基于CCTV的水库输水涵管内窥检测与评估

刘建文，谭 彩，潘展钊

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

目前我国水库大坝总数超9万座，为保障水库大坝安全，水利部颁布的《水库大坝安全鉴定办法》明确要求大坝实行定期安全鉴定制度。输水涵管作为水库的重要组成部分，合理地对其安全性态作出评价是保障大坝安全运行的关键[1]。然而，由于水库输水涵管管径通常较小，人员无法直接进入进行检查，故目前绝大多数水库在进行安全评价时未对输水涵管进行必要的检测和评价。

目前管道检测主要方法有管道闭路电视检测(CCTV)、管道声纳检测、潜望镜检测、红外温度检测和地质雷达检测[2-6]。红外温度检测和地质雷达检测主要从管道外部对管道进行检测，检测结果不直观，且检测精度相对较低；潜望镜检测虽然可以通过视觉图像直接观测管道内部情况，但由于其无法直接进入管道内，检测长度有限，通常不超过6m，无法对输水涵管全线进行检测，难以准确评估输水涵管整体安全性态；管道声纳检测主要对管道内功能性缺陷进行检测，且需要通过水进行声波的传导，与市政管道不同，输水涵管上下游水头差较大，涵管淤积较为少见，主要隐患为结构性缺陷；CCTV技术通过管道机器人直接爬入管道，对管道存在的结构性和功能性缺陷进行直接拍摄，可以清晰直观获取管道内部信息，进而对管道进行科学准确的评估。因此，CCTV技术是目前最可靠、最有效也是最直观的管道检测技术。

目前CCTV技术在城镇排水管道检测中应用较为成熟，但在水库输水涵管中应用较少。近年来广东省水利水电科学研究院对CCTV技术在水库输水涵管开展了一系列研究，刘建文等[7]采用CCTV技术对石塘水库进行探测，并对适用性和优势进行了详细的分析；陆雪萍等[8]采用CCTV技术分别对库容放空后2周和1月的输水涵管进行检测，并对输水涵管渗水原因及来源进行了分析；徐云乾[9]将CCTV技术与三维激光扫描技术相结合，通过三维激光扫描技术将CCTV检测出的隐患在坝坡上进行标识；谭彩等[10]将采用振动探测仪对输水涵管振源位置和原因进行了推测，并通过CCTV技术进行了验证；袁明道等[1]分析了CCTV在进行输水涵管检测时，检测图像存在的主要问题，并针对性的提出输水涵管检测图像增强技术。湖南省水利水电科学研究院宋子龙等[11]将CCTV获取的图像进行三维重建，实现了输水涵管渗漏和裂缝隐患智能识别。

由于目前水库输水涵管检测没有规范，通常参照CJJ 181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》执行，然而水库输水涵管闸阀关闭后易产生雾气，完全按照规范程序执行，获取的检测图像质量较差，影响检测结果，为此针对水库输水涵管检测特点，总结了水库输水涵管CCTV操作程序，并引入隐患综合评估方法对输水涵管进行综合评估。

1 工程简介

某水库位于清溪镇铁场河下游，集雨面积19.1km2，水库于1957年12月开工，1958年5月竣工，工程主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、输水涵管和发电厂房等，是一座以供水为主兼顾防洪、灌溉、发电、渔业等综合利用的中型水库。水库原设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，总库容1210万m3。水库保护下游27万人、1.38万亩农田、3.31万亩工业区、1.45万亩居民区以及清溪镇区、塘厦镇区、清凤公路、广深铁路和东深供水工程罗马站等设施的安全。水库建成运行60多年来，充分发挥了防洪、灌溉、供水等效益，保障了水库下游人民生命财产安全和社会经济持续、稳定、快速健康发展。水库输水涵管于2002年10月改建，新建低涵管及竖井、阀门井闸室塔亭一座，采用穿越主坝钢筋混凝土顶管，管长146m，内径1.2m，最大流量10m3/s。

2 检测设备与操作程序

2.1 检测设备

本次水库输水涵管检测设备主要由操控面板、自动电缆箱、爬行车以及摄像头等组成，设备检测概况如图1所示。操控盘主要用于操控爬行车，同时操控盘上屏幕可实时展现爬行车传回图像；自动电缆箱为连接爬行车和操控面板的构件，操控面板下达的指令、爬行车的动力以及爬行车获取的图像均通过自动电缆箱传递，自动电缆箱电缆长度也是限制最大检测长度的关键，本次采用的电缆线长度为200m，基本可以满足绝大多数水库输水涵管的全线检测；爬行车重约6kg，长31cm，宽11cm，高90cm，可实现10m防水，爬行车采用LED 照明；摄像头安装在爬行车支架上，可随爬行车支架上下活动，同时摄像头自身可实现270°前后旋转，配置的摄像头光学变焦为10x，感光度为1 Lux。

图1 IPEK CCTV设备检测概况图

2.2 操作程序

水库输水涵管CCTV操作程序如图2所示，主要包括历史资料收集、现场勘查、检测方案编制、关闭上游闸阀、检测并采集数据、校验数据质量、输水涵管评估7个步骤。步骤一：历史资料收集。主要是明确输水涵管管径、管材、走向、运行年限以及运行工况等基本信息；步骤二：现场勘查。主要是通过现场查勘确定是否有作业条件，以及如何创造作业条件以及作业过程中可能存在的风险；步骤三：检测方案编制。主要是根据历史资料和现场查勘情况实际情况编制合理的作业方案，同时对可能存在的风险应有相应的应对措施；步骤四：关闭上游闸阀。CCTV需要在无水或者是少水的条件下进行作业，因此须关闭上游闸阀，放空输水涵管，然而水库输水涵管排水过程中会在管内产生大量的雾气影响检测结果，因此在检测前至少24h关闭输水涵管闸阀，保证雾气散去。步骤五：爬行器安放在输水涵管管口后，归零计数器。爬行车采集数据过程中宜沿输水涵管轴线行驶，且在爬行过程中不应变焦，进行输水涵管侧壁摄像时，应停止爬行器，对为保证图像清晰，隐患图像拍摄应在爬行车停止10s以上后进行；步骤六：校验数据质量。主要检验输水涵管内窥检测图像是否满足要求，对数据质量不满足要求的，应找准问题原因并重新检测；步骤七：输水涵管评估。结合输水涵管检测结果，综合评估输水涵管安全性态。

图2 输水涵管CCTV检测操作程序

3 检测结果

输水涵管由于上下游水头差较大，沉积等功能性缺陷并不常见，主要以结构性缺陷为主。输水涵管结构性缺陷主要包括破裂、错位、脱节、渗漏和腐蚀等，根据其严重程度由轻至重可划分为1—4级。本次CCTV检测从输水涵管下游出水口往上游检测至进水口(涵管出水口设为检测起始点，起点位置记为0.00m)，输水涵管缺陷轴向位置通过里程桩号确定，环向位置通过时钟法表征，时钟法包含4位数字，前两位表示隐患开始位置对应钟表上的时间刻度，后两位隐患结束时对应的刻度，时钟法表征输水涵管环向示例如图3所示，0903表示隐患环向从9点钟位置开始，到3点钟位置结束。

图3 输水涵管缺陷时钟表示法

本次检测长度约为120.00m(下游出水口至上游进水口闸门)，检测时管内水深约8cm，由于输水涵管底部存在积水，因此涵管底部局部区域隐患无法判断。检测结果表明，未发现输水涵管存在错位和不均匀沉降现象，涵管整体结构较完整。共检测到明显隐患点4个，其中破裂2处，分别位于距涵管下游进口92.11、101.46m，环向位置分别为1101、0006，隐患等级均为1级；错位1处，位于距涵管下游进口16.94m处，环向位置0506，分缝处流水有明显落差，错位距离少于管壁厚度1/2，隐患等级为1级。渗漏1处，上游闸门顶部出现线漏，水持续从缺陷点流出，由于渗漏发生在进口闸门顶部，推测其主要原因闸阀止水橡胶破损，隐患等级为2级。

4 输水涵管评估

为合理评估输水安全性态，引入CJJ 181—2012对管道的评估方法进行输水涵管评估。则输水涵管损坏状况参数S和最严重处的分值Smax分别可通过下式进行计算。

(1)

Smax=max{Pi}

(2)

式中，n—输水涵管结构性隐患数量，本次输水涵管共检测出4个隐患点，故n=4；n1—输水涵管纵向净距大于1.5m的隐患数量，本次检测隐患纵向净距均大于1.5，故n1=4；n2—隐患纵向净距在1.0～1.5m之间的数量，检测段无在此范围内的隐患，故n2=0；Pi1—隐患纵向净距大于1.5m的分值，其中渗漏隐患为2级，分值为2分，其余隐患均为1级，分值为0.5分；Pi2—隐患纵向净距在1.0～1.5m之间的分值，检测段无在此范围内的隐患，Pi2=0；α—输水涵管结构性隐患影响系数，α=1.1。

则输水涵管结构性缺陷参数F可表示为：

当Smax≥S时，F=Smax

(3)

当Smax

(4)

经计算，水库输水涵管损坏状况参数S=0.88，Smax=2，故输水涵管结构性缺陷参数F=2，1

5 结论

(1)水库输水涵管闸阀关闭后易产生雾气，完全按照CJJ 181—2012程序执行，获取的检测图像质量较差，影响检测结果。

图4 输水涵管隐患图

(2)针对水库输水涵管特点，总结了适用于水库输水涵管的CCTV检测程序，明确要求在开展穿堤坝涵管检测时，至少提前24h关闭输水涵管闸阀，以保证涵管在排水过程中产生的雾气散去，该程序有效保障了穿堤坝涵管CCTV检测成果的质量。

(3)引入综合评估方法对水库输水涵管进行评估，结果表明输水涵管存在的明显隐患点4个，输水涵管综合评估为2级，输水涵管有明显缺陷，对其结构状况有一定影响，具有逐步恶化的趋势，与工程实际相符，引入的综合评估方法可有效反映输水涵管整体安全性态。