本发明涉及工程测量技术领域，尤其是涉及一种埋地输水管道检测装置及方法。
背景技术：
管道运输是继传统的公路、铁路、空运、水运方式之后出现的第五种运输方式。管道长距离引调水需要采用有压管道，管道在竣工、运行和停水检修时，需要对管道断面变形进行检测。《给水排水管道工程施工及验收规范(gb50268-2008)》规定管道在工程施工和运行过程中会产生一定的变形，但这种变形必须不影响管道的使用安全，其变形指的是管体在垂直方向直径的变化，又称为“管道径向挠曲值”或“管道径向直径变形率”。管道变形率可分为“安装(初始)变形”和“使用(长期)变形”。无论对玻璃钢夹砂管等柔性管道，还是对金属管道和化学建材管道设计等刚性管道的变形都有严格的控制。虽然管道在铺设施工阶段就对其可能的变形进行了控制，但在承受上填土荷载、车辆荷载以及收到其他外部环境因素影响时，变形仍然不可避免，当这些变形积累到一定的程度时，就可能引起管道的破裂，导致漏水事故发生，导致财产损失，严重会危及社会公共安全。
最先用于管道几何形状检测的仪器是通径内检测器，随着科学技术的发展，国内外比较常用的变形检测技术还有超声波检测法、管内摄像法、激光三角测量法、地面三维激光扫描等方法。
首台检测管内变形的仪器称为tdwkalipor清管器。设备带有一圈伞状感测臂和里程轮，这些感测臂装在一个中心柱上，沿圆周分布，各自均贴靠在管壁上，在中心柱端部装有一支记录笔，停放在记录纸带上，其记录纸带在两个里程轮之间走动，而里程轮由步进电机带动，不同的里程对应记录纸带相应位置。若管壁有几何变形，变形处的感测臂产生转动，变形大转动幅度就大，并使中心柱移动一定距离，记录笔便会在纸带上留下一些数据。当检测器运行到管道终端后取出时，管道内径变化的程度和位置可以从纸带上看出来。这种早期应用的检测器测量元件同管壁直接接触，因此对管道清洁度要求较高，否则容易产生机械故障。
管内摄像法是一种基于cctv(closed-circuittv)摄像的管道变形检测技术在应用上已经很成熟，在国外已使用40年。它通过不断的对管壁四周进行摄像，然后对拍摄的图像进行监视、分析从而得到管道的变形情况。这种方法检测起来比较直观，但由于受人眼分辨率的限制，若不对图像进行处理，对变形量小于10％d的形变就很难辨识；若将拍摄的图像制成录像带然后进行分析，其分辨率会更低，只能达到20％d左右。
超声波检测法主要是利用了超声波的脉冲反射原理。超声探头既是信号发射器又是信号接收器，检测时将探头垂直向管道壁发射超声脉冲基波p，探头首先接收到由管壁内表面反射的脉冲f，然后超声探头又会接收到管壁外表面反射的脉冲b，根据基波p与内壁反射波f间的距离d的变化，就能够检测出管道内壁轮廓的变形情况。但这种检测方法检测原理简单，检测数据简单，不足之处在于超声波在空气中衰减很快，因此，使用时一般需要在探头和被测物体之间施加耦合剂。
激光三角测量法是一种高效准确、非接触式的检测方法，具有很多优点。但光电探测器一次只能对管道内表面某一个点进行成像，若要进行全方位的成像检测，需要附加旋转装置，组成激光点扫描轮廓检测系统。目前，激光三角测量系统的主要问题是受入射光束的焦深限制，大范围测量效果不太好，使用高斯光束聚焦时会出现光斑尺寸随测量范围变大而离焦变大的情况，导致无法满足系统的横向分辨率，也无法满足其纵向分辨率。
地面三维激光扫描技术是一种以激光测距方式快速获取大量三维坐标的测量技术，能够克服传统测量技术的局限性，获取更加全面的隧道变形信息。该方法通过几何分析方法对扫描参数和标靶布设方案进行优化。将圆柱面拟合方法和椭圆拟合方法结合起来，运用误差分布统计规律进行降噪。该方法不足之处在于，在标靶拼接过程中，带来误差，以及基于圆柱面拟合的隧道轴线提出方法，虽然在处理过程中采用一种基于误差分布统计规律的降噪方法，给隧洞断面的相对变形带来较大的误差。并且该方法对于变形较大的圆形隧道以及非圆形断面的隧道并不适用，需要新的数据处理方法寻找合适的数学函数来描述隧道变形后的空间几何形态，以此来获取隧道的相对变形。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种埋地输水管道检测装置及方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种埋地输水管道检测装置，其包括：管道检测行走装置以及设置于管道检测行走装置上的检测主机、激光扫描仪、行程记录仪和倾角测量仪；所述检测主机分别与激光扫描仪、行程记录仪和倾角测量仪通讯连接。
作为一种进一步的技术方案，所述管道检测行走装置包括：检测车前横梁、检测车后横梁、检测车纵梁、前左车叉、前右车叉、前左行走轮、前右行走轮、后左车叉、后右车叉、后左行走轮、后右行走轮；所述检测车前横梁与检测车后横梁之间连接检测车纵梁；所述前左车叉与前右车叉设置于所述检测车前横梁的两端；所述前左行走轮设置于所述前左车叉上，所述前右行走轮设置于所述前右车叉上；所述后左车叉与后右车叉设置于所述检测车后横梁的两端；所述后左行走轮设置于所述后左车叉上，所述后右行走轮设置于所述后右车叉上。
作为一种进一步的技术方案，所述前左车叉、前右车叉分别通过调节件与所述检测车前横梁连接；所述后左车叉与后右车叉分别通过调节件与所述检测车后横梁连接。
作为一种进一步的技术方案，所述调节件为锁紧螺栓，在检测车后横梁、检测车前横梁上面钻有锁紧螺栓孔，且检测车后横梁、检测车前横梁设计成插拔式结构。
作为一种进一步的技术方案，所述检测车后横梁、检测车前横梁、后左车叉、后右车叉、前左车叉、前右车叉的材质优选为硬质铝合金，其他合金材料也适用。
作为一种进一步的技术方案，所述检测主机、激光测距头、行程记录仪通过有线通信或无线通信连接。
作为一种进一步的技术方案，所述行程记录仪设置于所述管道检测行走装置的行走轮上，用于记录检测管道断面相对位置信息，并反馈给检测主机。
作为一种进一步的技术方案，所述激光扫描仪设置于所述检测车纵梁的前端以形成激光检测阵列，所述激光检测阵列内部对应含有n个激光检测头，其中，n≥2；每个激光检测头旋转360°/n，以实现对管道内壁进行全周检测。
作为一种进一步的技术方案，所述倾角测量仪设置于所述检测车纵梁的前端，用于检测当前检测断面位置处的倾角。
第二方面，本发明还提供一种根据埋地输水管道检测装置的方法，其包括如下步骤：
s1、根据现场管道直径大小，安装好埋地输水管道检测装置；
s2、移动该埋地输水管道检测装置到指定位置，通过检测主机依次设定激光检测头检测点数，并设置检测角度为360度全周检测，测绘获得断面曲线，保存检测断面曲线数据到检测主机硬盘上，并保存检测参数；
s3、根据检测位置处的倾角，根据转化公式把断面曲线点阵局部坐标转化到全局坐标上，形成断面曲线图，根据管道的水平变形和竖直变形求出管道变形率，把不同位置处的全局横断面曲线相连，形成管道变形曲面图；
s4、在检测主机上，导入管道设计断面图，并与检测断面曲线图进行相交运算，得管道内壁任意一点的变形曲线图；
s5、移动检测装置到下一个位置，重复s2、s3的过程，进行新的断面扫描，这时扫描参数按照已设定的模式进行自动扫描和运算，自动计算变形曲线图。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明通过行程记录仪实现管道内部断面检测位置定位，通过激光头实现管道断面测绘，且二者数据关联在一起，导入管道设计断面曲线图，和管道断面测绘曲线求交运算，即可快速实现管道内变形曲线图。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的工作流程示意图；
图2为本发明实施例提供的埋地输水管道检测装置主视图；
图3为本发明实施例提供的埋地输水管道检测装置俯视图；
图4为本发明实施例提供的埋地输水管道检测装置左视图；
图5为本发明实施例单次扫描点阵图；
图6为本发明实施例相邻两次扫描点阵图；
图7为本发明实施例管道内部两次扫描横断面关系图；
图8为本发明实施例管道内部2次扫描后的点阵图；
图9为本发明实施例管道内部第n次扫描横断面点阵图；
图10为本发明实施例管道内部n次扫描后形成管道变形曲面图；
图11为本发明实施例管道设计曲面；
图12为本发明实施例管道内部变形检测的示意图；
图13为本发明实施例渡槽内壁变形检测的示意图；
图14为本发明实施例土石坝内壁变形检测的示意图。
图标：1-检测主机；2-激光检测头；3-行程记录仪；4-后左行走轮；5-后右行走轮；6-前左行走轮；7-前右行走轮；8-后左车叉；9-后右车叉；10-前左车叉；11-前右车叉；12-检测车后横梁；13-检测车前横梁；14-检测车纵梁；15-后左锁紧螺栓；16-后右锁紧螺栓；17-前左锁紧螺栓；18-前右锁紧螺栓；19-倾角测量仪。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一
结合图2至图14所示，本实施例提供一种埋地输水管道检测装置，其包括：管道检测行走装置以及设置于管道检测行走装置上的检测主机1、激光扫描仪、行程记录仪3和倾角测量仪19；所述检测主机1分别与激光扫描仪、行程记录仪3和倾角测量仪19通讯连接。本实施例利用装置可完成管道内部断面形状测绘，与管道断面设计曲线进行差运算，可获得管道断面变形曲线图，并通过行程记录仪3精确定位该断面检测位置。
作为一种进一步的技术方案，所述管道检测行走装置包括：检测车前横梁13、检测车后横梁12、检测车纵梁14、前左车叉10、前右车叉11、前左行走轮6、前右行走轮7、后左车叉8、后右车叉9、后左行走轮4、后右行走轮5；所述检测车前横梁13与检测车后横梁12之间连接检测车纵梁14；所述前左车叉10与前右车叉11设置于所述检测车前横梁13的两端；所述前左行走轮6设置于所述前左车叉10上，所述前右行走轮7设置于所述前右车叉11上；所述后左车叉8与后右车叉9设置于所述检测车后横梁12的两端；所述后左行走轮4设置于所述后左车叉8上，所述后右行走轮5设置于所述后右车叉9上。
为了适应不同的管道直径检测，所述前左车叉10、前右车叉11分别通过调节件与所述检测车前横梁13连接；所述后左车叉8与后右车叉9分别通过调节件与所述检测车后横梁12连接，以适应不同直径管道的母线上行走检测。
优选的，所述调节件为锁紧螺栓，在检测车后横梁12、检测车前横梁13上面钻有锁紧螺栓孔，且检测车后横梁12、检测车前横梁13设计成插拔式结构，以便针对不同直径的管道调整横梁长度。
优选的，所述检测车后横梁12、检测车前横梁13、后左车叉8、后右车叉9、前左车叉10、前右车叉11的材质为硬质铝合金。当然，其他材质也同样适用。
优选的，所述检测主机1、激光检测头2、行程记录仪3通过有线通信或无线通信连接。检测主机1主要接收行程记录仪3的位置信息、横断面检测位置的倾角信息和操控激光检测头2采集的数据信息。
优选的，所述行程记录仪3设置于所述管道检测行走装置的行走轮上，用于记录检测管道断面相对位置信息，并反馈给检测主机1。
优选的，所述激光扫描仪设置于所述检测车纵梁14的前端以形成激光检测阵列，所述激光检测阵列内部对应含有n个激光检测头2，其中，n≥2；每个激光检测头2旋转360°/n，以实现对管道内壁进行全周检测。其中，通过设定检测点间隔度数，来设定断面曲线检测点数m，激光头可旋转360度进行全周检测，检测点数通过检测主机1设定为整数m，采集间隔为360/m，根据需要检测角度可在0～360度范围内任意设定。
优选的，激光检测阵列检测完一个断面时，通过移动到新的管道位置检测断面时，激光检测阵列内部对激光头的进行编码，实现自动记录旋转初始位置，无需进行系统归位。
优选的，所述倾角测量仪19设置于所述检测车纵梁14的前端，用于检测当前检测断面位置处的倾角。
实施例二
结合图1至图14所示，本实施例还提供一种根据实施例一中的埋地输水管道检测装置的方法，其包括如下步骤：
s1、根据现场管道直径大小，安装好埋地输水管道检测装置；
s2、移动该埋地输水管道检测装置到指定位置，通过检测主机1依次设定激光检测头2检测点数，并设置检测角度为360度全周检测，测绘获得断面曲线，保存检测断面曲线数据到检测主机1硬盘上，并保存检测参数；
s3、根据检测位置处的倾角，根据转化公式把断面曲线点阵局部坐标转化到全局坐标上，形成断面曲线图，根据管道的水平变形和竖直变形求出管道变形率，把不同位置处的全局横断面曲线相连，形成管道变形曲面图；
s4、在检测主机1上，导入管道设计断面图，并与检测断面曲线图进行相交运算，得管道内壁任意一点的变形曲线图；
s5、移动检测装置到下一个位置，重复s2、s3的过程，进行新的断面扫描，这时扫描参数按照已设定的模式进行自动扫描和运算，自动计算变形曲线图。
本实施例中，可结合图1所示,具体的步骤为：
步骤101，管道检测行走装置安装，通过在管道内部安装检测装备的行走装置，包括检测车前横梁13、检测车后横梁12、检测车纵梁14，前左车叉10、前右车叉11、后左车叉8、后右车叉9、和检测车后左行走轮4、后右行走轮5、前左行走轮6、前右行走轮7、后左锁紧螺栓15、后右锁紧螺栓16、前左锁紧螺栓17、前右锁紧螺栓18，确保后左车叉8和后右车叉9，前左车叉10和前右车叉11之间的距离能使纵梁处于管道中心轴的位置，通过水平仪调整前后横梁和纵梁的水平位置。
步骤102，行程记录、激光扫描、倾角仪、主机模块安装。行程记录仪3安装在后左行走轮4上，激光检测头2安装在纵轴上，倾角仪安装在激光检测头2上，检测主机1安装在靠近后横梁纵轴上。
步骤103，管道检测通讯模块。主要是采用通讯线或无线网把检测的行程记录、激光扫描仪、检测位置处的倾角数据传输到检测主机1上。
步骤104，管道检测设备系统调试模块。对检测系统进行调试，确保在当前检测位置，系统能够正确接收到行程记录仪3信息、激光扫描仪检测数据、检测位置处的倾角信息，并能保存在检测主机1内，形成数据文件。
步骤105，管道检测系统设置。设置行程记录仪3的初始位置的里程桩号，激光扫描仪的检测点数和检测范围360°全周范围，校准当前倾角仪测定的倾角准度，并进行管道断面初始扫描检测，保存文件，查看结果是否和设定一致。
步骤106，管道断面设计长度。输入管道初始断面的尺寸、形状和长度等，以便于管道断面及管道变形曲线的计算。
步骤107，管道当前断面检测。根据设定的参数，对管道当前断面进行激光扫面，扫描管道断面点阵数据根据当前位置处的倾角和里程桩号，进行坐标变换，扫描点阵数据和标准断面曲线进行差运算，可以求出任意角度位置处的变形，保存扫描点阵数据和变形数据存储在检测主机1里面，然后移动检测车，进行下一位置处断面变形数据检测和存储，直到整条管道检测完毕。
步骤108，管道变形曲面图。把第一次扫描横断面曲线、第二次扫描横断面曲线、……、第n次扫描横断面曲线相互拼接，形成管道断面曲面图。管道断面曲面和管道设计断面曲面图做差运算，即可得出管道任意部位的变形形态和大小。
本发明的实施例也可以应用于渡槽的变形检测，对渡槽内壁进行激光扫描，扫描角度可以设定在渡槽左竖墙、底板、右竖墙角度范围内，沿着渡槽纵轴线进行一系列的渡槽横断面变形扫描，在和标准的渡槽设计断面进行差运算，可以得到渡槽变形曲面图。
本发明的实施例也可以应用于土石坝的变形检测，对土石坝下游岸坡进行激光扫描，扫描角度可以设定在岸坡下游到底板角度范围内，沿着平行于土石坝岸坡纵轴线进行一系列的岸坡横断面变形扫描，在和标准的岸坡设计断面进行差运算，可以得到土石坝变形曲面图。
为了更清楚地描述本实施例的技术方案，以如下更加具体的实施例进行说明，具体步骤如下：
s1：根据现场管道直径大小，安装好基于激光探测的埋地输水管道断面形状的装置，调好后左车叉8、后右车叉9、前左车叉10、前右车叉11，确保以横梁为中心，后左车叉8和后右车叉9、前左车叉10和前右车叉11分别对称分布在横梁的两侧。
s2：所述的激光检测阵列配置n个激光检测头2，设定检测点间隔角度α,检测角度可全周360度对管道内壁进行环向激光测距，激光阵列旋转360/n后，从而形成管道全周激光测距点阵列，通过把所有激光点阵列相连形成曲线截面图。
s3：管道内部横断面线由n个测点围成，每个扫描阵列点可表示为ni(xi,yi)，每点与x轴的夹角分别为αi，点到扫描中心轴(z轴)的距离为ri，扫描点坐标可表示为xi＝ricosαi、yi＝risinαi，i＝0，n。所有点ni连线形成管道横断面扫描曲线l1，见图5，局部坐标为x，y，z轴。
s4：管道内部横断面扫描线有n个点围成，通过坐标转化实现局部坐标向全局坐标的转化，转化公式为：
x＝x0+x′
y＝y0+y′cosβ-z′sinβ
z＝z0+y′sinβ+z′cosβ
z′＝δl(1)
公式(1)中x，y，z是管道横断面b的全局坐标系中点的坐标，x′,y′,z′是横断面b的局部坐标系点的坐标,x0,y0,z0是管道横断面a的全局坐标系中点的坐标；δl是相邻横断面a和b之间行程记录仪3的位移增量，初始断面行程位移增量δl为零，见图6所示。
s5：根据每一处管道变形横断面曲线图7，可计算在水平位置和垂直位置管道变形后的直径分别为la，lb，管道设计直径为d0，可求出管道水平变形率为
s6：经过s4坐标变换后，可调出管道2次检测点位的管道断面曲线阵列点，见图8，调出n次检测点位的管道断面曲线阵列点，见图9，把所有断面曲线阵列点拼接后形成管道变形曲面图，见图10。
s7：管道设计曲面图与管道扫描曲面图相减，即可求出管道内壁整体变形曲面图，图11管道设计曲面图。
s8：本发明的管道变形检测装置与方法，适用于对管道内壁的变形进行检测，通过设定检测系统的扫描角度，包括管道全周360°角度范围内,再沿着管道内壁轴线进行多次断面检测，把所有检测断面进行拼接，形成管道变形后的内壁轮廓图，与管道设计内壁外轮廓曲面进行差运算，即可求得管道内壁变形曲面图，见图12。
s9：本发明的管道变形检测装置与方法，也适用于对渡槽内壁的变形进行检测，通过设定检测系统的扫描角度，包括渡槽的左竖墙、底板、右竖墙的角度范围内,再沿着渡槽纵轴线进行多次断面检测，把所有断面进行拼接，形成渡槽变形后的内壁外轮廓图，与渡槽设计的内壁外轮廓曲面进行差运算，即可求得渡槽变形曲面图，见图13。
s10：本发明的管道变形检测装置与方法，同样适用于土石坝下游岸坡的变形检测，通过设定检测系统的扫描角度，从土石坝岸坡下游面到底板角度范围内，再沿着平行于土石坝坝轴线的轨道路径进行多次变形扫描，把所有的扫面断面进行拼接，形成土石坝下游岸坡变形后外轮廓图，与土石坝设计的下游外轮廓曲面进行差运算，即可求得土石坝下游岸坡变形曲面图，见图14。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。