基于CCTV技術(shù)的城市老舊污水管道檢測(cè)與評(píng)估
——以莆田市城笏路為例

陳 毅，郭嘉昕，歐德龍

(莆田市水質(zhì)凈化有限公司，福建莆田 351100)

污水管道建設(shè)是排水系統(tǒng)中投資較高的建設(shè)部分，但其運(yùn)營維護(hù)卻是較為薄弱的環(huán)節(jié)[1]。污水管道的不良運(yùn)行引發(fā)的城市地面污水溢流、內(nèi)澇、地面塌陷等災(zāi)害嚴(yán)重影響城市生態(tài)環(huán)境與市民正常生活。城市老舊污水管道年久失修、漏損嚴(yán)重、污泥大量淤積、過流能力差，由此造成污水滲漏污染管道周邊地下水及土壤等的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題尤為突出。因此，確保污水管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，有助于城市各項(xiàng)基礎(chǔ)功能的正常運(yùn)行，從而提高城市環(huán)境與居民的生活水平。莆田市建市時(shí)間較短，各種市政基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，老舊污水管網(wǎng)的運(yùn)行問題頻繁發(fā)生[2]。本文通過閉路電視系統(tǒng)(CCTV)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合評(píng)估技術(shù)規(guī)程，對(duì)莆田市城笏路污水管道進(jìn)行分析評(píng)估，并提出科學(xué)的維修與養(yǎng)護(hù)建議，從而充分發(fā)揮管道的排污能力，為城市建設(shè)保駕護(hù)航。

城笏路位于莆田市荔城區(qū)，為來往兩大重要城鎮(zhèn)黃石鎮(zhèn)與笏石鎮(zhèn)的主干道路，酒店、餐飲、小區(qū)、廠區(qū)等排水點(diǎn)沿路緊密分布，污水管道負(fù)荷大。城笏路地下污水管道材質(zhì)為PVC，修建年代久遠(yuǎn)，總長度為1 347 m，埋深為1.5～3 m。該段地下管道分為38段，其中，DN300共6段，長為144 m；DN400共32段，長為1 203 m。檢測(cè)井內(nèi)水位高低差明顯，管道沿線部分區(qū)域污水溢流。

1 管道檢測(cè)與評(píng)估方法

1.1 管道檢測(cè)方法

國內(nèi)部分城市已有開展CCTV技術(shù)用于排水管道檢測(cè)的先例，其工作原理為控制帶攝像頭的機(jī)器人在地下管道內(nèi)爬行，將管道內(nèi)的實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)降孛婵刂迫藛T的主屏幕上，機(jī)器人對(duì)管道存在的破裂、變形、障礙物等圖像數(shù)據(jù)形象處理并儲(chǔ)存[3-5]。

CCTV檢測(cè)主要由資料收集、現(xiàn)場踏勘、管道預(yù)處理、管道檢測(cè)4大工作步驟組成(圖1)。資料收集為收集管道竣工圖與區(qū)域管線分布資料；現(xiàn)場踏勘為定位檢查井與勘察周邊環(huán)境狀況(交通、噪音、居民區(qū))，用于制定檢測(cè)方案與時(shí)間段；管道預(yù)處理為對(duì)管道內(nèi)水位與淤積情況進(jìn)行判別，水位較高時(shí)采取抽水降水措施，對(duì)阻礙機(jī)器爬行的淤積進(jìn)行高壓水清淤；管道檢測(cè)為機(jī)器管道內(nèi)采集圖像，人員解析圖像，確定缺陷類型、位置及程度。

圖1 CCTV檢測(cè)流程圖Fig.1 Flow Chart of CCTV Detection

本次檢測(cè)使用韓國生產(chǎn)的ROBOCAM-1，設(shè)備采用高分辨率的彩色攝像系統(tǒng)，可調(diào)整攝像頭的高度、照明、焦距和速度，同時(shí)，可調(diào)整爬行器行進(jìn)方向，繞過管道內(nèi)的小型障礙物。

1.2 評(píng)估方法

按照《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》(CJJ 181—2012)[6]，結(jié)合CCTV檢測(cè)結(jié)果，定量評(píng)估管道結(jié)構(gòu)本體遭受損傷，影響強(qiáng)度、剛度和使用壽命的缺陷的結(jié)構(gòu)和功能狀況，以提供更科學(xué)的管道養(yǎng)護(hù)和修復(fù)參考依據(jù)。

1.2.1 結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估方法

管道結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估步驟為結(jié)構(gòu)性缺陷評(píng)分、計(jì)算損壞狀況參數(shù)、確定缺陷參數(shù)與修復(fù)指數(shù)、缺陷等級(jí)評(píng)估與提出修復(fù)建議4步(圖2)。對(duì)于缺陷的沿管道縱向的尺寸均不大于1 m，長度按1 m計(jì)算，管道部分縱向1 m內(nèi)2個(gè)以上缺陷同時(shí)出現(xiàn)，分值疊加計(jì)[7]。管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)F的確定依據(jù)排水管道缺陷的開關(guān)效應(yīng)原理，即一處受阻，全線不通。因此，管段的損壞狀況等級(jí)選取于該管段中最嚴(yán)重的缺陷。

圖2 結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估流程Fig.2 Structural Health Assessment Process

1.2.2 功能性狀況評(píng)估方法

管道功能性狀況評(píng)估的流程與管道結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估基本相同，通過計(jì)算管段的養(yǎng)護(hù)指數(shù)MI，確定養(yǎng)護(hù)等級(jí)，提出養(yǎng)護(hù)建議(圖3)。管道功能性缺陷僅涉及管道內(nèi)部運(yùn)行狀況的受影響程度，與管道埋設(shè)的土質(zhì)條件無關(guān)，因此，與修復(fù)指數(shù)相比，養(yǎng)護(hù)指數(shù)的計(jì)算不考慮土質(zhì)影響。

圖3 功能性狀況評(píng)估流程Fig.3 Functional Health Assessment Process

2 結(jié)果與評(píng)估

2.1 CCTV檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1.1 CCTV檢測(cè)結(jié)果

城笏路地下污水管道共存在56處缺陷，其中，管道結(jié)構(gòu)本體遭受損傷，影響強(qiáng)度、剛度和使用壽命的結(jié)構(gòu)性缺陷有破裂25處、變形11處、起伏10處、異物穿入3處、錯(cuò)口2處、脫節(jié)2處；導(dǎo)致管道過水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，影響暢通性能的功能性缺陷有樹根2處、障礙物1處(圖4)。檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，該路段地下污水管道的主要問題為破裂、變形及起伏，其中，破裂管段占缺陷總數(shù)近半(圖5)。

(a)破裂4級(jí)(b)變形4級(jí)(c)錯(cuò)口4級(jí)(d)起伏4級(jí)(e)脫節(jié)2級(jí)(f)異物穿入3級(jí)(g)障礙物1級(jí)(h)樹根1級(jí)

圖5 不同缺陷所占比例Fig.5 Proportion of Different Defects

缺陷有輕微、中等、嚴(yán)重及重大4個(gè)等級(jí)，其中，嚴(yán)重與重大的3、4級(jí)缺陷集中在破裂、變形、起伏。缺陷最多的破裂涵蓋輕微至重大4個(gè)等級(jí)；變形集中在2、3及4這3個(gè)較為嚴(yán)重的等級(jí)；功能性缺陷樹根與障礙物缺陷為1、2級(jí)，等級(jí)較低(圖6)。

圖6 不同缺陷等級(jí)數(shù)量及占比Fig.6 Number and Proportion of Different Defect Levels

2.1.2 結(jié)果分析

內(nèi)部因素：PVC管應(yīng)用廣泛，其管道表面光滑、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕能力強(qiáng)，且質(zhì)地較輕，但易脆。城笏路污水管道運(yùn)行年限較長，管道逐漸老化，導(dǎo)致管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低，加之管道直徑較小、管壁薄，抗沖擊能力差。

外部因素：管道上方地面為主干道路，常年受荷載影響，破裂、變形與起伏發(fā)生概率高，形成不同程度的管道損壞。受壓管道發(fā)生破裂或變形后，管外土壤擠壓，加劇差異沉降，變形幅度增大或裂縫擴(kuò)大，部分沙土流入管中，影響管道使用的同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致路面發(fā)生塌陷。情況嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致脫節(jié)、錯(cuò)口及障礙物等衍生缺陷的產(chǎn)生[8]。

因此，污水管道的健康狀況不僅受管道本身內(nèi)部因素的影響，同時(shí)與管道所處的周邊環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等外部因素息息相關(guān)。

2.2 管道評(píng)估結(jié)果

2.2.1 結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估結(jié)果

選取破裂、變形、起伏、錯(cuò)口、脫節(jié)、異物穿入6類結(jié)構(gòu)性缺陷，通過結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)性狀況評(píng)估結(jié)果Tab.1 Results of Structural Assessment

由表1可知：F=10>6表明管段存在重大缺陷，損壞嚴(yán)重或即將破壞；SM=0.05<0.1，表明管段結(jié)構(gòu)性缺陷類型為局部缺陷；RI=7.6>7，表明管段修復(fù)等級(jí)為最高級(jí)Ⅳ級(jí)，同時(shí)表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞或即將破壞，應(yīng)立即修復(fù)。

2.2.2 功能性狀況評(píng)估結(jié)果

選取樹根與障礙物2類功能性缺陷，通過功能性狀況評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，如表2所示。

表2 功能性狀況評(píng)估結(jié)果Tab.2 Results of Functional Evaluation

由表2可知：G=2，表明功能性缺陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，管道過流有一定的受阻，運(yùn)行受影響不大；YM=0.002，表明管段功能性缺陷類型為局部缺陷；MI=3.7，表明養(yǎng)護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，無需立即處理，但需安排處理計(jì)劃。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

CCTV檢測(cè)的工作原理為可控機(jī)器人管內(nèi)爬行采集數(shù)據(jù)，工作步驟為資料收集、現(xiàn)場踏勘、管道預(yù)處理、管道檢測(cè)4步，特點(diǎn)為檢測(cè)過程效率高、安全，檢測(cè)結(jié)果圖像清晰、直觀。

內(nèi)因與外因共同作用致使城笏路地下污水管道存在56處缺陷，以破裂、變形及起伏為主，破裂、變形嚴(yán)重。管段存在重大缺陷，應(yīng)立即修復(fù)；管道過流有一定的受阻，運(yùn)行受影響不大，養(yǎng)護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，無需立即處理，但需安排處理計(jì)劃。評(píng)估結(jié)果提出的修復(fù)與養(yǎng)護(hù)建議，為接下來的修復(fù)與運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為其他區(qū)域污水管道檢測(cè)評(píng)估提供參考。

3.2 建議

CCTV檢測(cè)的地下污水管道環(huán)境條件復(fù)雜，多種不確定性因素會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果存在偏差。檢測(cè)機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)僅為缺陷的表象特征，無法探明管道外部的具體情況，影響后續(xù)管道修復(fù)方案制定的精準(zhǔn)性。不同的檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的控制與對(duì)圖像的理解與分析不同，將直接影響數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。若在檢測(cè)前掌握各類環(huán)境因素、機(jī)器人采集更加全面的數(shù)據(jù)，不同的檢測(cè)人員均執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化的操作與分析，CCTV檢測(cè)結(jié)果將更加精準(zhǔn)反映管道健康狀況。