基于GPS-RTK技术的穿越河流管道外检测方法

周小莉，梁文旭，李 建，李任之

（1.四川水利职业技术学院 测绘工程系，四川 崇州 611231；2.四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072；3.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；4.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

基于GPS-RTK技术的穿越河流管道外检测方法

周小莉1，梁文旭2，李 建3，李任之4

（1.四川水利职业技术学院 测绘工程系，四川 崇州 611231；2.四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072；3.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；4.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

针对穿越河流管道检测的工程需求问题，研究了基于GPS-RTK技术的穿越河流管道外检测方法，综合运用DM管道防腐层检测仪、测深仪、GPS、全站仪等构建穿越管道外检测系统，通过采取岸边检测和水下检测的方法，实现了对穿越河流管道的精确探测，达到了保证穿越河流管道安全运行的目的，能为水下管道运行、检测及维修提供数据和信息支撑。

穿越管道；管道检测；RTK技术

管道输送被认为是与公路、铁路、水运、航空并列的5大运输行业之一，主要用于能源输送，在我国经济发展中已起到命脉作用。管道检测是为了评估管道输送系统的安全性，主要目的是检测管道上的异常点，降低事故发生率。管道外检测就是从管道外部进行检测，主要是对管道的外部环境状况以及管道在水底自身的状况进行检测，包括管道处水深、埋深、管道走向、管道裸露状况及管道外壁防腐层破损、变形、损伤状况等的检测[1-3]。

在工程建设中，各种大型管道会遇到穿越河流的问题，穿越的方式有定向钻、隧道（钻爆、盾构、顶管等）、大开挖（围堰导流、分段等）等[4,5]。由于施工技术和条件等因素的影响，80%的穿越管道未达到设计深度，而管道埋深是评价水下穿越管道的重要指标[6]。河流的冲刷、腐蚀、清淤、挖沙、泥石流、河床地质运动、地震荷载冲击等活动，均会造成管道的损毁，影响管道的平稳运行，并导致河水的污染[7]。目前，国内外穿越河流管道埋深检测方法较多，相应的设备种类繁多、性能各异。本文采用基于GPSRTK技术构建穿越管道外检测系统的方法，探讨其中的关键技术，完成穿越河流管道的埋深检测、防腐层破损点检测、穿河段地形测量等工作，并通过实例加以验证。

1 外检测系统构建

本研究综合运用GPS-RTK、回声测深仪、DM管道防腐层检测仪（发射机和接收机）、全站仪等组成穿越管道外检测系统。其中，GPS-RTK技术是将基准站观测值和坐标信息以及GPS采集的观测数据在系统内组成差分观测值进行实时处理，求得其三维位置[6]。回声测深仪是利用换能器测得的声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，求得障碍物与换能器之间的距离。DM管道防腐层检测仪用于在非开挖条件下，采用多频电流和交流电位梯度（ACVG）测量技术，对穿越管道防腐层进行现场绝缘性能评估和缺陷点定位。DM管道防腐层检测仪主要由DM超大功率发射机、接收机、数字A字架组成，如图1所示。

图1 DM管道防腐层检测仪组成图

DM管道防腐层检测仪的操作流程如图2所示。DM管道防腐层检测仪的发射机将含有近于直流的超低频信号电流、管线定位电流、绝缘故障定位电流等多种频率的混频电流信号施加于穿越管道上，与大地构成闭合回路传播。当不存在破损处时，电流随着传播距离的增加均匀地减弱[8]。当防腐层存在破损处时，电流从破损处的故障点泄漏到土壤或其他管线中，导致管线电流出现明显的电流陡降异常，土壤中出现明显的交流ACVG异常。根据ACVG异常数据即可确定当前管线的破损程度，进而确定修复方案。

图2 DM管道防腐层检测仪的操作流程图

2 穿越管道埋深外检测方法

2.1 基本原理

穿越管道埋深外检测系统工作原理如图3所示。GPS-RTK技术用于实时提供空间位置信息，为管道坐标计算提供基准，DM管道防腐层检测仪用于探测管道埋深，回声测深仪探测出河床到水面的距离即水深。穿越管道埋深外检测主要分岸边检测和水下检测两种，需要根据不同工作条件，选择不同的作业方式和计算方法。

图3 穿越管道外检测系统工作原理图

岸边检测采用GPS+DM管道防腐层检测仪的方式，利用GPS获取位置信息，DM管道防腐层检测仪直接获取埋深。水下检测则用DM管道防腐层检测仪探测出管道顶到水面的距离，回声测深仪探测出河床到水面的距离（水深），通过DM管道防腐层检测仪探测深度减去回声探测仪探测的水深得到管道埋深。综合运用上述位置和深度信息，可以计算出水下管道的覆土层厚度、是否露管、露管长度以及露管起始位置的坐标等信息。检测过程中，为了保证检测数据的精度与可靠性，要求每个检测点的间距不大于1 m，同时对穿越河流地面段提取不低于1%数据进行开挖验证，并需提供检测部位浅埋管道GPS坐标、管道防腐层破损点GPS坐标，最后与收集到的原有河流穿河管线的竣工资料进行对比。

2.2 方法与步骤

1）收集各穿越断面的竣工资料、已知控制成果，制定检测方案。

2）DM管道防腐层检测仪的架设及检验。

3）GPS-RTK的基站架设及检校。GPS-RTK在使用时应注意以下事项：①GPS-RTK的基准站尽可能架设在高处，并避开强磁场的干扰，以提高数据的传输速度，保证基准站与流动站的正常通信；②实地作业时，应该在作业前使用控制点进行参数解算和控制点检核；③测量时手持流动站观测杆，采用三脚架来安置流动站，确保定位瞬间GPS接收机处于稳定状态，在固定解状态且HRMS≤0.05、VRMS≤0.02时进行数据采集。每个点位在不同的时间段观测2次，较差小于5 cm的取中数，大于5 cm的返工重测。

4）利用DM管道防腐层检测仪确定管道的中心位置，同时探测管道埋深，在确定位置的同时，采用GPS-RTK对管道进行瞬时定位，并测出该点的瞬时水深，储存并在采集完成后传输到计算机。

5）当所有数据采集完成之后，将采集得的数据全部传输到计算机，绘制穿越的河床断面图及管道埋深断面图。

3 实例分析

3.1 外检测区域基本情况

实验检测管道穿越XX河及某公路，穿越平面图如图4所示，穿越桩为TQH01和TQH02。该穿越河流断面处上下河道顺直，河段比降9‰，右岸为公路，左岸为中低山，主河槽宽约40 m，穿越处管径为D1016，设计压力为10 MPa，穿越处地区等级为二级，穿越工程等级为中型，采用大开挖穿越方式通过。河流于2014年7月测定，检测时水位标高为695.482 m。实际检测长度为49.51 m，其中水下段长度为42.54 m。

3.2 外检测数据分析

图4 XX河穿越管道埋深外检测平面图

本文运用上述技术方法对该管道50处检测点进行观测和计算，得到的检测数据如表1所示。

表1 穿越管道检测数据/m

通过对上述检测点进行分析，该管道水平段设计标高为687.59 m、检测标高为687.91～688.19 m、标高最大差为0.32～0.60 m、最小埋深为6.82 m。

从检测地面标高、设计管底标高、检测管底标高、里程等方面入手，采取横向1：500、纵向1：200的比例来绘制穿越管道埋深断面图，如图5所示。

图5 穿越管道埋深外检测断面图

结合以上检测数据和图表，经过实际检测数据以及与管道设计、竣工埋深作比较，可得出以下结论：

1）平面位置，XX河穿越平面位置与设计位置基本一致，实际管线穿越位置位于设计管线右侧约2.0 m；

2）埋深方面（至管底），XX河穿越水平段检测管底标高为687.91～688.19 m，河道最深处最小埋深为6.82 m；

3）与设计比较，XX河穿越水平段设计管底标高为687.59 m，水平穿越段检测管底标高比设计标高高0.60 m，爬坡段实测管底标高低于设计管线下约0.3 m；

4）与竣工比较，竣工测量管底标高剖面线与设计线相同；

5）破损点分析，采用DM防腐管道探测仪，对XX河流穿越处管道进行破损点探测，未发现管道上有异常电流值，可认定该段管道无破损点。

XX河穿越检测管底标高比设计标高高0.60 m，不满足设计高程要求，建议业主方、设计方、施工单位、监理单位共同会商处理；建议雨季来临时，加强人工巡视，并在洪水冲刷较大时，定期对管道进行埋深检测。

4 结 语

本文对穿越河流管道外检测方法进行了探讨，并运用实例对关键技术与方法进行了检验和分析，结果表明，运用该方法能够掌握穿越管道的埋深情况，满足穿越河流管道外检测的精度要求。后续将继续加强已完成的河流穿越管道检测数据的建库工作，为水下管道运行、检测及维修等提供更多的数据和信息支持。

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P258

B

1672-4623（2016）03-0099-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.032

周小莉，硕士，讲师，主要从事工程测量、摄影测量的教学、技术设计和管理工作。

2015-03-02。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41001226）。