Zastosowanie systemów telewizyjnych CCTV do oceny stanu technicznego betonowych Prof. dr hab. inż. Andrzej Kuliczkowski, dr inż. Dariusz Zwierzchowski, Politechnika Świętokrzyska 1. Wprowadzenie Rozwój systemów telewizyjnych CCTV (Closed Circuit Television), a w szczególności ich miniaturyzacja przyczyniły się do ich szerokiego zastosowania w badaniu rurociągów i podziemnych bez konieczności ich odkopywania. Dotyczy to szczególnie rurociągów i nieprzełazowych, to jest o wymiarach przekrojów poprzecznych uniemożliwiających realizację wewnętrznej inspekcji przez człowieka. Pomimo jednak zastosowania tych najnowszych rozwiązań technicznych nie zawsze jest możliwa przy ich pomocy pełna ocena stanu technicznego kanału (szczególnie ocena bezpieczeństwa konstrukcji kanałowej), gdyż zarejestrowany obraz z badań ukazuje jedynie wewnętrzną powierzchnię rury lub kanału. 2. Telewizyjne systemy inspekcyjne CCTV Obecnie, do inspekcji urządzeniami telewizyjnymi CCTV najczęściej stosowanymi są systemy przenośne (rys. 1a) lub zabudowane na pojazdach inspekcyjnych (rys. 1b), składające się z takich podstawowych elementów, jak: panel sterujący z zabudowanym monitorem i magnetowidem, manualny lub zautomatyzowany kołowrót z nawiniętym kablem kamerowym i licznikiem badanych metrów, wózek kamerowy z napędem kołowym lub gąsienicowym, obrotowa głowica kolorowej kamery z zabudowanym oświetleniem. Współczesne kamery charakteryzują się małymi rozmiarami, bardzo wysoką rozdzielczością, zmienną ogniskową obiektywu i ruchomą głowicą, co znacznie polepsza jakość obrazu wyszukiwanych uszkodzeń i nieprawidłowości. Systemy inspekcyjne umożliwiają przeprowadzenie oględzin stanu technicznego badanego rurociągu lub kanału oraz rejestrację na taśmach video lub płytach DVD obrazu z badań. 3. Wyniki badań inspekcyjnych betonowych przewodów kanalizacyjnych Poniżej zaprezentowano w formie tabelarycznej wyniki badań inspekcyjnych betonowych przewodów kanalizacyjnych z okresu pięciu lat wykonane w Katedrze Wodociągów i Kanalizacji Politechniki Świętokrzyskiej. Łącznie badaniom poddano 20482,10 m na terenie całej Polski. Rys. 1. Systemy inspekcyjne CCTV: a) przenośny system inspekcyjny b) system zabudowany w pojeździe inspekcyjnym 18
TECHNOLOGIA MECHANIZACJA Tabela 1. Wyniki badań betonowych w zależności od lat ich budowy Lata budowy Długość zbadanych Tabela 1 zawiera wyniki z badań betonowych uzależnione od lat ich budowy. Zestawiono długości zbadanych, liczbę zbadanych odcinków, liczbę odcinków, na których występują uszkodzenia oraz liczbę stwierdzonych uszkodzeń. W tabeli 2 zestawiono szczegółowe wyniki badań inspekcyjnych w zależności od lat budowy kanału. W tabeli tej zestawione zostały długości poszczególnych uszkodzeń mechanicznych konstrukcji kanałowych, takich jak pęknięcia podłużne i obwodowe, pęknięcia podłużne i obwodowe z przemieszczeniem fragmentów konstrukcji, korozja i starcie kanału. Liczba odcinków [szt.] Przeprowadzone badania wykazały, że na 622 zbadanych odcinków betonowych przewodów kanalizacyjnych, których łączna długość wynosi 20482,10 m, na 267 odcinkach występują uszkodzenia. Stanowi to 43% wszystkich zbadanych odcinków i przy liczbie 884 uszkodzeń wynosi 4,31 uszkodzenia na 100 m zbadanych. Nie oznacza to jednak, że blisko połowa zbadanych odcinków wymaga natychmiastowej naprawy, ponieważ za uszkodzony odcinek uważany jest zarówno taki, na którym wystąpiło pęknięcie z przemieszczeniem fragmentów konstrukcji lub całkowite zniszczenie konstrukcji kanału, jak również taki, na którym zaobserwowano np. tylko niewielkie pęknięcie lub wykruszenie przy złączu konstrukcji. Zakładając, że natychmiastowej naprawie należy poddać każdy odcinek, na którym wystąpiło zniszczenie konstrukcji kanałowej stwierdzono, że do naprawy takiej kwalifikuje się 9,5% zbadanych odcinków betonowych. Liczba odcinków z uszkodzonymi kanałami [szt.] / [%] Liczba uszkodzeń [szt.] 10-te 215,3 8 1 / 12,5 17 20-te 938,4 19 12 / 63,2 92 30-te 2571,3 91 45 / 49,5 226 40-te 813,3 26 19 / 73,1 70 50-te 1601,0 65 39 / 60,0 182 60-te 2003,0 88 29 / 33,0 59 70-te 4800,2 134 68 / 50,7 136 80-te 5257,9 128 37 / 28,9 74 90-te 2281,7 63 17 / 27,0 28 Razem 20482,1 622 267 / 42,9 884 Tabela 2. Wyniki badań dotyczące korozji, starcia dna i pęknięć w kanałach betonowych w zależności od lat ich budowy Lata budowy Korozja konstrukcji Starcie dna konstrukcji podłużne podłużne z przemieszczeniem obwodowe obwodowe z przemieszczeniem Całkowita długość 10-te 215,3 215,3 0,0 0,0 0,0 0,0 215,3 20-te 726,4 726,4 42,2 0,6 7,9 0,6 938,4 30-te 1325,6 1153,2 43,9 0,0 7,1 0,0 2571,3 40-te 677,5 677,5 3,1 0,9 0,2 0,9 813,3 50-te 1193,1 1193,1 7,8 0,0 1,9 0,0 1601,0 60-te 111,3 111,3 19,5 1,0 6,3 0,0 2003,0 70-te 0 0 276,8 14,6 8,0 11,8 4800,2 80-te 0 0 3,6 6,8 2,4 7,0 5257,9 90-te 0 0 1,9 0,0 0,4 0,0 2281,7 Razem 4249,2 4076,8 398,8 23,9 34,2 20,3 20482,1 Analizując uzyskane wyniki zaprezentowane w tabeli 2 można stwierdzić, że najczęściej obserwowanym uszkodzeniem kanałowych konstrukcji betonowych są wżery korozyjne, które występują na 20,7% przebadanej długości. Niewiele mniejszy udział ma starcie dna konstrukcji kanałowej, które wynosi 19,9% przebadanej długości. Uszkodzenia te występują w kanałach wybudowanych w latach 60- -tych i starszych. W przypadku innych uszkodzeń zarejestrowanych w trakcie badań, takich jak pęknięcia podłużne, pęknięcia podłużne z przemieszczeniem fragmentów elementów konstrukcji, pęknięcia obwodowe i pęknięcia obwodowe z przemieszczeniem fragmentów elementów konstrukcji, ich udział procentowy w przebadanej długości jest dużo mniejszy i wynosi od 1,9 do 0,1%. 19
156 szt. (17,6%) korozja konstrukcji 151 szt. (17,1%) starcie konstrukcji 176 szt. (19,9%) pęknięcie konstrukcji 342 szt. (38,7%) ubytki konstrukcji 59 szt. (6,7%) zawalenie konstrukcji 20 Rys. 2. Ilościowy udział poszczególnych uszkodzeń stwierdzonych w trakcie badań inspekcyjnych Na podstawie badań inspekcyjnych określono też ilościowy udział wszystkich zaobserwowanych w trakcie badań uszkodzeń betonowych konstrukcji kanałowych, który przedstawiono na rysunku 2. 4. Propozycja podziału z uwagi na ich stan techniczny Proponuje się dokonanie podziału eksploatowanych na sześć klas uwzględniając ich stan techniczny (w tym m.in. stopień skorodowania, starcia dna, zaistnienia rys i pęknięć), a także poprawność ich posadowienia w gruncie, uwzględniając ewentualne występowanie pustek powietrznych w gruntach spoistych lub rozluźnień gruntów niespoistych na zewnątrz konstrukcji kanałowych. Propozycja podziału z uwagi na ich stan techniczny na sześć klas (rys. 3) powstała po wnikliwym przeanalizowaniu 14-letnich badań techniką video wykonanych przez Katedrę Wodociągów i Kanalizacji Politechniki Świętokrzyskiej w kilkudziesięciu miastach Polski rozmieszczonych w różnych regionach kraju. Wyniki tych badań opisano m.in. w [3, 4, 11]. Zakwalifikowanie do jednej z sześciu zaproponowanych klas ułatwia w następnej kolejności dobór optymalnej metody ich odnowy. Proponowane są następujące klasy stanu technicznego : Klasa I. Kanał ma konstrukcję w pełni nośną, a wokół niego występują rozluźnienia gruntu lub puste przestrzenie powietrzne (rys. 3a). Klasa II. Kanał jest częściowo skorodowany, starty na dnie, uszkodzony mechanicznie lub zarysowany i w związku z tym częściowo utracił swoją nośność. Jest on jednak prawidłowo posadowiony w gruncie (rys. 3b). Zainicjowane zostały procesy działające destrukcyjnie na konstrukcję kanałową zmniejszające jego nośność. W określonej perspektywie czasowej istnieje ryzyko całkowitej utraty nośności kanału. Klasa III. Kanał nie jest w stanie sam przenieść działających nań obciążeń, np. ma on podłużne pęknięcia występujące na całej grubości konstrukcji kanałowej. Jest on jednak nadal w tzw. stanie równowagi układu kanał grunt, z uwagi na prawidłowe jego posadowienie w gruncie (rys. 3c). W określonej perspektywie czasowej istnieje ryzyko utraty nośności układu kanał grunt (rys. 3f) i zawalenia się konstrukcji kanałowej. Klasa IV. Kanał ma konstrukcję w pełni nośną, ale na zewnątrz konstrukcji kanałowej występują rozluźnienia gruntu lub puste przestrzenie powietrzne (rys. 3d), spowodowane np. infiltracją wód Rys. 3. Podział na sześć klas zróżnicowanych stanem technicznym układu kanał grunt [3]
TECHNOLOGIA MECHANIZACJA gruntowych z gruntem do wnętrza kanału przez nieszczelne złącza rur. Klasa V. Dotyczy stanu technicznego konstrukcji kanałowej, jak w grupie II oraz dodatkowo występującego nieprawidłowego posadowienia w gruncie (rys. 3e). Zaistniały procesy destrukcyjne działające na konstrukcję kanałową (obniżające jej nośność) oraz czynniki destabilizujące grunt w zewnętrznym otoczeniu kanału spowodowane np. infiltracją wód gruntowych z gruntem do wnętrza kanału. Klasa VI. Układ kanał grunt nie jest nośny. Zarówno konstrukcja kanałowa nie jest nośna z uwagi na jej spękanie i przemieszczenia spękanych fragmentów, podobnie jak otaczający ją grunt zdestabilizowany np. infiltracją wody gruntowej do wnętrza kanału lub eksfiltracją ścieków z kanału do gruntu (rys. 3f). 5. Celowość wykonywania i zakres ekspertyz konstrukcyjnych Do badania stanu technicznego stosowane są już bardzo często specjalne kamery kanalizacyjne opisane m.in. w [3, 4]. Możliwości dokonania oceny bezpieczeństwa konstrukcji kanału w oparciu o wyniki jego badań techniką video przy zastosowaniu kamer kanalizacyjnych są jednak ograniczone. Kamera pokazuje jedynie wnętrze kanału. Badanie kanału kamerą nie dostarcza badającemu informacji o parametrach geometrycznych kanału, w tym grubości jego powłoki konstrukcyjnej, rodzaju złączy rur (dotyczy to głównie rur betonowych: czy jest złącze kielichowe, na styk, czy na zakład?), szczelności złączy rur w przypadku, gdy zwierciadło wody gruntowej znajduje się poniżej dna kanału, rodzaju zastosowanego uszczelnienia na złączu (uszczelka gumowa czy np. sznur konopny z bitumem), o stanie technicznym zewnętrznej powłoki rur (które mogą być znacząco skorodowane), o sposobie posadowienia kanału (rodzaju podłoża: gruntowe czy betonowe oraz kącie posadowienia kanału na podłożu gruntowym), o rodzaju i parametrach technicznych gruntu otaczającego kanał, w tym o możliwości występowania pustek powietrznych lub rozluźnień gruntu na zewnątrz konstrukcji kanałowej. Przykładem na ograniczone możliwości kamery kanalizacyjnej w zakresie dostarczanych informacji dla oceny stanu technicznego kanału może być przykład zilustrowany zdjęciami na rysunku 4. Rys. 4. Infiltracja ścieków sanitarnych do wnętrza kanału [6] Na zdjęciach tych widoczna jest infiltracja do wnętrza kanału nie wody gruntowej, lecz ścieków sanitarnych. Powstaje pytanie w jaki sposób było możliwe zaistnienie tego zjawiska. Po włożeniu do końca górnego odcinka kanału korka pneumatycznego wstrzymującego przepływ ścieków badano dolny odcinek kanału nie stwierdzając jakichkolwiek uszkodzeń czy nieszczelności kanałowych. Po około 5 10 minutach podczas cofania kamery do studzienki, z której kamerę włożono do kanału zaobserwowano na kilku złączach w okolicy studzienki bardzo intensywną infiltrację pokazaną na rysunku 4. W czasie tych 5 10 minut ścieki w zamkniętym korkiem pneumatycznym kanale górnym spiętrzyły się i zaczęły przez nieszczelne złącza rur wypływać z kanału do gruntu, a następnie opłynąwszy studzienkę kanalizacyjną zaczęły wpływać do dolnego odcinka kanału przez nieszczelne złącza rur. Gdyby badanie trwało krócej lub przy wycofywaniu kamery nie obserwowano by kanału nie stwierdzono by nieszczelności złączy rur kanałowych oraz istnienia pustek powietrznych w gruncie na zewnątrz kanału. Zaobserwowane zjawisko klasyfikuje kanał do stanu IV pokazanego na rysunku 3. i potwierdza, iż informacje uzyskane z badań techniką video nie zawsze są wystarczające do dokonania pełnej oceny stanu technicznego kanału, a w tym przypadku oceny szczelności złączy rur i potwierdzenia istnienia pustek powietrznych w gruncie na zewnątrz konstrukcji kanałowej. Skoro badanie kanału techniką video nie dostarcza badającemu tak wielu informacji, dlaczego jest ono zatem tak powszechnie stosowane? Otóż pozwala ono wykryć stany awaryjne kanału (klasa VI, rys. 3) i stany przedawaryjne (klasa V, rys. 3), wreszcie stany mogące być przedawaryjnymi (klasa II i V, rys. 3). Badania kanalizacji techniką video umożliwiają przede wszystkim stwierdzenie występowania wad i nieprawidłowości typu hydrauliczno-eksploatacyjnego, takich jak występowanie osadów dennych, przerostów korzeni drzew do wnętrza kanału, rozsunięć złączy rur, występowania nieprawidłowego spadku podłużnego, nieprawidłowego podłączenia przykanalików do kanału czy występowanie zjawiska infiltracji wód gruntowych do wnętrza kanału. Badając zatem kanał techniką video należy pamiętać, że badanie takie umożliwia hydrauliczno- -eksploatacyjną ocenę badanego 21
22 kanału, a tylko w pewnych przypadkach ocenę bezpieczeństwa jego konstrukcji. Ocena bezpieczeństwa eksploatowanej konstrukcji kanałowej dawno wbudowanej jest możliwa dopiero po wykonaniu dodatkowych badań wykonanych w wykopie po odkopaniu kanału (rys. 5). Konieczne wtedy jest wykonanie pomiarów geometrycznych powłoki kanału, badań własności materiałowych jego konstrukcji wykonywanych najczęściej metodami nieniszczącymi oraz dokonanie oceny sposobu posadowienia kanału w gruncie. W przypadku żelbetowych istotne jest ustalenie rodzaju zastosowanych prętów zbrojeniowych (rodzaj stali, średnica prętów), odległości rozmieszczenia prętów zbrojeniowych oraz otuliny zbrojenia. Wskazane jest także sprawdzenie szczelności złączy rur oraz sposobu ich uszczelnienia. Istotne dla dokonania oceny bezpieczeństwa konstrukcji kanałowych są także geotechniczne badania gruntu wokół kanału. Badania te umożliwiają określenie rodzaju gruntu zasypowego oraz stopnia jego zagęszczenia. Wielkości te są niezbędne do ustalenia obciążeń działających na kanał. Rys. 5. Odkopany kanał w trakcie wykonywania ekspertyzy Po wykonaniu ww. badań materiałowych i geotechnicznych należy sporządzić obliczenia statyczno- -wytrzymałościowe uwzględniając wpływy reologiczne, jakie zaszły w gruncie po wbudowaniu kanału. Realizacja tych obliczeń możliwa jest w oparciu o m.in. [1, 2, 9]. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe umożliwiają dokładne określenie współczynnika bezpieczeństwa badanej konstrukcji kanałowej. Mając na względzie wyżej podane ograniczone możliwości oceny stanu technicznego kanału w oparciu o jego badanie techniką video, należy prawie zawsze (za wyjątkiem przypadku pokazanego w kl. VI, na rysunku 3) dokonywać kompleksowych badań jego stanu technicznego w przypadkach, gdy podejmowana jest decyzja o odnowie kanału. Badania takie dostarczają wtedy informację, czy np. oferowana w technologii odnowy kanału powłoka ma w pełni zastąpić istniejący kanał czy tylko domocnić wytrzymałościowo, czy wreszcie nie musi go domacniać, a tylko poprawić jego parametry hydrauliczno-eksploatacyjne. 6. Zakończenie Podane informacje o systemach inspekcyjnych CCTV, zestawienie wyników badań betonowych oraz zaproponowany podział z uwagi na ich stan techniczny wskazują, że w wielu przypadkach ocena stanu technicznego betonowych wyłącznie w oparciu o wyniki badań techniką video jest niemożliwa. Bazując wyłącznie na wynikach badań techniką video bardzo często podejmuje się decyzje dotyczące określonych technik ich bezwykopowej odnowy. W takich przypadkach bardzo rzadko wykonuje się ekspertyzę konstrukcji kanałowej oraz tok obliczeń statyczno-wytrzymałościowych umożliwiający dobór odpowiedniej nośności powłoki odnawiającej taki kanał. Konsekwencją tego faktu jest często niedowymiarowanie lub przewymiarowanie konstrukcji kanałowej. Celowe jest szerokie rozpropagowanie faktu, iż wyniki badań techniką video w większości przypadków nie mogą stanowić podstawy podjęcia decyzji o zastosowaniu bezwykopowej techniki ich odnowy oraz przyjęcia powłoki odnowieniowej bez wykonania niezbędnego w tym przypadku toku obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. BIBLIOGRAFIA [1] Kuliczkowski A., Obliczanie konstrukcji przewodów wodociągowych i kanalizacyjnych ułożonych w gruncie, Politechnika Świętokrzyska, skrypt nr 161. Kielce, 1988 [2] Kuliczkowski A., Projektowanie konstrukcji przewodów kanalizacyjnych, Politechnika Świętokrzyska, skrypt nr 356, Kielce, 2000 [3] Kuliczkowski A., Problemy bezodkrywkowej odnowy przewodów kanalizacyjnych, Politechnika Świętokrzyska, monografia nr 13, Kielce, 1998 [4] Kuliczkowski A., Rury kanalizacyjne t. I. Własności materiałowe, Politechnika Świętokrzyska, monografia nr 28, Kielce, 2001 [5] Kuliczkowski A., Zwierzchowski D., Kryteria doboru systemów inspekcyjnych do badania sieci kanalizacyjnych. Instal nr 5, 2001, s. 46 49 [6] Kuliczkowski A., Zwierzchowski D., Katalog zdjęć z badań inspekcyjnych techniką video, EuroKan, Kielce, 2002 [7] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Katalog zdjęć z ekspertyz konstrukcji kanałowych, Wod-Kan Consulting, Kielce, 2002 [8] Kuliczkowski A., Zwierzchowski D., Inspekcja i monitorowanie sieci, Inżynieria Bezwykopowa, Informator: Technologie bezwykopowe, 2003, s. 37 37 [9] Kuliczkowski A., Rury kanalizacyjne t. II. Projektowanie konstrukcji, Politechnika Świętokrzyska, monografia nr 242, s. 507, Kielce, 2004 [10] Zwierzchowski D., Analiza uszkodzeń betonowych badanych techniką video. Polsko-Duńska Konferencja Naukowo- -Techniczna: Woda Człowiek Środowisko Współczesność Wyzwanie XXI wieku. Kołobrzeg Kopenhaga, 2000, s. 189 196 [11] Zwierzchowski D. Analiza bezpieczeństwa betonowych i kamionkowych przewodów kanalizacyjnych. Praca doktorska. Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2001