李乐，赵光竹 ，周成龙，张伟，张述清

(1.甘肃中电建港航船舶工程有限公司，甘肃 永靖 731100； 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 引 言

近年来，为贯彻落实国家《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》和《城镇污水处理提质增效三年行动方案》，实现排水系统管网提质增效与河道长治久清的目标。目前，国内许多城市为从源头上治理城市水环境问题，首先需要对排水系统进行全面的排查，梳理问题所在，制定针对性、系统性、切实性的可实施方案，根本上解决水环境综合治理的难点，。

城市排水暗涵是城市防汛排水保障体系的重要基础设施，是城市排水系统中人工建设的断面形状为矩形或梯形的地下排水设施，承担着确保城市污水有序收集、运输和治理，维护城市日常运行的重要作用。由于城市快速化建设中部分规划存在不合理、错混乱接等原因造成排水暗涵雨污合流，同时暗涵内部长期在硫化氢等有毒有害气体及污水长期腐蚀下，存在较多如钢筋锈蚀、混凝土脱落、接缝渗水等结构与功能性缺陷，对人民群众生命财产安全造成较大的潜在安全风险。因此需要对排水暗涵进行全面排查，为彻底治理城市水环境问题提供准确的基础勘察成果。

2 排水暗涵调查内容

排水暗涵调查工作为全面调查暗涵内部本体特征、排水口、隐患及检查井等附属设施的路径、坐标、尺寸、现状特征发育情况等综合信息。主要调查要素包含四个方面：①暗涵空间位置分布、本体尺寸、涵室数量(单涵、双涵、三涵)、涵内水深及淤积情况。②暗涵排水口坐标、高程、管径、材质、排口类型、排口水深及是否有附属设施如拍门等。③暗涵起止端及检查井位置平面坐标、高程信息。④暗涵内部结构性缺陷(如破裂、变形、腐蚀、错口、起伏、脱节、接口材料脱落、异物穿入、渗漏等)、功能性缺陷(如沉积、结垢、障碍物、残墙坝根、树根、浮渣等)。

3 调查技术

通过对多地城市排水暗涵的检测作业的实践应用，5种暗涵检测技术已基本覆盖所有工况及现状暗涵。根据暗涵尺寸、水深、工况将暗涵检测技术对分别适应不同条件的5种暗涵检测技术进行对比分析，其主要包括固定式三维激光扫描仪、手持式三维激光扫描仪、暗涵检测无人飞行器、智能管涵检测机器人、水下潜航检测机器人。暗涵检测技术对比如图1所示。

图1 暗涵检测技术对比示图

3.1 固定式三维激光扫描仪

(1)技术原理

三维激光扫描是集光、电和计算机技术于一体的高新尖技术，主要对物体的空间外形进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，其将实体的立体信息转换为数字化的可直接处理的数字信号，三维激光扫描获得的原始数据为点云数据，点云数据是大量扫描离散点的结合。

(2)适用工况

针对水深<0.5 m，净空高度≥1.8 m的人员可通行的城市排水暗涵、覆盖河道、截流系统管涵。

(3)作业流程

暗涵检测作业开始前，应在所检测暗涵上下游检查井处提前做好通风、有毒气体检测等准备工作。在确定暗涵工况满足入涵作业的条件下，由具备有限空间作业的特种作业人员携带固定式三维激光扫描仪入涵。根据暗涵空间分布特点，通常按 30 m～50 m分段式布设测量点，以获取更加密集的点云数据。同步在检查井处结合RTK或全站仪测量设备布设定位标靶，在软件处理阶段将空间坐标信息引入点云数据，从而获得所调查暗涵段的空间分布特征、线路、坐标尺寸等调查要素。同时，入涵作业人员携带摄像设备、水样采集工具、辅助测量工具完成特征点影像拾取、水质水量测定记录等要素，最终实现暗涵调查全要素成果采集。三维激光扫描点云成果示意图如图2所示。

图2 三维激光扫描点云成果示意图

3.2 手持式三维激光扫描技术

(1)技术原理

手持式三维激光扫描是基于SLAM算法的移动式三维激光扫描系统，在无法依靠GPS技术的屏蔽工况下，可实现动态地测量和记录各种环境下的空间三维信息。相对于固定式三维激光扫描技术，无须分段式布点检测，可从所检测暗涵起点到终点实现连续检测，其检测效率有数倍的提升。但针对表面较为光滑或无明显变化特征的暗涵，需在所检测暗涵段中间检查井处布设立体泡沫假体或其他具有鲜明特征的物体，以增加暗涵内部的明显特征点，提高检测精度。

(2)适用工况

针对水深<0.5 m，净空高度≥1.8 m的人员可通行的覆盖河道、城市排水暗渠(箱涵)。

(3)作业流程

暗涵检测作业开始前，在入涵及出涵口提前布设坐标靶点并用RTK或全站仪设备采集坐标，同时，在所检测暗涵上下游检查井处提前做好通风、有毒气体检测等准备工作。在确定暗涵工况满足入涵作业的条件下，由具备有限空间作业的特种作业人员携带手持式三维激光扫描仪从入涵口步行到出涵口，即完成检测任务，从而获取所调查暗涵段的视频影像、空间分布特征、线路、坐标尺寸等调查要素。同时，入涵作业人员携带水样采集工具完成水质水量测定等要素的采集，最终实现暗涵调查全要素成果采集。三维点云处理数据成果如图3所示。

图3 三维点云处理数据(掀顶前、后)成果示图

3.3 暗涵检测无人飞行器

(1)技术原理

暗涵检测无人机是专门用于有限空间及人员无法到达的封闭区域进行飞行检测的设备。机身搭载先进的多模块传感器，使无人机具备可碰撞、防撞负载、距离锁定、无GPS的飞行稳定性等功能，同时配备4K高清特写影像记录、红外热成像仪、全角度激光测绘以及流线数据管理等先进技术应用，通过激光测量数据及SLAM算法处理，提供精准的三维点云数据，从而提取暗涵内部基本结构、排口、缺陷等基础勘测数据。

(2)适用工况

针对水深≤0.3 m，且净空高度≥0.5 m的人员无法进入的复杂工况覆盖河道、城市排水暗渠(箱涵)、直径 ≥0.6 m的截流系统管涵等。

(3)作业流程

应用暗涵检测无人机从检查井、暗涵出入口飞行入涵，在出入涵口提前布设坐标靶点，一般不少于5处坐标靶点，并用RTK或全站仪设备采集坐标，无人机入涵及出涵过程中确保扫描到各控制坐标点。检测过程中，通过无人机各功能模块，实现所调查暗涵段的视频影像、空间分布特征、线路、坐标尺寸等调查要素的采集，如图4所示。

图4 暗涵检测无人机数据提取示意图

3.4 智能管涵检测机器人系统

(1)技术原理

智能管涵检测机器人是针对高水位暗涵综合检测的一种技术手段。采用碳纤维双体舰艇式船体作为机器人航行载体，应用风力推进的空气负压双动力系统，有效避免了暗涵中漂浮及悬浮污染物对机器人造成的缠绕、淤堵现象。机身搭载高清闭路电视系统(CCTV)、水下声呐探测系统、激光雷达测量系统和定位向导模块等功能，在检测过程中，检测人员通过地面控制站对检测船进行实时操纵，实现对暗涵和排口的基本尺寸、缺陷、定位、淤积、污染源等信息的综合采集。

(2)适用工况

针对水深>0.3 m，净空高度≥0.5 m的人员无法进入的高水位排水暗渠(箱涵)、截流系统管涵等。

(3)作业流程

检测人员将智能管涵检测机器人通过检查井吊入暗涵进行检测作业，通过机器人配置的高清闭路电视(CCTV)检测系统对暗涵内部的现状特征、排水口及附属设施分布信息进行排查，并形成暗涵内部工程视频影像资料，可用于后处理阶段结构及功能性缺陷的判读评估。通过水下声呐检测模块同步完成水面以下暗涵的要素排查，根据检测暗涵的具体工况及排查侧重点，可选择性搭载剖面声呐扫描模块和多波速声呐扫描模块，完成水下不可视部分的暗涵特征、淤积、排水口分布信息的采集。通过激光雷达测量模块，实时测量暗涵断面、排水口及现状特征的尺寸。同时，在机器人检测过程中，通过机器人载体内置的定位探头，实时发送固有频率的电子信号，检测人员通过地面向导仪对信号进行捕获，并通过RTK或全站仪对定位点坐标及高程信息进行测量记录，从而实现对暗涵内部检测的现状特征、排水口、缺陷等进行准确定位，同时，结合激光雷达测量尺寸，计算出涵内各分布特征的准确高程等信息，如图5所示。

图5 智能管涵检测机器人功能示图

3.5 水下潜航检测机器人

(1)技术原理

水下潜航检测机器人(ROV)通过定制化配置成为专业用于满水及接近满水工况的排水暗涵，通过8组推进器及深度、姿态、航速等传感器组合配置使机器人在暗涵中实现稳定的定深、定速功能。同时，配备的检测模块主要由高清摄像系统、多波速声呐系统组成，对于能见度较低的暗涵水下部分，多波速声呐利用同时发射和同时接受多个波速实现对水下条带式全覆盖测量。

(2)适用工况

针对水深>3/4(暗涵尺寸≥0.8 m)的接近满水及满水的城市排水暗渠(箱涵)、排水管道等。

(3)作业流程

为确保满水暗涵内的排污口及现状特征能够在检测过程中完全覆盖，机器人从作业起始点下水入涵，通常按100 m检测段进行往复行进检测。第一次检测调整声呐角度与机器人成夹角状(角度大小根据所检测暗涵具体工况通过调试确定)，声呐探测范围确保能够覆盖涵顶及涵底，通过声呐呈现的对称线确定水面反射线(即涵顶水面线)，确定发现排口或其他现状特征时进行位置记录，并用机身搭载的测流仪确定排口流速特征。同时对排口、涵顶/涵底等相对尺寸进行测量记录；第一次检测完成后，调整声呐安装角度与机器人朝向相同，进行第二次入涵检测，以保证检测精度。水下潜航检测成果如图6所示。

图6 水下潜航检测成果示图

4 结 论

本文通过对城市排水暗涵全面调查技术的创新实践及总结，提出能够覆盖所有工况现状暗涵的检测前沿技术，根据各检测技术的功能、原理差异与暗涵尺寸、水深等检测条件差异进行总结对比，阐述不同工况下排水暗涵检测技术的应用原理、实施思路及案例示图；表明以上所阐述的检测技术可为不同工况的排水暗涵全面检测调查提供解决方案，为城市排水暗涵治理提供准确的基础勘察成果。