陳 勇，許傳貝，王青峰，方建國，陶小飛

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

隨著社會(huì)快速發(fā)展，城市人口不斷增長，產(chǎn)生的廢（污）水迅猛增加且未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)即排入河道中，使河道水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，形成黑臭水體，部分污染物沉積在河道底部，形成黑臭淤泥[1]。寧德市中心城區(qū)南大塘排洪渠、東湖塘北港等水系為黑臭水體。為貫徹落實(shí)國家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（水十條）中“到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除的目標(biāo)”，對(duì)寧德市中心城區(qū)水系進(jìn)行綜合治理十分必要[2]。

河道清淤技術(shù)和相應(yīng)的探測(cè)方法在我國水利行業(yè)已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，但對(duì)于城市密集構(gòu)筑物區(qū)黑臭暗涵的探測(cè)方法研究目前相對(duì)匱乏。本研究基于寧德市中心城區(qū)水系綜合治理工程，深入探索密集構(gòu)筑物區(qū)黑臭暗涵的探測(cè)方法，為城市密集構(gòu)筑物區(qū)水環(huán)境治理提供方法支撐。

2 工程概況

寧德市中心城區(qū)水系綜合治理工程位于寧德市蕉城區(qū)和東僑經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，包括了3個(gè)流域片區(qū)，分別是：金涵片區(qū)、金港片區(qū)、鐵基灣片區(qū)。水系由21條溪流組成，總長約72 km。受客觀基礎(chǔ)條件制約，目前中心城區(qū)污水管網(wǎng)尚不完善、終端污水處理能力不足、內(nèi)河生態(tài)補(bǔ)水缺乏等問題，城區(qū)內(nèi)坪塔溪、后崗溪、古溪、后山溪等暗涵段以及東湖塘北港段等尚未徹底清淤的河道，暗涵段總長度約6.4 km，其中南大塘排洪渠、東湖塘北港等水系為黑臭水體暗涵長4.8 km。

該工程暗涵長度大，埋深大，覆蓋物復(fù)雜，周邊分布城市道路及建筑物，暗涵內(nèi)部空間有限，淤泥深度未知，檢查井少，通風(fēng)設(shè)施少，空氣不易流通，照明困難，需要大量排水與封堵，水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求高，暗涵探測(cè)困難。因此，開展城市密集構(gòu)筑物區(qū)暗涵探測(cè)方法研究具有重要實(shí)際價(jià)值。

3 黑臭暗涵的探測(cè)方法

3.1 人工初步排查探測(cè)

在空間稍大通風(fēng)良好且不存在有害氣體的工作環(huán)境下，可以先通過人工依據(jù)圖紙對(duì)施工區(qū)內(nèi)暗涵管線檢查井進(jìn)行開井排查，并進(jìn)行編號(hào)、拍照取證，初步確認(rèn)排查探測(cè)范圍。

3.2 管道潛望鏡探測(cè)

3.2.1 工程所用設(shè)備介紹

管道潛望鏡是一種以遠(yuǎn)程視頻采集并進(jìn)行回傳分析為主要工作原理的檢測(cè)設(shè)備，具備激光測(cè)距、視頻變焦檢查、無線傳輸?shù)裙δ?；同時(shí)配備了強(qiáng)光源和便攜式電源以及伸縮桿，又稱QV潛望鏡[3]，伸長后可達(dá)6 m；也可配備爬行器（機(jī)器人），又稱CCTV管道機(jī)器人[4]；且產(chǎn)品具有防水功能，可將設(shè)備送至所需工作位置，適用于檢查井分布較密或有明確標(biāo)示的暗渠。目前，已廣泛應(yīng)用于市政排水管道快速勘察，隧道涵洞內(nèi)部空間狀況檢測(cè)等。

3.2.2 工程應(yīng)用

在本工程中管道潛望鏡應(yīng)用于窨井、檢修井、市政雨污水管網(wǎng)、暗涵及孔洞的探測(cè)。可通過檢測(cè)畫面直觀地判定管道內(nèi)部塌陷、堵塞、錯(cuò)位、非法插入、裂痕等各種缺陷狀態(tài)，為河道清淤提供評(píng)估依據(jù)。有下列情形之一的應(yīng)中止檢測(cè)：①管道內(nèi)充滿霧氣，影響圖像質(zhì)量；②其他原因影響到圖像質(zhì)量；③爬行器在管道內(nèi)無法行走或推桿在管道內(nèi)無法推進(jìn)；④鏡頭沾有污物；⑤惡劣的天氣狀況影響。

工程中實(shí)際使用應(yīng)根據(jù)人工排查的結(jié)果，確認(rèn)重點(diǎn)排查范圍，再通過QV潛望鏡進(jìn)一步確認(rèn)。然后根據(jù)QV潛望鏡檢測(cè)結(jié)果，對(duì)于工作空間有限、通風(fēng)不良或存在有害氣體的暗涵通過CCTV管道機(jī)器人檢測(cè)。設(shè)備及其工作環(huán)境如圖1所示。

圖1 CCTV管道機(jī)器人及其工作環(huán)境

3.2.3 評(píng)估方法及標(biāo)準(zhǔn)

CCTV管道檢測(cè)的其中一項(xiàng)最重要的內(nèi)容就是對(duì)影像數(shù)據(jù)信息的判讀,具體包括確定管道內(nèi)部缺陷種類、等級(jí)、位置表述和管道狀態(tài)評(píng)估計(jì)算方法[5-6]。國內(nèi)將管道缺陷分為結(jié)構(gòu)缺陷和功能缺陷，結(jié)構(gòu)缺陷主要與管道的物理狀況、構(gòu)造和損壞程度有關(guān)；功能缺陷與排水系統(tǒng)的狀況是否達(dá)到服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)和排水能力要求，以及潛在的堵塞和水密性有關(guān)。

結(jié)構(gòu)評(píng)估時(shí)管道運(yùn)行狀況系數(shù)用S表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中:i為變量，取值1，2…n；L為被評(píng)估管道的總長度；Li為第i處缺陷縱向長度；Pi為第i處缺陷權(quán)重；n為結(jié)構(gòu)缺陷總個(gè)數(shù)。

結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)用F表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

管道評(píng)估時(shí)，某段管道的狀況是依據(jù)結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)F，地區(qū)重要性參數(shù)K，管道重要性參數(shù)E、B和地質(zhì)條件參數(shù)T來確定的，但每種參數(shù)所占的權(quán)重不一樣。管道維修指數(shù)RI計(jì)算公式為：

功能評(píng)估時(shí)管道運(yùn)行狀況系統(tǒng)用Y表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：k為變量，取值1，2…n；L為被評(píng)估管道的總長度；Lk為第k處缺陷縱向長度；Pk為第k處缺陷權(quán)重；m為功能缺陷總個(gè)數(shù)。

功能缺陷參數(shù)用G標(biāo)識(shí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

管道維護(hù)指數(shù)MI計(jì)算公式為：

MI=0.8G+0.05K+0.05E+0.05B+0.05T

具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及建議見表1[7]。

表1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及建議

3.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

3.3.1 工程所用設(shè)備介紹

探地雷達(dá)（GPR）是一種新型的無損探測(cè)方法，探地雷達(dá)系統(tǒng)一般由主機(jī)、天線（包括發(fā)射天線和接收天線）和顯示器組成，其工作原理是利用天線向地下發(fā)射電磁波，通過接收地下目標(biāo)的反射回波，來實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè)和成像，分析雷達(dá)剖面中反射信號(hào)的振幅、相位、頻率和雙程走時(shí)等，對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行定位，分析其幾何形態(tài)和物理性質(zhì)，適用于檢查井分布稀少或無檢查井標(biāo)示的暗渠以及全段封閉的暗渠。探地雷達(dá)具有快速、無損、不易受到干擾等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于土木工程檢測(cè)和深空探測(cè)中[8]。

3.3.2 工程應(yīng)用成果

探地雷達(dá)在本工程中的探測(cè)成果見表2。

表2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果

3.3.3 三維探地雷達(dá)介紹

常用的探地雷達(dá)掃描方式為橫向掃描（B掃描），而三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)一般需通過C掃描方式獲取，設(shè)定相鄰測(cè)線的間距小于最小波長的四分之一，然后采集一系列測(cè)線相互平行的二維剖面，并將這些二維數(shù)據(jù)組合成三維數(shù)據(jù)。相比較傳統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)，三維地質(zhì)雷達(dá)效率更高，其結(jié)果更加直觀可靠，后期數(shù)據(jù)處理能力和準(zhǔn)確性有明顯提高[9]。

3.4 聲吶探測(cè)儀探測(cè)

3.4.1 工程所用設(shè)備介紹

聲吶探測(cè)儀是一種利用聲波，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測(cè)的電子設(shè)備，有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。聲吶檢測(cè)法是將聲吶置于暗涵管道內(nèi)，進(jìn)而測(cè)算其斷面尺寸、形狀，以及檢測(cè)管內(nèi)沉積物和凝結(jié)物等，且可以識(shí)別大于3 mm的開放型裂隙[10]。這種方法的缺點(diǎn)是聲吶傳感器需要通過線纜與位于地面的聲吶處理系統(tǒng)相連，這就要求待測(cè)區(qū)域要有檢修井，此外檢測(cè)范圍也會(huì)受到線纜長度的限制。

3.4.2 水下成像聲吶設(shè)備介紹

水下聲吶成像原位觀測(cè)系統(tǒng)（雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)儀）能夠主動(dòng)發(fā)射兩種頻率的聲波，聲波遇到物體反射回來被探頭接收，經(jīng)聲學(xué)成像系統(tǒng)的信號(hào)處理可以在顯示屏上顯示物體的影響[11]。該儀器可運(yùn)用聲頻“鏡頭”在昏暗的水體中生成幾乎等同于影像質(zhì)量的圖像，完全擺脫光線和渾濁對(duì)水下觀測(cè)的影響，可用于暗涵管道調(diào)查等水下工程探測(cè)，最大工作深度可達(dá)300 m。

3.5 電位探測(cè)技術(shù)探測(cè)

電位探測(cè)技術(shù)是一種利用直流電供電裝置在管涵上方地面布設(shè)探測(cè)電極，借助水的導(dǎo)電性來檢測(cè)管涵周邊電信號(hào)的方法[12]。當(dāng)探測(cè)段不存在排口時(shí)，電信號(hào)保持平穩(wěn)，而存在排口時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常電信號(hào)，且越靠近排口，異常電位值越明顯。該技術(shù)還可以判斷管涵與周邊檢查井的連通性，通過導(dǎo)電性差異探測(cè)與上游相連的檢查井。電位探測(cè)技術(shù)需要在管涵有水的狀態(tài)下進(jìn)行，而探測(cè)距離、管涵內(nèi)環(huán)境等對(duì)探測(cè)結(jié)果影響不明顯，但要求暗涵管道為非金屬材質(zhì)，該方法適用于檢查井分布稀少或無檢查井標(biāo)示的暗渠。

3.6 人工最終確定探測(cè)

對(duì)于復(fù)雜暗涵管道采用其他探測(cè)方法有疑問的或不能探測(cè)清楚的暗涵管道，在足夠工作空間的條件下可以采用人工方法如釬探、鉆探或者開挖、下井等手段進(jìn)行最后的探測(cè)來確定淤泥分布特征、分布長度、厚度及其主要組成物質(zhì)。

（1）實(shí)際工程中首先要進(jìn)行有限空間作業(yè)防護(hù)，箱涵內(nèi)作業(yè)照明也要采用低壓防爆照明燈具[13]。防護(hù)措施如圖2所示。

圖2 有限空間作業(yè)防護(hù)（左）、強(qiáng)制通風(fēng)（中）、氣體檢測(cè)（右）

（2）強(qiáng)制通風(fēng)，按照有限空間作業(yè)要求，空間風(fēng)量不小于0.8 m/s或每小時(shí)換氣20次[14]。

工程中采用開敞式進(jìn)行持續(xù)通風(fēng)，在作業(yè)過程中對(duì)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，合理安排單次短時(shí)作業(yè)時(shí)間。對(duì)暗河段合理開孔強(qiáng)制通風(fēng)，氣體檢測(cè)合格后方可進(jìn)入探測(cè)。根據(jù)暗涵管道橫截面積，依據(jù)規(guī)范計(jì)算得出應(yīng)在工作區(qū)間上游檢查井口布置1臺(tái)30 kW軸流式風(fēng)機(jī)用于鼓風(fēng)，下游布置1臺(tái)30 kW軸流式風(fēng)機(jī)用于排風(fēng)。

（3）箱涵作業(yè)人員工作1h后必須上地面休息15 min以上再下箱涵繼續(xù)施工作業(yè)。

作業(yè)人員進(jìn)入箱涵前由監(jiān)護(hù)人員檢查各種設(shè)備是否穿戴整齊和正確。在箱涵作業(yè)時(shí)，作業(yè)監(jiān)護(hù)人員不得少于2人，應(yīng)與箱涵內(nèi)作業(yè)人員保持實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)通訊；作業(yè)人員在進(jìn)入箱涵后，應(yīng)先向作業(yè)監(jiān)護(hù)人員報(bào)告本次作業(yè)點(diǎn)，最遠(yuǎn)位置距離，最近出口正常通行所需的時(shí)間；禁止未經(jīng)過有限空間作業(yè)培訓(xùn)人員進(jìn)入箱涵作業(yè)；從事有限空間危險(xiǎn)作業(yè)的人員須佩戴安全帽、安全帶及安全繩；有水時(shí)還要穿戴好下底服、皮衩、救生衣等。具體防護(hù)工作及探測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 防護(hù)工作及探測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

本研究以寧德市中心城區(qū)水系綜合治理工程為例，探討了城市密集構(gòu)筑物區(qū)狹小作業(yè)空間下黑臭暗涵的探測(cè)方法，對(duì)于含有深厚淤泥的狹小黑臭暗涵一般應(yīng)進(jìn)行：①人工初步排查暗涵范圍；②對(duì)于有明確出入口或檢查井的暗涵，可以先采用QV潛望鏡初步探測(cè)，再進(jìn)行CCTV管道機(jī)器人視頻探測(cè)；③對(duì)于出入口不明確、檢查井稀少的暗涵，可以采用地質(zhì)雷達(dá)或者聲吶探測(cè)儀初步探測(cè)，必要時(shí)可以選擇車載型三維探地雷達(dá)或者水下成像聲吶探測(cè)；④對(duì)于全封閉的暗涵可以采用地質(zhì)雷達(dá)、三維探地雷達(dá)或者人工釬探、鉆探、開挖、下井等探測(cè)方法。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、水文條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況合理選擇綜合性探測(cè)方法進(jìn)行探測(cè)。