，并且排水井井脖過(guò)長(zhǎng)，井室過(guò)大，水深且淤堵比較嚴(yán)重。這種情況下打開(kāi)井蓋時(shí)，排水的走向、形態(tài)尺寸、拓?fù)潢P(guān)系、材質(zhì)、長(zhǎng)度、坡度都無(wú)從查起，給排水管網(wǎng)普查工作帶來(lái)了很大的困難[5]。

2 方法研究

結(jié)合徐州市城市排水系統(tǒng)研究——排水管網(wǎng)普查工作，針對(duì)排水管網(wǎng)普查工作中的實(shí)用技巧，總結(jié)出“直接、觀察、辨音、詢查、物探”的綜合探測(cè)方法。

2.1 直接法

(1)直接下井量測(cè)。此方法優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高，但缺點(diǎn)明顯，大部分排水井中有積水且氧氣不足，不宜直接下井量測(cè)。

(2)利用L尺測(cè)量。探測(cè)人員將L尺沿著排水井井壁向下觸碰并旋轉(zhuǎn)，如果井壁上無(wú)管道口，探測(cè)人員會(huì)持續(xù)地感受到尺端所傳遞回來(lái)的阻力，反之井壁上若存在管道口，探測(cè)人員會(huì)感受到尺端搓進(jìn)了一個(gè)空間，阻力消失。這種方法可以快速確定管道走向以及精確測(cè)量管底的深度。

此方法有以下弊端：

①管道口被淤堵嚴(yán)重時(shí)，尺端同樣會(huì)傳遞回來(lái)阻力；

②井室過(guò)大，尺端因彎曲度有限而觸碰不到管道口；

③井內(nèi)排水流速過(guò)快造成L尺向下觸碰時(shí)遭受阻力太大，造成尺端觸碰不到管道口。

以上三種情況，出現(xiàn)任何一種，此方法便不能奏效。

(3)利用量桿測(cè)量。該方法受淤泥和積水的影響較小，被廣泛應(yīng)用。值得注意的是，量桿測(cè)量得到的排水管線的深度是斜距，與排水管線的垂直深度有較大誤差，因此有必要對(duì)斜距進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到排水管線的垂直深度，通常采用如下方法：

①投影法

在進(jìn)行排水管線測(cè)量時(shí)，有部分的排水井井室寬度較大，排水管道距離井口的水平距離較大，這就造成使用量桿測(cè)量的斜距與該檢修井排水管道的垂直深度誤差較大，針對(duì)這種情況，可使用投影法檢修井排水管道垂直深度的測(cè)量。如圖1所示，將量桿插入檢修井排水管道的內(nèi)底A，得到排水管道底部A與井邊點(diǎn)B之間的斜距AB，再沿量桿量出與AB等長(zhǎng)度的BC段，根據(jù)相似三角形的屬性特點(diǎn)可推出C點(diǎn)到地面的垂直距離CE便為管道的內(nèi)底埋深h。

圖1 投影法測(cè)量示意圖

②水平面量測(cè)法

在進(jìn)行市區(qū)排水管線普查過(guò)程中，檢修井內(nèi)的排水管道會(huì)由于下雨等原因存在一定深度的積水，在這種情況下可以采取水平面量測(cè)法。如圖2所示，水平面測(cè)量方法就是將量桿插入到檢修井排水管道的內(nèi)底B，A為井邊點(diǎn)，C為量桿排水管道積水面的交點(diǎn)，AC是地面到排水管道水面的斜距，AD是檢修井到排水管道積水面的垂直深度，那么該檢修井排水管道的垂直深度h就近似于AD與BC之和，即測(cè)量出AB、AC、AD的長(zhǎng)度就能得到排水管道的近似深度。當(dāng)檢修井排水管道的垂直深度越大且管道內(nèi)積水越淺，水平面量測(cè)法的測(cè)量誤差越小。

圖2 水平量測(cè)法示意圖

③利用檢修井井底量測(cè)

該方法適用于井底無(wú)積水、淤泥，且深度大的檢修井，此方法是以檢修井的井底作為參照，從而進(jìn)行排水管道管底垂直深度的測(cè)量，計(jì)算方法如圖3所示：A為井邊地面點(diǎn)、B為檢修井排水管道內(nèi)底，用量桿測(cè)得AB與AC長(zhǎng)度，二者之差近似于檢修井井底垂直深度H與排水管道內(nèi)底垂直深度之差，這次將其表示為△H，因此排水管道內(nèi)底的垂直深度近似等于H與△H之差。由于該方法參照了檢修井的井底，若要確保排水管道測(cè)量深度的精度，則要求井底要盡量平整，井底起伏較大的檢修井不建議采取此方法進(jìn)行排水管道深度的測(cè)量。此外在△H小于 0.5 m時(shí)，該方法的測(cè)量精度很高，能將排水管道垂直深度的測(cè)量誤差控制在 2 cm以內(nèi)，充分符合徐州市排水管線普查的測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 檢修井井底量測(cè)法示意圖

(4)比對(duì)高程。若排水管網(wǎng)相通，其水面高程是一致的。通過(guò)GPS或者全站儀等專業(yè)測(cè)繪儀器測(cè)量井蓋高程H(井蓋)以及井蓋與水面之間的高差h，從而算出水面高：H(水面)=H(井蓋)-h(高差)。水面高一致的排水井可判定為相通。此方法在以下兩種情況下不適用：其一是排水管道被完全淤堵導(dǎo)致水面不相通；其二是如果出現(xiàn)不同排水水系，其水面高完全一致。

2.2 觀察法

(1)類別判斷。探測(cè)人員通過(guò)觀察，如果排水井與雨水篦相連，可初步判定此排水井屬于雨水管網(wǎng)或者雨污合流管網(wǎng)，反之若不與雨水篦相連，此排水井可能屬于污水管網(wǎng)，此方法可以判別排水附屬物的拓?fù)潢P(guān)系以及雨污分類。在施工單位不規(guī)范施工導(dǎo)致排水管網(wǎng)鋪設(shè)錯(cuò)誤時(shí)，此法不能適用。

(2)示蹤法判斷。探測(cè)人員可在流水中投入示蹤物，讓其漂流，以判斷出與此進(jìn)相連通的其他排水井。此方法要求示蹤物具有特定標(biāo)識(shí)，比如特殊的樹(shù)葉和帶顏色的液體等，要避免相同漂浮物形成的干擾。若排水處于靜止?fàn)顟B(tài)，此方法不能適用。

2.3 辨音法

聲音的傳播速度與介質(zhì)有關(guān)，一般情況下：v固>v液>v氣。同時(shí)打開(kāi)多個(gè)排水井井蓋，利用錘擊任一井口的方法產(chǎn)生聲音，聲音會(huì)通過(guò)空氣、流水和管道傳播出去，與其相連通的排水井會(huì)產(chǎn)生回聲，以判定為兩井相連，若是管徑很大的砼管，會(huì)產(chǎn)生沉悶的嗡鳴，判斷方便。此方法簡(jiǎn)單卻切實(shí)可行，但存在弊端：如果管道淤堵，或者管道為管徑很小的PVC管，此方法不能完全奏效。

2.4 詢查法

詢問(wèn)權(quán)屬單位，詢問(wèn)周圍居民。部分排水管網(wǎng)是由年久的明溝改造，當(dāng)?shù)鼐用翊笾铝私馀潘芫W(wǎng)的分布情況，尤其是老一輩群眾。詢查人員若是問(wèn)對(duì)了對(duì)象，將大大減少探測(cè)的難度。

2.5 物探法

(1)管道CCTV檢測(cè)設(shè)備：管道檢測(cè)爬行機(jī)器人+管道潛望鏡。如圖4所示，工作人員將檢測(cè)機(jī)器人放入排水管道內(nèi)，通過(guò)遙控裝置操作或者計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，進(jìn)行管道檢查工作。管道潛望鏡視頻檢測(cè)儀采用伸縮桿將攝像機(jī)送到被監(jiān)測(cè)井內(nèi)，對(duì)各種復(fù)雜的管道情況進(jìn)行視頻判斷。工作人員對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行鏡頭焦距、照明控制等操作，可通過(guò)控制器觀察管道內(nèi)實(shí)際情況并進(jìn)行錄像，從而出具管道的各種檢測(cè)報(bào)告，甚至可以確定管道內(nèi)的破壞程度。

圖4 CCTV管道機(jī)器人檢測(cè)圖

目前管道CCTV檢測(cè)設(shè)備在非開(kāi)挖領(lǐng)域管道檢測(cè)中得到了極致的利用，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的弊端：

①自走車在管道內(nèi)存留石塊或混凝土殘料的情況下容易側(cè)翻；

②若管道內(nèi)水位高且水質(zhì)渾濁，攝像機(jī)不能有效拍攝水下情況；

③成本高。

(2)地質(zhì)雷達(dá)方法。地質(zhì)雷達(dá)，英文簡(jiǎn)稱GPR，通過(guò)發(fā)射與接收超高頻的短脈沖電磁波，來(lái)對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行成像，來(lái)研究地下異常的反射特征，來(lái)得到地下異常的位置、形狀、大小等屬性。在徐州市排水管網(wǎng)普查中，可以用地質(zhì)雷達(dá)來(lái)探測(cè)金屬及非金屬材質(zhì)的排水管道。地質(zhì)雷達(dá)從地層表面發(fā)射高頻短脈沖電磁波，電磁波在地層中傳播時(shí)，遇到界面兩側(cè)地層的介電常數(shù)不同時(shí)，就會(huì)在地層界面產(chǎn)生反射電磁波，在由地表進(jìn)行接收，來(lái)獲得電磁波在地下介質(zhì)中的雙程走時(shí)、波幅及其他電磁波特征[6]。排水管道被城市淺地表覆蓋，與周圍土壤有較大的電性差異，必然會(huì)在反射波剖面上有異常的波形特征，若已知排水管道的埋設(shè)方向，垂直于埋設(shè)方向設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，如圖5所示，地質(zhì)雷達(dá)從X-N點(diǎn)到XN開(kāi)始發(fā)射并接受電磁波，共2N個(gè)點(diǎn)，將每個(gè)點(diǎn)發(fā)射的電磁波水平排列，并將地磁波的波峰與波谷以黑、白顏色進(jìn)行填充，規(guī)定波峰為黑、波谷為白，于是得到時(shí)間域的反射波剖面，在已知地下介電常數(shù)及電磁波傳播速度的情況下，進(jìn)行時(shí)間與深度的轉(zhuǎn)換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。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

在實(shí)際的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中，需要探測(cè)人員到現(xiàn)場(chǎng)確定測(cè)線位置及間距。間距受到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境、場(chǎng)地大小、平坦程度等制約，不宜過(guò)小及過(guò)大。測(cè)線間距過(guò)小，工作量大、效率低；測(cè)線間距過(guò)大會(huì)丟失排水管道在底下的延展性，損失了地下管道的細(xì)節(jié)信息，所以要選擇合適的測(cè)線間距。不同頻率的天線寬度不一樣，可選擇間距為天線寬度的一倍或者兩倍，這就使獲得的反射剖面能夠充分體現(xiàn)地下排水管道的波組特征。在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，若平行的多個(gè)測(cè)線反射波剖面均能看到相似位置、相似深度上具有相同的波組特征，這能夠說(shuō)明此地下管道在地下是連續(xù)埋設(shè)的。由于地下介質(zhì)復(fù)雜，一些大的石塊、尖銳物體等都會(huì)產(chǎn)生與管道相似的反射特征，要通過(guò)多條、不同位置的測(cè)線，來(lái)對(duì)地下不同介質(zhì)所產(chǎn)生的反射波波組特征進(jìn)行研究，盡量排除干擾信號(hào)，獲得最準(zhǔn)確的管線反射信息。

確定管線深度和水平位置。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射與電磁波，獲得了電磁波的旅行時(shí)，由于地下介質(zhì)是復(fù)雜的，不同地下介質(zhì)有不同的介電常數(shù)及電磁波傳播速度，需要通過(guò)已知深度的管線對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行擬合，并進(jìn)行時(shí)間與深度的轉(zhuǎn)換便得到深度域的反射波剖面，這為地下排水管道提供深度信息奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。地下排水管道水平位置可以通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)自帶的測(cè)距輪進(jìn)行準(zhǔn)確定位，地質(zhì)雷達(dá)的位置能夠通過(guò)測(cè)距輪對(duì)應(yīng)到反射剖面上，在確定了排水管道的反射特征后，對(duì)比反射波剖面，將雷達(dá)中心移動(dòng)到反射特征處，即可得到排水管道的水平位置，過(guò)程中要確保測(cè)距輪不能離開(kāi)地面，否則會(huì)造成位置誤差。

確定管線管徑。地質(zhì)雷達(dá)在地下管線管徑的探測(cè)方面，對(duì)管線探測(cè)人員的使用經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)要求較高，同時(shí)，通過(guò)雷達(dá)剖面得到的管徑精度也不能保證。

若要較為準(zhǔn)確地得到地下管線的管徑信息，可以通過(guò)相關(guān)雷達(dá)后處理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如REFLEXW，它是通過(guò)輸入不同的管線半徑來(lái)調(diào)整擬合拋物線，并與地質(zhì)雷達(dá)反射波剖面上管線的拋物線反射特征進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)二者形態(tài)吻合良好時(shí)，此時(shí)輸入的管線半徑即可作為地下管道的半徑。此方法具備無(wú)損、快捷、連續(xù)、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，此方法具有成本高、效率低、誤差較大等劣勢(shì)。

此外，還有示蹤儀方法和機(jī)械方法等，這些探測(cè)方法的工作量巨大，會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，占用大量的人力、物力，所以只有在以上方法都不能確定管線屬性的情況下才使用該類方法[7]。

3 工程實(shí)例

實(shí)際案例中需要探測(cè)一段泰奎大溝及其周邊排水管網(wǎng)，項(xiàng)目地點(diǎn)位于徐州市泉山區(qū)軟件科技園內(nèi)，此溝及其支流被工地、綠化帶壓蓋，明顯點(diǎn)少，年久失修，也缺少準(zhǔn)確的文字圖紙資料，卻承擔(dān)著重要排水防澇任務(wù)。綜合探測(cè)方法在此案例中得到了充分的運(yùn)用。

直接法：獲知了部分大溝段的寬約 8.8 m，深度約 2.6 m。

觀察法：有效區(qū)分大溝水系與其他水系的不同，分析出在大溝西側(cè)存在一條DN500的獨(dú)立污水管網(wǎng)。

辨音法：此區(qū)域存在盲區(qū)約500 m，無(wú)明顯點(diǎn)。通過(guò)辨音法，有效地確定了盲區(qū)起終點(diǎn)平面位置。

詢查法：經(jīng)過(guò)探測(cè)人員堅(jiān)持不懈的走訪，很多已退休的排水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)人員和老一輩的居民提供了寶貴的線索，幫助我們確定了大溝的大致走向，為下一步的精準(zhǔn)探測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

物探法：此大溝年久失修，水位高且水質(zhì)渾濁，使用管道CCTV檢測(cè)方法易發(fā)生側(cè)翻且圖像不清晰，不宜使用，故采用地質(zhì)雷達(dá)法。經(jīng)過(guò)直接法、觀察法、辨音法、詢查法后，用紅色線標(biāo)注了盲區(qū)范圍內(nèi)大溝的粗略位置，在黑色線位置布置地質(zhì)雷達(dá)4條測(cè)線(圖6)。

圖6 泰奎大溝粗略位置疊加雷達(dá)測(cè)線圖

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到地下平穩(wěn)界面產(chǎn)生反射波，從而在剖面圖上形成平穩(wěn)的反射界面，而泰奎大溝是一個(gè)寬約 8.8 m、深約 2.6 m的大溝，大溝的頂?shù)捉缑婢涂尚纬煞€(wěn)定的反射界面，電磁波在大溝內(nèi)多次反射從而形成多次波，如圖7～圖10所示，紅色線框內(nèi)的波形特征即為泰奎大溝的多次波反射特征，在大溝之外地層的電磁波由于未遇到介電常數(shù)差異的地層繼續(xù)向下傳播，從而未形成明顯的反射界面。

圖7 測(cè)線1地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖8 測(cè)線2地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖9 測(cè)線3地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖10 測(cè)線4地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖11 泰奎大溝新舊位置對(duì)比圖

通過(guò)4條測(cè)線的反射特征，確定出泰奎大溝的中心位置(已經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證)，進(jìn)行泰奎大溝排水管線的重新成圖，并與推測(cè)的泰奎大溝管線位置進(jìn)行對(duì)比(圖11)，紅色線為推測(cè)的泰奎大溝位置，紫色線為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的泰奎大溝位置，新老泰奎大溝位置的最大誤差可達(dá) 3.56 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

排水管網(wǎng)探測(cè)遵從綜合管網(wǎng)探測(cè)的普遍規(guī)律：在單一方法失效的情況下，可以多方法綜合運(yùn)用，提高普查準(zhǔn)確率。排水管線由于大部分管道為非金屬材質(zhì)，更需要我們探測(cè)人員綜合分析，綜合判斷。本文提出的綜合探測(cè)方法可以歸納為“手量、目測(cè)、耳聽(tīng)、口問(wèn)，探測(cè)”十字方法，操作適當(dāng)，切實(shí)可行。同時(shí)，我們展望未來(lái)，希望排水管網(wǎng)施工部門對(duì)排水管網(wǎng)的鋪設(shè)更加規(guī)范，希望儀器生產(chǎn)廠家增強(qiáng)創(chuàng)新，以排水管網(wǎng)與周圍介質(zhì)的差異為突破口，生產(chǎn)出更有效的物探設(shè)備，從而更高效地完成排水管網(wǎng)探測(cè)任務(wù)。