湯克軒，劉占興，王志豪，田書宇，張文波，于婷婷

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司勘察院，天津 300222；2.中國地質大學地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

城市排水管涵是城市排污、排水、防汛的重要基礎設施，在城市雨水、污水有序收集、運輸和治理體系中發(fā)揮著重要作用［1］。排水管道內部結垢、沉積、障礙物等功能性缺陷是導致排水能力下降的主要原因之一［2］。定期開展管道缺陷檢測，了解管道運營狀況，依此進行有效的維護，是提升管道通水能力、防止城市內澇、維護城市環(huán)境的重要舉措［3］。

排水方涵一般為預制或現(xiàn)澆的混凝土方形過水涵，過流量大、形狀標準、施工方便、具有一定的承載力，城市排水系統(tǒng)中，核心區(qū)域的大流量排水通道一般采用方涵。相同的斷面面積下，方形截面的水力半徑小于圓形截面，方涵具有更大的摩擦阻力，涵底更易淤積，且方涵的四壁受力不像圓管那樣均勻，彎曲管段不利于抵抗水流壓力，相對于圓管，更容易產生結構性缺陷。綜合考慮方涵的重要性、結構和淤積特點，方涵應作為城市排水系統(tǒng)運營中檢測和維護的重點對象。

對于管底沉積檢測，傳統(tǒng)方法一般是打開井蓋，使用量泥斗來檢查井口附近的積泥厚度，以此推斷整個管段的淤積情況［4］。隨著現(xiàn)代檢測技術的發(fā)展，以管道閉路電視（Close Circuit Television Inspection，CCTV）為主的內窺檢測技術成為管涵內部缺陷檢測的主流［5－7］，CCTV檢測的前提是管道內具備搭載車及攝錄裝置的通行和攝像條件，在積水積泥嚴重的管段，往往測試條件不理想。管道聲納因具有能適應高水位、數據量化等優(yōu)點，是在不具備降水或爬行器通行條件的情況下首選的檢測方法［8，9］。目前，基于聲納、雷達、內窺和測距的多手段聯(lián)合管道淤積探測技術也日趨成熟［10－12］。另外，缺陷智能化識別和分類技術也在不斷發(fā)展［13，14］。聲納技術以聲波反射定位、成像為基礎，檢測結果高效、無損，在水底地形［15，16］、河湖淤泥厚度［17，18］、水下沉船、水下管道、海底光纜探測［19－21］、水下建筑物質量檢測［22，23］等方面發(fā)揮著廣泛的作用。將聲納技術應用于城市排水管道檢測，是聲納技術應用的拓展和有效嘗試。

相對于圓管，方涵在市政工程中的使用范圍有限，且其聲納檢測數據處理相對復雜，目前國內外聲納技術在排水方涵沉積缺陷檢測中的工程實踐和經驗積累相對較少。在規(guī)則的圓形管道中，可以通過聲納成像弧狀輪廓的圓周擬合來獲取管道邊界。而方涵不同，頂、底板的位置與側壁輪廓無確切的幾何關系，在檢測過程中，需要量取水位或頂底埋深等參數來間接推算，測量過程中還需考慮檢測井之間的管道和水面坡度，以便對中間涵段頂、底板位置做插值計算。在方涵沉積缺陷檢測中，由于方涵的邊界在資料解譯時無法像圓管一樣通過特定半徑的圓周做推斷和約束，當方涵口徑變化或存在彎曲、沉降等變形時，缺陷判別和缺陷等級判讀的難度加大。由于聲納探頭在水中非靜態(tài)測量，存在一定的左右轉角和前后傾角，測量出的方涵邊界可能是平行四邊形而非方形；在無邊界約束或不進行角度校正的情況下，所測距離均為視距離，對淤泥厚度檢測影響明顯。另外，由于聲納成像的鏡像效果，水位上、下方涵側壁不像圓管具有弧角，有時不易找到對稱中心線（水面），很容易將淤泥頂界的鏡像影像與箱涵頂板、水面等界面混淆。

本文以某城市核心城區(qū)主排水方涵為例，就方涵涵底淤泥厚度聲納檢測的步驟、要點和數據處理過程中容易忽視的若干問題進行討論。

2 方法原理

管涵內聲納檢測是一種采用聲波反射原理對管道（涵）變形、淤積進行量化分析的檢測技術。它利用聲波對水下物體進行探測和定位識別，無需像管道攝像檢測方法一樣排干管道內部的液體，便可獲得充滿液體的管道內部破損、淤積等相關數據。

排水管涵內聲納檢測技術的工作原理是以高聚焦脈沖反射波為基礎的［24］。該技術利用步進電機帶動換能器，在排水管道中繞自身360°旋轉，并連續(xù)發(fā)射聲納信號，反射信號的傳播時間和幅度被測量并記錄下來，顯示成管道截面圖，通過觀測管道截面圖的完整性來檢測管道病癥［25］。

換能器與管壁之間的距離可由反射信號的傳播時間計算得到，計算公式如下［26］：

其中：v是聲波在雨污水中的傳播速度（m／s），通過從被檢管道中取水樣裝入已知尺寸的容器中實測得到；t是反射信號的傳播時間（s）；d是換能器與管壁之間的距離（m）。

反射波幅度可以反應管道壁的各種性質。反射波能量的大小可以利用反射系數R來表示，反射系數的表達式如下［27－29］：

其中：ρ1、v1分別是管道內雨污水的密度（kg／m3）和聲波速度（m／s）；ρ2、v2分別是排水管道管壁的密度（kg／m3）和聲波速度（m／s）；其兩者乘積ρv叫作聲阻抗，反應管道的聲學特性。

3 工程實踐

3.1 工程概況

某城市核心城區(qū)主排水方涵長約7km，為2000mm×2000mm方涵，為保證雨季行洪順暢，需對涵底積泥厚度進行調查，以便及時清於。方涵內可能含有硫化氫、二氧化氮等有毒氣體，水位較高（部分滿水），漂浮物也較多，且不具備降水條件，故CCTV或其它組合類檢測設備不太適用，擬采用既能漂浮又能潛水的管道聲納設備對涵底積泥厚度進行檢測。

3.2 外業(yè)實施

聲納檢測設備由聲納探頭、電纜盤、主機、成像分析軟件四部分構成。測量時，將水下掃描單元（聲納頭）置于管道內部的水下（滿管、半管均可），本次管道聲納成像檢測采用人工拖拽的方式驅動（可滑行、漂?。?。宜尋找專門的動力裝置牽引塑料繩穿越相鄰檢查井，然后用牽引繩作為聲納探頭的動力源和方向指引。當搭載聲納探頭的漂浮桶在管道內移動時，聲納探頭旋轉式發(fā)射聲波脈沖，并接收從物體表面發(fā)射回來的信號。聲納利用色彩表示從管壁反射回來的回波強度，并且將每個管道橫截面顯示出來。聲納探頭的移動速度取決于管道直徑和需要探測的缺陷大小。管道聲納檢測工作示意見圖1。

圖1 排水方涵聲納檢測示意圖［25］Fig.1 Schematic diagram of pipeline sonar detection

綜合考慮檢測精度和檢測效率，本次檢測的采樣間隔為0.1～0.5m。檢測條件欠佳的測段，采樣點距不應大于2.0m。每個涵段聲納檢測開始前和結束后，應分別用測量尺測出水面到涵頂的距離。

3.3 資料處理

3.3.1 積深計算

現(xiàn)有的管道聲納處理軟件主要是針對圓形管道，首先通過邊界擬合來獲取管道輪廓，然后量取淤泥頂界面到管壁輪廓底部的距離，即為淤積深度，如圖2所示。通過管壁聲納影像的圓形邊界擬合可知，管道內徑約1696mm，最大淤積深度約251mm。

圖2 圓形管道聲納檢測數據解譯示意圖Fig.2 Schematic diagram of circular pipeline sonar detection data interpretation

由于方涵側壁是上下平行延伸，不具有固定的弧角，方涵內壁的上、下邊界無法通過邊界擬合獲得，獲取方涵淤積厚度的方法和過程與圓管略有不同。首先，需要根據水面位置、水面和涵頂的距離推算涵頂位置，然后以箱涵頂界面為基準，根據箱涵內壁的設計高度，推算箱涵底位置。對于管涵聲納數據處理軟件，在繪制方涵的標準模型、確定方涵邊界位置時，應提前換算方涵頂底邊界位置。

方涵聲納檢測典型的單點采樣原始數據如圖3（a）所示。聲納檢測的原始圖像能顯示水面、淤積層頂部、方涵內兩側壁的輪廓，聲納探頭一般接收不到涵底的反射信號（聲波能量一般不足以穿透淤積層，且分辨率有限），也無法接收水面以上界面信號（聲波以水作為主要傳導介質）。因此需要在兩端檢查井口利用刻度尺測量出水面到方涵頂板的距離d1（一般為管道兩端測量值求平均），在分析軟件上量取水面到淤泥的距離d2（多次測量求平均），利用方涵的設計高度h減去兩個測量距離，即為涵底淤泥厚度d3，即

圖3 方涵聲納檢測數據解譯示意圖Fig.3 Schematic diagram of square culvert sonar detection data interpretation

在方涵中，d1、d2、d3、h及其它長度變量，一般均以mm為單位。對于圖3，h為2000mm，d1近似為1439mm，d2為250mm，所以淤泥厚度約為311mm。

在野外操作上，相對于圓管，方涵聲納檢測多一步d1的測量。對于聯(lián)合探測裝置，d1可通過激光測距裝置同步獲取，但對于大多數經濟型單一功能的聲納裝置，一般采用管口人工測量。

3.3.2 等效淤泥厚度計算

當淤泥頂界面不齊整時（尤其在大尺寸或清淤不徹底方涵中），不能量取最大厚度或隨機量取某點厚度作為斷面的淤積厚度，可以求算等效淤泥厚度珚d3，利用第三方繪圖和測量軟件，描繪并測量出圖3（b）中的淤積層的橫截面積S（單位：mm2），然后除以對應管涵的設計寬度l（單位：mm），即

3.3.3 姿態(tài)校正

管道聲納檢測時，聲納探頭多處于懸浮狀態(tài)（即浮力與自重相當，可因需調整聲納探頭內部的充水量以調節(jié)自重），因受力不均，其測試位置和姿態(tài)會發(fā)生變化，探頭在水中位置（與側壁及水面的距離）不影響測試結果，在水中任意的位置均可掃描出360°圓周的反射界面，但探頭的姿態(tài)（包括左右轉角θ1、前后傾角θ2、圓周轉角θ3）對測量結果影響較大。

漂浮物在探頭上的不均勻纏繞及牽引過程中的不均勻受力等原因，會改變探頭的左右轉角和前后傾角（分別影響左右寬度和上下高度），因此聲納影像會出現(xiàn)變形和傾斜（圖4）。若無法進行有效的角度校正（多數處理軟件無法做傾角校正），會影響測量結果的準確性，甚至出現(xiàn)上下段視距離測量值大于管涵口徑，計算出的淤積深度為負值的情況，如圖4（a）所示，這個時候必須進行角度校正。在軟件上測量的視距離d′2和真實距離d2、變化角度θ（單位：°）的關系為：

圖4 管涵聲納成像無角度校正效果Fig.4 Schematic diagram of sonar imaging with no angle correction

式（5）和式（6）中，變化角度θ為圖（4）底端所顯示的左右轉角θ1（ROLL）和前后傾角θ2（PITCH）的綜合反映，通過聲納探頭中內置的方位羅盤測量所得，二者的校正方式相同。測量時，一般采用雙向牽引繩，前后牽引探頭，保持探頭走向與管道延伸方向一致，可使θ1保持在較小水平。

大多數情況下，聲納檢測獲取的方涵側壁輪廓并非直立的，而是有一定的偏轉角θ3，如圖2～圖5所示的成像輪廓，均不端正。這是因為圓形的聲納探頭為環(huán)狀掃描，其收發(fā)起點在水中并不能保持特定的位置，本該正面朝上（一般設置）的探頭的掃描起點在圓周上的轉角決定了掃描成像圖的旋轉角度，這個圓周轉角θ3不影響淤泥厚度檢測結果，在不做特定結構性和功能性缺陷的方位快速判讀時，一般不用做校正。在繪制三維連續(xù)淤積斷面時，應做圓周轉角校正，將各斷面影像按轉角進行反向旋轉即可。

圖5 水面和底部投影圖示Fig.5 Schematic diagram of water surface and bottom projection

3.3.4 界面識別

資料解譯過程中，應有效識別水面和底部投影（聲波在水面的二次反射），特別是在水質干凈、漂浮物少、淤積層較厚且頂界面平滑時，水面反射信號弱，而底部投影清晰，且與水面間距較小，水面和底部投影很容易混淆。如圖5（a）所示，當水面較干凈時，基本看不到水面的反射信號，很容易把底部投影當成水面，這樣測出來的水深d1就大出1倍。當淤泥頂界面齊整時，容易將底部投影當成方涵頂板。

底部投影與淤泥頂界面多以水面為對稱中心而鏡像存在，水面信號一般較為平直，且聲納探頭多數在水面以下臨近水面的區(qū)域。在水面存在漂浮物處，水面信號較強，鏡像信號較弱（漂浮物散射）；反之，水面干凈無浮渣，水面信號較弱，鏡像信號較強。排水方涵管道聲納資料解譯時，水面和底部投影要結合前后測點的情況加以甄別。另外，可以借助水面的浮渣投影或不規(guī)則底界面與其影像的對稱中心來尋找水面，如圖5（b）和圖5（c）所示。

3.3.5 坡度校正

排水方涵通常設計有一定的自流坡度，而水面的上下游坡度往往與箱涵的頂底板坡度并不完全一致，如圖6所示。當管段長度較大時，管段兩端檢查井水面到方涵頂板的距離相差較大，如果直接將首尾檢查井頂板與水面距離的平均值作為整個管段的d1值，勢必會有較大的偏差。

圖6 方涵內部情況斷面Fig.6 Sectional view of internal situation of drainage square culvert

對于管段不同位置水面到方涵頂板的距離d1，可根據相鄰檢查井水面到方涵頂板距離的測量值D1、D2及測點位置L2和管段長度L1，參考式（7）進行線性插值，即

式（7）中，變量單位均為mm。

也可以用管道坡度角α（單位：°）、水流坡度角β（單位：°）及上游側管口信息計算任意管點d1值：

式（8）中，α、β一般通過兩端孔口跨度及頂、底界面高差計算所得。

3.4 檢測結果

根據各測點的數據處理結果，繪制方涵淤積厚度曲線，并根據《城鎮(zhèn)排水管檢測與評估技術規(guī)程》（CJJ 181—2012）和《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站運行、維護及安全技術規(guī)程》（CJJ 68—2016）對檢測結果進行評估。

以各測點聲納徑向掃描斷面為基礎，校正圖像數據，并計算各測點的等效淤泥深度。以此為基礎，繪制管涵內的沉積斷面圖。以樁號K4＋501.3～K4＋537.3為例，該段排水方涵聲納檢測的沉積狀況縱斷面圖如圖7所示。

圖7 方涵內部淤積斷面Fig.7 Siltation section of drainage square culvert

對該典型段方涵內淤積泥層厚度進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 典型測段（K4＋501.3～K4＋537.3）淤積泥層厚度Table 1 Statistical table of siltation thickness in typical test section（K4＋501.3～K4＋537.3）

該段方涵檢測范圍內方涵內淤積厚度262～469mm，占管徑比例13.11%～23.49%，缺陷等級為1級，平均淤積厚度411mm，現(xiàn)存淤積量29.86m3。方涵內淤積泥層厚度在允許淤積深度線（400mm）以下的測段占比29.44%。管道養(yǎng)護指數MI為1.84，沒有立即處理的必要，但宜有處理計劃。

4 結論

本文通過對某城市中心城區(qū)主排水方涵的聲納檢測，準確判定了方涵涵底的淤積情況，為后續(xù)清於處理提供了依據。通過本次針對方涵的聲納檢測，總結經驗如下：

1）方涵管道聲納淤泥檢測過程與圓管不完全相同，數據處理無法做邊界擬合，數據采集時應同步測量水面到涵頂的距離，數據處理時若量取淤積深度，應提前換算方涵頂底邊界位置；

2）方涵管道聲納檢測數據處理時，對淤泥的鏡像界面、水面、方涵頂板應進行有效的信號甄別；

3）漂浮物不均勻纏繞及牽引過程中的不均勻受力等，會改變聲納探頭的左右轉角和前后傾角，若無法進行有效的角度校正，會影響測量結果的準確性；

4）方涵頂底板和水面坡度角非完全一致，對淤積層厚度及淤積量換算存在一定的影響，當測段跨度較大時，應進行坡度角校正；

5）當淤泥頂界面不齊整時，不能隨意量取任意點的淤泥厚度，可根據淤泥界面面積計算等效淤積厚度。