智能管涵檢測機器人在城市高水位排水暗渠（箱涵）中的應用

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 趙光竹

為貫徹落實《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》和《城鎮污水處理提質增效三年行動方案》，近年來，國內多個城市陸續對河道流域排水系統進行全面排查，梳理存在的問題，制定有針對性、系統性實施方案，從根本上解決水環境綜合治理的難點，以實現排水系統管網提質增效與河道長治久清的目標。

本研究通過對多個城市的排水系統治理及水質提升工程調查發現：業內仍普遍采用封堵、降水再暗涵排查的排查手段，無法有效解決對高水位管涵的排查。而智能管涵檢測系統能夠有效解決高水位工況的管涵檢測問題，無需封堵降水、人員入涵，通過系統搭載的多功能模塊，可實現對暗涵內部的高清影像記錄、排口及缺陷的測量定位、水面以下的排口分布及淤積量化探測、暗涵斷面、缺陷的數據測量等參數的有效采集，并提供一站式智能高效暗涵排查解決方案。

本文對城市高水位排水暗渠（箱涵）調查的主要內容進行介紹，對現行《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》（CJJ181-2012）中的檢測方法進行拓展，通過一種智能管涵檢測機器人的技術方法，對高水位排水暗渠（箱涵）線路摸排、本體特征、排水口、檢查井等附屬設施的坐標、尺寸、現狀特征及隱患發育情況進行綜合檢測，獲取排水暗渠（箱涵）的基礎資料，以期為后續設計、施工提供基礎勘察成果。

城市排水暗渠（箱涵）

城市排水暗渠（箱涵）是城市防汛排水保障體系的重要基礎設施，是城市排水系統中人工建設的斷面形狀為矩形或梯形的地下排水設施，承擔著確保城市污水有序收集、運輸和治理，維護城市日常運行的重要作用。由于城市快速化建設過程中存在部分規劃不合理、錯混亂接等問題，容易造成排水暗涵雨污合流；暗渠（箱涵）內部長期在硫化氫等有毒有害氣體及污水長期腐蝕下，存在較多如鋼筋銹蝕、混凝土脫落、接縫滲水等結構與功能性缺陷，給人民群眾生命財產安全留下潛在安全隱患。因此，對排水暗渠（箱涵）內的排水口、結構及功能性缺陷進行檢測調查尤為重要。

排水暗涵調查內容

排水暗涵調查工作內容主要為全面調查暗涵內部本體特征、排水口、隱患及檢查井等附屬設施的路徑、坐標、尺寸、現狀特征發育情況等綜合信息。其主要調查要素包含以下四個方面：一是暗涵空間位置分布、本體尺寸、涵室數量（單涵、雙涵、三涵）、涵內水深及淤積情況；二是暗涵排水口坐標、高程、管徑、材質、排口類型、排口水深，以及是否有附屬設施（如拍門）等；三是暗涵起止端及檢查井位置平面坐標、高程信息；四是暗涵內部結構性缺陷（如破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節、接口材料脫落、異物穿入、滲漏等）、功能性缺陷（如沉積、結垢、障礙物、殘墻壩根、樹根、浮渣等）。

智能管涵檢測機器人

智能管涵檢測機器人是對管網（暗涵）高水位進行綜合檢測的一種技術手段，適用于水深0.3m及以上、徑向尺寸0.6m—7m的城市排水暗渠（箱涵）（圖1）。

機器人特制的碳纖維雙體艦艇式流線型船型載體，能夠極大地減少設備在排水暗渠（箱涵）中的航行阻力；采用風力推進的空氣負壓雙動力系統，可以有效避免排水暗渠（箱涵）中漂浮及懸浮污染物對機器人造成的纏繞、淤堵現象，使機器人能夠在水中自由航行。機身搭載高清閉路電視系統（CCTV）、水下聲吶探測系統、激光雷達測量系統和定位向導模塊四大系統。在檢測過程中，檢測人員可以通過地面控制站對檢測船進行實時操縱，實現對暗涵和排口的基本尺寸、缺陷、定位、淤積、污染源等信息的綜合采集（圖2）。

圖1 智能管涵檢測機器人

圖2 碳纖維雙體艦艇式流線型船型載體

圖3 檢測模塊（CCTV、激光雷達系統、水下聲吶、定位測量）

智能管涵檢測機器人調查方法

機器人四大功能模塊，能夠保障一站式綜合檢測，完成排水暗渠（箱涵）全要素排查。針對暗渠（箱涵）內部水面以上可視部分，通過高清閉路電視（CCTV）檢測系統對暗渠內部的現狀特征、排水口及附屬設施分布信息進行排查，并形成暗渠內部工程視頻影像資料，可用于后處理階段結構及功能性缺陷的判讀評估。

通過水下聲吶檢測模塊同步完成水面以下暗渠（箱涵）的要素排查，根據檢測暗渠（箱涵）的具體工況及排查側重點，可選擇性搭載剖面聲吶掃描模塊和多波速聲吶掃描模塊，完成水下不可視部分的暗渠特征、淤積、排水口分布信息的采集。通過高精度激光雷達測量模塊，實時測量暗涵斷面、排水口及現狀特征的尺寸。

同時，在機器人檢測過程中，通過機器人載體內置的定位探頭，實時發送固有頻率的電子信號，通過地面向導儀對信號進行捕獲，從而實現對暗渠（箱涵）內部檢測的現狀特征、排水口、缺陷等進行準確定位，并結合激光雷達測距信息，計算出各分布特征的準確高程坐標（圖3）。

智能管涵檢測機器人調查實施思路

1.工前準備

在開展現場踏勘工作前，初步收集待調查暗渠（箱涵）的走向、內截面尺寸、預估長度、大致走向、起止位置、涵內水深及其變化情況、涵內淤泥厚度、箱涵孔數、檢查井位置等信息。

依據經批準的實施方案，在現場作業開展前，進行安全教育培訓、安全技術交底，明確作業任務、作業程序、作業分工、作業中可能存在的危險因素及應采取的防護措施等。

2.定位坐標系建立

為保障調查成果坐標系的一致性，在正式開展調查工作前，對暗渠（箱涵）涵體、檢查井、其他明顯點等相關特征點的空間位置采用RTK定位技術或全站儀進行測量，并作為調查成果的空間坐標框架。

3.暗涵調查實施

圖4 調查作業示意圖

檢測前根據檢測區域特點，在下井檢查井周圍合理布置好相應安全措施。確定檢測工況，做好設備聯機調試，設備入涵前啟動調試各航行操縱指令。具體操作流程如下：將檢測設備通過起吊纜繩吊入涵內，確定檢測方向；啟動閉路電視系統，設定起始位置編碼器數值；在閉路電視系統界面輸入工程信息（工程名稱、地點、委托單位、檢測單位、檢測人員、檢測日期、啟始井和終止井編號、水流方向、管材、管徑等）；啟動錄制，同時啟動水下聲吶掃描模塊，根據暗渠（箱涵）尺寸設定并調整增益、脈沖數值；啟動激光雷達模塊，測量下井點位置暗涵基本結構尺寸并保存測量信息，保持激光掃描界面為開啟狀態；通過定位向導儀確認探頭發射信號是否正常，釋放浮力線纜、操縱地面控制站開展檢測作業；記錄暗涵結構特征，測定斷面尺寸，查找排口、缺陷、污染源等暗涵特征；檢測設備行駛至排口、缺陷斷面等現狀特征時，操縱地面控制站進行保持，測定各調查要素；同步從閉路視頻系統界面讀取計米器數值，檢測人員通過地面向導接收裝置實施對地探測，確定排口、特征點等要素的準確定位；檢測分段式進行，根據檢查井樁位分布特征進行依次檢測，單次檢測最大距離可達到300m，檢測信息采集完成后設備退出，檢測結束。

4.水質水量檢測

在調查過程中，針對測時流水排口，從閉路視頻系統截取不小于10s的排口VCR，并針對測時流水排口測定水深及水量。若排口流出水體為明顯黑臭水體，則采用水體快速檢測試紙進行測定COD-Cr和NH3-N指標；若水體黑臭性質不明晰時，采用水樣容器采集水樣，送水質檢測機構進行COD-Cr和NH3-N指標檢測。

5.數據資料的處理與分析

外業檢測結束后，對系統搭載的各采集模塊進行數據轉換；對閉路視頻系統進行判讀、整理，并激光雷達模塊獲取暗涵結構、排口、高程差等要素尺寸信息進行整合。同時，通過定位模塊及RTK采集坐標對暗渠（箱涵）的分布線路、排口、缺陷等調查要素的坐標信息進行轉換成圖，最終建立暗涵調查數據庫、平面圖、縱橫斷面圖、檢查井及附屬設施、排口成果匯總表以及技術總結報告等調查成果（圖4）。

結論

本研究通過對智能管涵檢測機器人在城市高水位排水暗渠（箱涵）中的應用分析，為同類型高水位排水暗渠（箱涵）檢測提供了解決方案。智能管涵檢測機器人以實施高水位暗渠（箱涵）全要素排查為目的，通過智能管涵檢測系統搭載的多功能技術應用，實現對暗涵內部的高清影像記錄、排口及缺陷的測量定位、水面以下的排口分布及淤積量化探測、暗涵斷面及缺陷的數據測量等參數進行高效采集，從而實現一站式暗渠（箱涵）全要素調查。智能管涵檢測機器人在檢測實施過程中，無需檢測人員下涵，也無需封堵、倒排，有利于提高檢測效率，減少對排水系統的影響，充分保障人員安全。