城市排水暗涵安全检测与评估方法的应用研究*

赵越顺，孟 磊，陈永辉，杨昊东

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710043

1 暗涵检测现状

随着各个城市的不断发展，水环境治理成为各个城市考核的一项重要指标。深圳在过去20多年快速城市化和工业化的影响下，河流治理工作严重滞后于社会经济发展速度，所存在的安全隐患问题也逐步凸显出来，主要包括四个方面：（1）河道覆盖现象比较严重，形成了暗河、暗渠等，所带来的安全问题主要有内部缺陷及后期运维困难；（2）部分河段箱涵由于年久失修，存在老化、开裂、钢筋锈蚀、四周土层可能出现空洞；（3）暗涵内部暗接排口，尤其是污水排口，对水质达标造成重大影响；（4）河道淤积现象比较严重。

为了确保人们的生命财产安全，保障城市经济快速高效发展，必须针对覆盖河道所存在的诸多问题进行全方位的安全检测与评估，及时掌握其现状信息，对症下药，提出相应的解决方案和实施措施，使暗涵内部结构性和功能性缺陷得以整治，对排污口进行溯源及整治，确保水质达标。

目前传统的暗涵检测仅采用闭路电视进行暗涵外观检测，无法满足结构检测的需求，不能对暗涵墙体内部隐患进行有效检测；采用传统测量方式对暗涵进行测量，耗时比较长，且增加了人员在涵内的危险性。为了提高暗涵检测的安全性及工作效率，对暗涵进行全方位检测和评估，深圳市水务局出台了《深圳市排水暗涵安全检测与评估暂行指南》，文章据此对深圳市某暗涵进行安全检测与评估，旨在为暗涵治理提供依据。

2 工作方法

暗涵检测分为外观检测、结构检测及周边隐患探测，外观检测方法包含人工检测方法、摄像检测方法、声呐检测方法及三维激光扫描法；结构检测方法包含超声波法、冲击回波法、探地雷达、超声横波反射三维成像法、钻孔法、回弹法等；周边隐患探测包含探地雷达法、高密度电法、瞬变电磁法、地震反射波法、瞬态面波法、天然源面波法、钻孔取芯法等方法。文章重点介绍三维激光扫描及探地雷达方法。

2.1 三维激光扫描

对水深较浅、淤积较小（不大于50cm）、水深距离底板不大于1m的暗涵（渠）采用人工三维激光扫描方法，其中三维激光扫描设备如图1所示。由潜水员配合作业的方式开展检测，结合实时差分定位设备（RTK）、全站仪测距技术，获取高密度、高精度的点云数据，应用分析软件，进行暗涵排口位置精确定位、功能性、结构性缺陷评估。通过对实测数据进行处理与分析，完成暗涵本体尺寸特征、暗涵检查井空间分布情况检查，以及排放口的排查与统计，其中，排放口的排查与统计信息包括排放口的空间位置、管底标高、直径、材质、实测时是否有水流出等信息。

图1 三维激光扫描设备

2.2 探地雷达

地质雷达（GPR），也被称为探地雷达或透地雷达。GPR技术是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化，GPR利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，根据接收到的资料来推断介质的结构及性质等信息。地质雷达工作原理图如图2所示，H表示地层深度。

图2 地质雷达工作原理图

地质雷达主要利用带宽高频时域电磁脉冲波的反射检测目标体，电磁脉冲时间t的计算公式如下：

式中：z为目标埋深；x为发射、接收天线距离；v为电磁波在介质中的传播速度。

地质雷达法是依据地下介质界面对电磁波的反射同相轴的连续性进行判断，数据利用美国的Radan软件进行数据处理成图。此次检测采用的探地雷达型号为美国劳雷公司的SIR4000，其工作数据处理流程包括数据编辑、时间零点调整、距离归一化、水平滤波、背景噪声去除、时深转换、反褶积、部分数据选择偏移处理，数据处理流程如图3所示。

图3 数据处理流程图

3 工作成果

此次检测成果以深圳市某项目某条暗涵检测为实例，利用三维激光扫描和探地雷达对该暗涵进行检测并评估，暗涵检查以面向水流方向（上游至下游）定义左右方向，即面向水流方向左手边为左侧墙、右手为右侧墙，里程桩号从每段箱涵下游往上游编排，隐患编号按河流拼音缩写+箱涵编号+隐患类型（危害程度等级）隐患流水号来编排。

3.1 暗涵外观检测

（1）暗涵外观检测内容。此次外观检测采用三维激光扫描方法进行检测，查明以下内容：①暗涵的长、宽、高、横纵断面等尺寸信息；②结构性缺陷和功能性缺陷情况；③检测暗涵的淤积、冲刷现状；④糙率现状调查；⑤必要时，查明暗涵内部排口位置、大小、材质等属性信息。

（2）暗涵外观检测成果。①暗涵的长宽高、横纵断面由三维激光扫描数据经过处理后得到的，部分示意图如图4所示。②结合三维激光扫描成果与摄像视频，可得出结构性缺陷和功能性缺陷成果表，严重程度从低到高为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级（下文相同），其部分信息如表1所示。③依据三维激光扫描结果，可得到暗涵内各排口位置、属性等信息，其部分成果表信息如表2所示。

表1 某暗涵缺陷成果表部分信息

表2 某暗涵排口成果表部分信息

图4 某暗涵部分横断面图（单位：m）

3.2 暗涵结构检测

（1）暗涵结构检测内容。此次采用探地雷达及回弹法等方法进行检测，结构检测主要检测混凝土强度、混凝土裂缝、混凝土结构厚度、混凝土钢筋分布及锈蚀、碳化深度等。

（2）暗涵结构检测成果。混凝土结构厚度及钢筋分布可从探地雷达成果图中得出，暗涵某段探地雷达成果图如图5所示。混凝土裂缝可采用裂缝仪及裂缝测宽仪进行检测，裂缝部分信息如表3所示。综合结构检测成果，可得到暗涵结构检测成果表，其部分信息如表4所示。

表3 某暗涵裂缝检测成果表部分信息

表4 某暗涵结构检测成果表部分信息

图5 暗涵某段探地雷达成果图（未进行距离归一化）

3.3 周边土体隐患检测

周边土体检测一般是指对暗涵左右边墙、底板、顶板周边土体进行隐患探测，探测是否存在脱空、富水、疏松甚至是空洞现象。此次暗涵检测采用探地雷达对其周边土体进行探测，如图6所示。

图6 某暗涵上覆土层探地雷达部分剖面图（K0+080～K0+150）

3.4 暗涵运维设施检查

暗涵运维设施检查包含以下内容：（1）检查井的检测，具体包括井位及井间距测量、井盖与井座完好性检查、井壁完好性检查、安全防护设施完好性检查、人工爬梯完好性检查等；（2）出水口的检查，具体包括冲刷、护墙结构坍塌、异物堵塞等检查；（3）运维设施周边土体检测。但是运维设施检测只是提供参考资料，并对暗涵进行指标化定性评估，不进行复核计算。

3.5 暗涵总体安全评估

综上所述，排水暗涵单元的安全等级根据子单元安全等级综合确定，暗涵总体的安全等级根据过流能力、结构安全及耐久性、周边土体空洞隐患的安全等级综合确定。

该暗涵的功能性安全评估等级为Ⅳ级，结构安全及耐久性安全评估等级为Ⅰ级，周边土体安全评估等级为Ⅳ级，暗涵总体安全评估等级为Ⅰ级，其重大原因为子单元4（K0+100～K0+150）存在较大变形和严重的拉筋孔渗漏问题，并且由设计单位对该子单元的结构安全进行复核计算，以设计复核结果为准。

4 结束语

文章采用综合方法对暗涵进行安全检测和安全评估，通过对这次暗涵检测评估方法的应用分析，为城市暗涵整治提供了有力依据，保证了城市水环境治理水质达标，有效地排除了暗涵存在的隐患，保证了人们的生命财产安全。排水暗涵环境复杂，外部条件变化大，暗涵安全现状不是一成不变的，因此排水暗涵的安全评估是一个动态的过程，需结合排水暗涵的动态化检测成果进行复核、修正，并根据变化确定安全检测与评估的频次。