李樂，趙光竹 ，周成龍，張偉，張述清

(1.甘肅中電建港航船舶工程有限公司，甘肅 永靖 731100； 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 引 言

近年來，為貫徹落實國家《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》和《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案》，實現排水系統(tǒng)管網提質增效與河道長治久清的目標。目前，國內許多城市為從源頭上治理城市水環(huán)境問題，首先需要對排水系統(tǒng)進行全面的排查，梳理問題所在，制定針對性、系統(tǒng)性、切實性的可實施方案，根本上解決水環(huán)境綜合治理的難點，。

城市排水暗涵是城市防汛排水保障體系的重要基礎設施，是城市排水系統(tǒng)中人工建設的斷面形狀為矩形或梯形的地下排水設施，承擔著確保城市污水有序收集、運輸和治理，維護城市日常運行的重要作用。由于城市快速化建設中部分規(guī)劃存在不合理、錯混亂接等原因造成排水暗涵雨污合流，同時暗涵內部長期在硫化氫等有毒有害氣體及污水長期腐蝕下，存在較多如鋼筋銹蝕、混凝土脫落、接縫滲水等結構與功能性缺陷，對人民群眾生命財產安全造成較大的潛在安全風險。因此需要對排水暗涵進行全面排查，為徹底治理城市水環(huán)境問題提供準確的基礎勘察成果。

2 排水暗涵調查內容

排水暗涵調查工作為全面調查暗涵內部本體特征、排水口、隱患及檢查井等附屬設施的路徑、坐標、尺寸、現狀特征發(fā)育情況等綜合信息。主要調查要素包含四個方面：①暗涵空間位置分布、本體尺寸、涵室數量(單涵、雙涵、三涵)、涵內水深及淤積情況。②暗涵排水口坐標、高程、管徑、材質、排口類型、排口水深及是否有附屬設施如拍門等。③暗涵起止端及檢查井位置平面坐標、高程信息。④暗涵內部結構性缺陷(如破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節(jié)、接口材料脫落、異物穿入、滲漏等)、功能性缺陷(如沉積、結垢、障礙物、殘墻壩根、樹根、浮渣等)。

3 調查技術

通過對多地城市排水暗涵的檢測作業(yè)的實踐應用，5種暗涵檢測技術已基本覆蓋所有工況及現狀暗涵。根據暗涵尺寸、水深、工況將暗涵檢測技術對分別適應不同條件的5種暗涵檢測技術進行對比分析，其主要包括固定式三維激光掃描儀、手持式三維激光掃描儀、暗涵檢測無人飛行器、智能管涵檢測機器人、水下潛航檢測機器人。暗涵檢測技術對比如圖1所示。

圖1 暗涵檢測技術對比示圖

3.1 固定式三維激光掃描儀

(1)技術原理

三維激光掃描是集光、電和計算機技術于一體的高新尖技術，主要對物體的空間外形進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，其將實體的立體信息轉換為數字化的可直接處理的數字信號，三維激光掃描獲得的原始數據為點云數據，點云數據是大量掃描離散點的結合。

(2)適用工況

針對水深<0.5 m，凈空高度≥1.8 m的人員可通行的城市排水暗涵、覆蓋河道、截流系統(tǒng)管涵。

(3)作業(yè)流程

暗涵檢測作業(yè)開始前，應在所檢測暗涵上下游檢查井處提前做好通風、有毒氣體檢測等準備工作。在確定暗涵工況滿足入涵作業(yè)的條件下，由具備有限空間作業(yè)的特種作業(yè)人員攜帶固定式三維激光掃描儀入涵。根據暗涵空間分布特點，通常按 30 m～50 m分段式布設測量點，以獲取更加密集的點云數據。同步在檢查井處結合RTK或全站儀測量設備布設定位標靶，在軟件處理階段將空間坐標信息引入點云數據，從而獲得所調查暗涵段的空間分布特征、線路、坐標尺寸等調查要素。同時，入涵作業(yè)人員攜帶攝像設備、水樣采集工具、輔助測量工具完成特征點影像拾取、水質水量測定記錄等要素，最終實現暗涵調查全要素成果采集。三維激光掃描點云成果示意圖如圖2所示。

圖2 三維激光掃描點云成果示意圖

3.2 手持式三維激光掃描技術

(1)技術原理

手持式三維激光掃描是基于SLAM算法的移動式三維激光掃描系統(tǒng)，在無法依靠GPS技術的屏蔽工況下，可實現動態(tài)地測量和記錄各種環(huán)境下的空間三維信息。相對于固定式三維激光掃描技術，無須分段式布點檢測，可從所檢測暗涵起點到終點實現連續(xù)檢測，其檢測效率有數倍的提升。但針對表面較為光滑或無明顯變化特征的暗涵，需在所檢測暗涵段中間檢查井處布設立體泡沫假體或其他具有鮮明特征的物體，以增加暗涵內部的明顯特征點，提高檢測精度。

(2)適用工況

針對水深<0.5 m，凈空高度≥1.8 m的人員可通行的覆蓋河道、城市排水暗渠(箱涵)。

(3)作業(yè)流程

暗涵檢測作業(yè)開始前，在入涵及出涵口提前布設坐標靶點并用RTK或全站儀設備采集坐標，同時，在所檢測暗涵上下游檢查井處提前做好通風、有毒氣體檢測等準備工作。在確定暗涵工況滿足入涵作業(yè)的條件下，由具備有限空間作業(yè)的特種作業(yè)人員攜帶手持式三維激光掃描儀從入涵口步行到出涵口，即完成檢測任務，從而獲取所調查暗涵段的視頻影像、空間分布特征、線路、坐標尺寸等調查要素。同時，入涵作業(yè)人員攜帶水樣采集工具完成水質水量測定等要素的采集，最終實現暗涵調查全要素成果采集。三維點云處理數據成果如圖3所示。

圖3 三維點云處理數據(掀頂前、后)成果示圖

3.3 暗涵檢測無人飛行器

(1)技術原理

暗涵檢測無人機是專門用于有限空間及人員無法到達的封閉區(qū)域進行飛行檢測的設備。機身搭載先進的多模塊傳感器，使無人機具備可碰撞、防撞負載、距離鎖定、無GPS的飛行穩(wěn)定性等功能，同時配備4K高清特寫影像記錄、紅外熱成像儀、全角度激光測繪以及流線數據管理等先進技術應用，通過激光測量數據及SLAM算法處理，提供精準的三維點云數據，從而提取暗涵內部基本結構、排口、缺陷等基礎勘測數據。

(2)適用工況

針對水深≤0.3 m，且凈空高度≥0.5 m的人員無法進入的復雜工況覆蓋河道、城市排水暗渠(箱涵)、直徑 ≥0.6 m的截流系統(tǒng)管涵等。

(3)作業(yè)流程

應用暗涵檢測無人機從檢查井、暗涵出入口飛行入涵，在出入涵口提前布設坐標靶點，一般不少于5處坐標靶點，并用RTK或全站儀設備采集坐標，無人機入涵及出涵過程中確保掃描到各控制坐標點。檢測過程中，通過無人機各功能模塊，實現所調查暗涵段的視頻影像、空間分布特征、線路、坐標尺寸等調查要素的采集，如圖4所示。

圖4 暗涵檢測無人機數據提取示意圖

3.4 智能管涵檢測機器人系統(tǒng)

(1)技術原理

智能管涵檢測機器人是針對高水位暗涵綜合檢測的一種技術手段。采用碳纖維雙體艦艇式船體作為機器人航行載體，應用風力推進的空氣負壓雙動力系統(tǒng)，有效避免了暗涵中漂浮及懸浮污染物對機器人造成的纏繞、淤堵現象。機身搭載高清閉路電視系統(tǒng)(CCTV)、水下聲吶探測系統(tǒng)、激光雷達測量系統(tǒng)和定位向導模塊等功能，在檢測過程中，檢測人員通過地面控制站對檢測船進行實時操縱，實現對暗涵和排口的基本尺寸、缺陷、定位、淤積、污染源等信息的綜合采集。

(2)適用工況

針對水深>0.3 m，凈空高度≥0.5 m的人員無法進入的高水位排水暗渠(箱涵)、截流系統(tǒng)管涵等。

(3)作業(yè)流程

檢測人員將智能管涵檢測機器人通過檢查井吊入暗涵進行檢測作業(yè)，通過機器人配置的高清閉路電視(CCTV)檢測系統(tǒng)對暗涵內部的現狀特征、排水口及附屬設施分布信息進行排查，并形成暗涵內部工程視頻影像資料，可用于后處理階段結構及功能性缺陷的判讀評估。通過水下聲吶檢測模塊同步完成水面以下暗涵的要素排查，根據檢測暗涵的具體工況及排查側重點，可選擇性搭載剖面聲吶掃描模塊和多波速聲吶掃描模塊，完成水下不可視部分的暗涵特征、淤積、排水口分布信息的采集。通過激光雷達測量模塊，實時測量暗涵斷面、排水口及現狀特征的尺寸。同時，在機器人檢測過程中，通過機器人載體內置的定位探頭，實時發(fā)送固有頻率的電子信號，檢測人員通過地面向導儀對信號進行捕獲，并通過RTK或全站儀對定位點坐標及高程信息進行測量記錄，從而實現對暗涵內部檢測的現狀特征、排水口、缺陷等進行準確定位，同時，結合激光雷達測量尺寸，計算出涵內各分布特征的準確高程等信息，如圖5所示。

圖5 智能管涵檢測機器人功能示圖

3.5 水下潛航檢測機器人

(1)技術原理

水下潛航檢測機器人(ROV)通過定制化配置成為專業(yè)用于滿水及接近滿水工況的排水暗涵，通過8組推進器及深度、姿態(tài)、航速等傳感器組合配置使機器人在暗涵中實現穩(wěn)定的定深、定速功能。同時，配備的檢測模塊主要由高清攝像系統(tǒng)、多波速聲吶系統(tǒng)組成，對于能見度較低的暗涵水下部分，多波速聲吶利用同時發(fā)射和同時接受多個波速實現對水下條帶式全覆蓋測量。

(2)適用工況

針對水深>3/4(暗涵尺寸≥0.8 m)的接近滿水及滿水的城市排水暗渠(箱涵)、排水管道等。

(3)作業(yè)流程

為確保滿水暗涵內的排污口及現狀特征能夠在檢測過程中完全覆蓋，機器人從作業(yè)起始點下水入涵，通常按100 m檢測段進行往復行進檢測。第一次檢測調整聲吶角度與機器人成夾角狀(角度大小根據所檢測暗涵具體工況通過調試確定)，聲吶探測范圍確保能夠覆蓋涵頂及涵底，通過聲吶呈現的對稱線確定水面反射線(即涵頂水面線)，確定發(fā)現排口或其他現狀特征時進行位置記錄，并用機身搭載的測流儀確定排口流速特征。同時對排口、涵頂/涵底等相對尺寸進行測量記錄；第一次檢測完成后，調整聲吶安裝角度與機器人朝向相同，進行第二次入涵檢測，以保證檢測精度。水下潛航檢測成果如圖6所示。

圖6 水下潛航檢測成果示圖

4 結 論

本文通過對城市排水暗涵全面調查技術的創(chuàng)新實踐及總結，提出能夠覆蓋所有工況現狀暗涵的檢測前沿技術，根據各檢測技術的功能、原理差異與暗涵尺寸、水深等檢測條件差異進行總結對比，闡述不同工況下排水暗涵檢測技術的應用原理、實施思路及案例示圖；表明以上所闡述的檢測技術可為不同工況的排水暗涵全面檢測調查提供解決方案，為城市排水暗涵治理提供準確的基礎勘察成果。