拟流场法在高水位污水管道渗漏检测中的应用研究

王永涛， 邵 春

（1.中国地质大学（武汉） 自动化学院， 湖北 武汉 430074； 2.中国地质大学（武汉） 资源学院， 湖北 武汉 430074）

0 引 言

污水管道肩负着运输城市生活污水的功能，如果管道有裂缝，污水会流出管道，污染管道流经区域环境。雨天时，雨水会流入污水管道，增加污水处理厂的负担。因此，污水管道的好坏与居民的生活和城市的环境息息相关，研发污水管道渗漏检测仪器具有重要的意义。

现有的污水管道检测仪器很多，包括管道视频潜望仪、管道视频检测机器人、推杆式管道内窥仪、管道声纳检测仪等[1-3]。前面3 种仪器都是以摄像头为传感器的视频检测仪器，在管道口或者深入管道里面检测，检测精度高，能有效检测出管道裂缝，但视频检测仪器检测前需要对管道进行清洗，作业成本很高。视频检测仪器还要求污水管道里没有水或者水量很少[4]，但大多数污水管道里面污水很多，并且不能封堵，所以视频检测仪器只能检测少部分污水管道。管道声纳检测仪是水下检测设备，不需要排干污水，其对于管道塌陷、管道变形、管道淤泥等缺陷有很好的检测效果，但对于管道渗漏检测收效甚微。污水管道渗漏检测需要新的技术方法和仪器设备。拟流场法是一种地球物理无损检测方法，是由何继善院士首先提出，并在堤坝管涌渗漏检测中已经被验证的可行的地球物理方法[5-7]。拟流场法的基本原理是：利用水流场和电流场相似的特点搭建人工电流场，测出沿着渗漏裂缝流动的电流路径，从而得到水流路径，进而发现堤坝管涌通道[8-9]。本文把拟流场法应用到污水管道检测行业，设计并实现了基于拟流场法的污水管道渗漏检测系统，沿着管道轴向绘制管道电场异常曲线，从而发现管道裂缝大小和位置，供污水管道管理部门在管道修复决策时使用。

1 总体设计思路

污水管道拟流场法渗漏检测示意图如图1 所示。拟流场法主要用于检测污水管道周围管壁裂缝大小和位置信息。整个系统由水下探头、电缆盘、牵引动力装置盘和主控制器组成。探头尾端连接着牵引绳，在动力电机盘的带动下，探头沿着污水管道前进，每分钟最快可移动10 m，移动速度越慢，探测精度越高。探头由3 个环状金属电极组成，分别为电极A、电极C、电极D，与地面远端电极B 构成四电极系统，探头各电极之间用塑料材料绝缘隔离。四电极系统中电极B 一直作为地电极使用，电极C 和电极D 作为发射电极，电极A 作为接收电极。探头前进带动信号电缆增长，从而转动电缆盘，安装在电缆盘里面的编码器开始计数，计数值转换成距离值，距离每变化5 mm，触发主控制器采集一次电场数据。

图1 污水管道拟流场法渗漏检测示意图

如图1 所示，电流在主控制器、电缆线、探头电极系、污水、管道壁、围土、电极B 之间形成了一个闭环路径。闭环路径中地下电场的分布是污水管道渗漏检测的关键，地下电场的分布与路径中物体的电阻率是相关的[10]。污水中存在大量的电解质，其电阻率为1～10 Ω·m，甚至更小。污水管道大部分采用混凝土管道和双壁波纹管道，混凝土在潮湿环境下的电阻率为200～500 Ω·m，双壁波纹管的电阻率更高。围土是修建管道时的覆盖填充物，一般是泥土和少量瓦砾石块，其电阻率[11-13]为10～60 Ω·m。混凝土管道的电阻率是污水和围土的10 倍以上，因此电极B 和探头电极系之间的电场分布主要取决于混凝土管道完整性。如果管道完好，电场将均匀分布；如果管道有裂缝存在，裂缝处的电场将呈现密集分布现象，即电场梯度增大，并且裂缝越大，电场梯度越大。通过判断电流场的梯度变化，从而得到水流场的变化规律，最终确定渗漏点的大小和位置。

2 系统硬件电路设计

污水管道拟流场法渗漏检测系统硬件电路由两部分构成，分别是水下探头电路和主控制器电路，主要模块电路设计框图如图2 所示。水下探头硬件电路以国产32 位MCU 芯片CH32V307VCT6 为核心，两路驱动电路分别控制电极C 和电极D，高精度数据采集模块获取不断变化的电场强度，状态采集模块获取探头的各项状态参数，通信模块与主控制器之间交互命令和数据包。

图2 仪器硬件电路设计框图

2.1 高精度数据采集电路

拟流场法渗漏检测仪是一个高精度数据采集系统，电极A 和地电极B 的信号通过屏蔽导线接入采集电路，经过带通滤波器和放大调理电路后，分别连接到J1和J2接头，如图3 所示。低噪声运算放大器ADA4896-2 作为缓冲器，可以接收前置电路0～5 V 高动态范围的输入信号，输出驱动ADC。基准电压源ADR4550ARZ 提供低噪声、稳定的5 V 基准电压，从ADC 的REFIN 引脚接入，保证ADC 有宽广的动态范围，可以完整采集大范围变化的电场。模数转换器采用24 位芯片AD4032-24，最高采样速率为500 KSPS，与MCU 有三种通信模式，分别为传统SPI 模式、回波时钟模式和主机时钟模式。本设计采用SPI 串行接口模式，MCU 在CNV 引脚上发出一个信号脉冲，脉冲上升沿启动模数转换，引脚BUSY 上高电平信号表示ADC 正在转换工作，随后低电平表示转换结束，数据结果可以读取。片选信号CS#置低电平，每一个时钟SCK 信号，从SDO0～SDO3 读取4 位数据，直到24 位转换结果全部读取完为止。由于AD4032-24 的VIO 电源采用的是1.8 V 供电，与MCU 的3.3 V 电平不符，两者之间需要加入电平转换芯片FXLH42245MPX进行电平驱动隔离。

图3 高精度数据采集电路原理图

2.2 电源输入保护电路

工程野外现场经常采用发电机供电，高温高湿环境下，供电稳定性差，纹波大，故障率高，所以电源保护电路尤为重要[14]。本系统采用具有电源反向保护的二极管 控 制 器LTC4359HS8，驱 动N 沟 道MOSFET 管FDS8870，构建电源输入保护电路，原理图如图4 所示。

图4 电源输入保护电路原理图

如果发电机发生故障，LTC4359HS8 可以快速关断，抑制反向瞬变电流。与传统使用肖特基二极管作为反向保护电路相比，例如肖特基二极管SBG2040CT[15]，在10 A负载的情况下，本应用热耗散从4 W降低到0.2 W，电压损耗从0.5 V 降低到0.1 V 以下，改善了狭小电路仓的散热环境。输出电压Vout1经3 个低噪声LDO 稳压器LT1763CS8 分别转换成1.8 V、3.3 V 和5 V 电压，供给系统中其他模块。

3 系统软件设计

探头中32 位国产MCU 芯片CH32V307VCT6 控制采集电极A 与地电极B 之间的电场强度值，传输给主控制器，主程序流程如图5 所示。

图5 主程序流程

软件具体实现过程如下：

1） 系统初始化。仪器上电后，MCU 先设置寄存器初值，距离值清零。电极C 和电极D 接通电源，与地电极B 在污水、管道壁、围土之间建立一个稳定的电场。

2） 数据采集和传输阶段。牵引盘转动，拉着探头在污水管道中缓慢移动，信号电缆增长，电缆盘中的编码器计数，一圈400 脉冲，根据实时圆周半径，转换成距离值。当距离变化5 mm 时，触发数据采集子程序，ADC开始工作，采集一组电极A 与地电极B 之间的电场强度值。随后再采集一组探头状态值，例如探头内温度、压力和姿态，用于判断探头是否能继续正常工作。最后把所有数据打包传输给主控制器，完成一轮采集任务。

3） 数据处理阶段。原始电场数据绘制成曲线后，只有经验丰富的工程师才能分析，而工程施工现场需要根据结果实时调整参数，这就要求结果简单直观，所以需要软件对原始数据进行实时处理。经过数据滤波和数据识别等算法处理后，得到直观的电压梯度曲线，并把所有数据存储到文件中。

4 系统测试

选取湖北省某市天鹅路公交车站旁的一段污水管道作为测试对象，管道长22 m，材质为混凝土，管道直径为800 cm。为了验证管道拟流场法渗漏检测系统的有效性，先用管道视频机器人爬入管道内，对此段管道做了视频检测。

图6 是裂缝点视频截图，由于篇幅有限，只展示了部分裂缝截图，并分别标注了裂缝点距离检查井口的距离，以便于与拟流场法渗漏检测系统结果进行对比分析。

图6 相同污水管道视频检测裂缝截图

图7 是污水管道拟流场法渗漏检测软件界面截图。图中绘制了两条数据曲线，上面曲线是渗漏检测原始数据，下面曲线是根据原始数据经过算法处理后软件自动得到的电压梯度曲线。曲线横轴表示距离井口的距离，由于起始点是从检查井中心算起，为了与视频资料距离一致，根据现场记录，横轴起始点从-40 cm 开始，纵轴是电压值。

图7 污水管道拟流场法渗漏检测软件界面截图

由于污水管道距离地表较浅，受雨水环境影响大，在同一段管道，不同湿度环境下去检测，电阻率变化较大，测量绝对值意义不大。这里用相对值表示，直接用检测得到的电压值代表管道相对导电性能，从而反映污水管道渗漏情况。电压梯度曲线能直观地表示管道渗漏点位置和大小，定义电压梯度值200 mV 以下的为轻微S 级裂缝缺陷，电压梯度值400 mV 以上的为严重L 级裂缝缺陷，中间值为中等M 级裂缝缺陷。测试管段裂缝缺陷统计如表1 所示。

表1 裂缝缺陷统计

对比图6、图7 和表1 的数值，得出以下结果：

1） 污水管道拟流场法渗漏检测系统数据是可信的。由图7 与图6 管道机器人视频检测数据对比可知，在距离4.18 m、6.40 m、8.62 m、10.64 m、12.50 m、14.72 m、20.93 m 等7 处，两种方法的裂缝异常数据位置是吻合的，并且视频检测中裂缝越大，拟流场法检测中电压梯度值越大，符合理论方法。

2） 污水管道拟流场法渗漏检测系统比管道视频机器人检测精度高。在距离4.92 m、9.01 m、10.76 m、11.95 m、18.19 m 等5 处，拟流场法检测出属于轻微S 级缺陷，而视频机器人没有检测出来，可能是由于管道外壁有缺陷，但管道内壁完好，导致视频看起来完好，而实际污水管道管壁厚度变薄，暗藏隐患。在距离7.12 m处，拟流场法检测出属于中等M 级缺陷，视频机器人检测管壁完好，可能是由于混凝土中钢筋骨架裸露，导致误检。所以拟流场法适用于非金属管道渗漏检测，不适用于金属管道，例如没有钢筋骨架裸露的混凝土管道和塑料管道。

3） 从拟流场法渗漏检测原始数据曲线可以看出，距离16.6 m 处是个分界点，前面管段检测电压值高，后面管段检测电压值低，这与管道周围填充物和土壤湿度有关，虽然不同管段检测电压值差异较大，但不影响整段管道电压梯度曲线精度。所以拟流场法渗漏检测系统适用于多种土壤湿度环境，不受晴天雨天限制。

4） 此管段检测长度22.01 m，共有缺陷21 个，其中大型缺陷2 个，中型缺陷11 个，小型缺陷8 个，裂缝缺陷总长度0.306 m，缺陷总长度占管道总长度比例为1.38%。建议对6～15 m 污水管段范围内做面状重点修复，其他管段做点状修复。

5 结 论

本文将拟流场法应用到非金属污水管道裂缝检测中，解决了高水位管道裂缝无法检测的问题，设计并实现了污水管道拟流场法渗漏检测系统。与目前市场上成熟的管道视频机器人检测方法进行了对比，实验结果表明，拟流场法渗漏检测系统检测数据可靠，检测精度高，能检测出污水管道中绝大部分表面裂缝和隐藏缺陷。在工程项目应用中，本系统可以和管道声纳检测仪一起使用，一次性检测出高水位污水管道裂缝、塌陷、变形、淤泥等诸多异常问题。本文系统检测成本低，检测速度快，具有良好的市场应用价值。

注：本文通讯作者为王永涛。