基于聲吶掃描的水下結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)新技術(shù)

姚建群　于文志　楊書仁

摘 要：水下結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)，人工探查速度慢，危險(xiǎn)性高，且潛水人員受專業(yè)影響不能準(zhǔn)確獲取和表達(dá)水下結(jié)構(gòu)的損傷情況，檢測(cè)獲得數(shù)據(jù)誤差較大。文章以臺(tái)州市黃巖區(qū)城新大橋水中樁基掃描為實(shí)例，闡述了一種用于水下樁基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)及墩臺(tái)的新探測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：聲吶掃描；水下結(jié)構(gòu)；探傷

1 概述

水下結(jié)構(gòu)損傷的判定主要通過(guò)潛水員人工探查與影像資料分析估算出結(jié)構(gòu)的損傷情況和損傷范圍。目前國(guó)內(nèi)對(duì)如何解決水下結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確和有效采集尚缺乏行之有效的解決辦法。因此如何利用國(guó)內(nèi)外既有的專業(yè)設(shè)備，專研出一套適用于國(guó)內(nèi)水下結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)的技術(shù)，是當(dāng)前行業(yè)亟待解決的問題。

2 聲吶儀技術(shù)原理

本項(xiàng)目所采用的掃描儀器為MS1000掃描聲吶，為單波束機(jī)械式掃描聲吶，可以對(duì)聲吶換能器周圍360°進(jìn)行掃描成像，掃描范圍在0.5～100m。可以對(duì)海底、水下工程等進(jìn)行高清成像，也可用于沉船搜索和救撈、壩體檢查等領(lǐng)域。MS1000聲吶的扇形波束換能器以0.9°×30°波束角度發(fā)射聲脈沖，頻率為675kHz，當(dāng)聲波遇到物體或海底會(huì)反射回波，回波信號(hào)被聲吶接收后，根據(jù)信號(hào)時(shí)延和強(qiáng)度形成圖像。然后聲吶探頭以一定的角度步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，再次重復(fù)發(fā)射和接收過(guò)程。

3 創(chuàng)新探測(cè)技術(shù)方案

3.1 實(shí)施準(zhǔn)備

（1）資料收集，包括橋梁竣工圖及檢測(cè)、巡查、維修、河流歷史最高及日常水位等資料，了解橋梁基本情況并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查確認(rèn)。（2）人員準(zhǔn)備，依據(jù)施工方案、現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行雇傭普通勞務(wù)工人并進(jìn)行人員培訓(xùn)及技術(shù)交底等；機(jī)具準(zhǔn)備，準(zhǔn)備所用儀器、機(jī)具及勞保用品等。（3）平臺(tái)選擇。對(duì)于中間有系梁的樁基，優(yōu)先利用系梁作為施工平臺(tái)，部分測(cè)點(diǎn)掃描時(shí)，將支架放置系梁上進(jìn)行操作；對(duì)無(wú)系梁部位或無(wú)法利用系梁作為施工平臺(tái)的測(cè)點(diǎn)，河內(nèi)水流流速較小時(shí)，優(yōu)先選用人工制作的木筏作為水上施工平臺(tái)；河內(nèi)水流流速較大時(shí)應(yīng)租賃大型船只作為水上施工平臺(tái)。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

例證：樁基（φ1.5m）與墩臺(tái)（2m×4m）的測(cè)點(diǎn)布置。

（1）一般樁基的測(cè)點(diǎn)布置，樁基的測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)樁徑大小確定，根據(jù)上圖掃描距離與掃描范圍確定直徑1.5m樁基最少平均布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)（如下圖所示），水下掃描距離（d）為1.1m～1.5m，小于1.1m會(huì)增加布點(diǎn)數(shù)量，大于1.5m則圖像會(huì)不清晰。（2）有系梁樁基的測(cè)點(diǎn)布置，現(xiàn)在很多橋梁樁基礎(chǔ)之間往往都設(shè)有系梁，因此受系梁影響一些測(cè)點(diǎn)按照上圖布置就不容易實(shí)施掃描。遇到此情況時(shí)可在系梁兩側(cè)加設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描距離，最后使樁基表面全部被掃描到即可，如圖1所示。（3）墩臺(tái)掃描的測(cè)點(diǎn)布置，一般墩臺(tái)掃描面為平面（若有弧面時(shí)參考樁基表面掃描布點(diǎn)），測(cè)點(diǎn)分布以順時(shí)針編號(hào)，掃描距離控制在1m～1.5m范圍內(nèi)，確保相鄰測(cè)點(diǎn)有掃描重合部分。

3.3 操作平臺(tái)安裝

安裝角鋼支架→移動(dòng)至測(cè)點(diǎn)壓置配重→安裝轉(zhuǎn)盤裝置→安裝提升裝置→探頭護(hù)架連接提升鋼絲繩→安裝聲吶探頭。需要注意固定聲吶儀時(shí)禁止用手扶持波束換能器。

3.4 實(shí)施掃描

3.4.1 樁基掃描。（1）安裝不銹鋼管（第一節(jié)鋼管與聲吶儀保護(hù)支架連接），利用轉(zhuǎn)盤調(diào)整探頭方向，使波束換能器旋轉(zhuǎn)軸線與樁基圓心在同一直線上且距離樁基表面1.1～1.5m。注意調(diào)整探頭方向時(shí)嚴(yán)禁逆時(shí)針擰轉(zhuǎn)鋼管，以防鋼管倒轉(zhuǎn)脫落。（2）加長(zhǎng)不銹鋼管，使探頭初始深度為水面以下0.5m處。（3）運(yùn)行聲吶探頭，調(diào)節(jié)掃描范圍及增益效果使掃描圖像顯示效果為最佳。注意圖像明亮且掃描對(duì)象輪廓清晰為最佳，此步驟可適當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤配合掃描。每一處樁基掃描，波束換能器旋轉(zhuǎn)360°為一個(gè)完整掃描圖片。受水流等因素影響，掃描一圈有時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖像不清晰情況，這時(shí)可使波束換能器多掃描幾圈，直至圖像清晰為止，點(diǎn)擊軟件保存鍵記錄掃描圖像。（4）當(dāng)此深度掃描完成后，加長(zhǎng)不銹鋼管，將聲吶探頭垂直向下移動(dòng)1.5m，根據(jù)上一步操作掃描記錄清晰的圖像，注意每次加長(zhǎng)鋼管以1.5m左右距離為宜且掃描范圍不宜小于2m，以防掃描重合部分太少影響后期圖像拼接。（5）按照步驟a～d依次從上至下掃描水下樁基，直到該測(cè)點(diǎn)樁基全部掃描完成，每個(gè)掃描深度至少記錄一次圖片。

3.4.2 墩臺(tái)掃描步驟參考樁基掃描步驟實(shí)施，掃描過(guò)程中使波束換能器旋轉(zhuǎn)軸線與墩臺(tái)表面垂直且距離表面1～1.5m，每次下移距離為1m，掃描范圍不宜小于2m。

3.5 病害掃描

用聲吶儀系統(tǒng)實(shí)施掃描時(shí)，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)目標(biāo)表面有病害情況，則需要對(duì)該病害處進(jìn)行局部掃描。

3.5.1 病害部位掃描的測(cè)點(diǎn)布置。（1）尺寸小于0.5m病害的測(cè)點(diǎn)布置，為了使病害處更好的反應(yīng)成像，需要將聲吶探頭靠近目標(biāo)病害處表面，根據(jù)聲吶探頭自身特性及實(shí)踐得知，掃描范圍為0.5m能最佳掃描成像，以此推斷樁基掃描距離為0.88m，墩臺(tái)掃描距離為0.93m。（2）尺寸大于0.5m病害的測(cè)點(diǎn)布置，若表面病害較大寬度超過(guò)0.5m時(shí)，單測(cè)點(diǎn)掃描無(wú)法將病害全部掃描成像，此時(shí)需要增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量。增加測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)使相鄰測(cè)點(diǎn)掃描范圍重合（以一半范圍為宜）。若病害尺寸大于兩個(gè)位置掃描總寬度，參照上述測(cè)點(diǎn)布置方法增加測(cè)點(diǎn)掃描直至病害全部被掃描。

3.5.2 病害部位掃描。（1）樁基病害部位掃描，先記錄測(cè)點(diǎn)位置并在樁基頂部相應(yīng)位置畫出標(biāo)記，并在掃描圖片上利用軟件測(cè)出病害距離水面深度。掃描范圍調(diào)節(jié)為1.5m，波束換能器距樁基表面0.88m，需要下調(diào)深度進(jìn)行多次掃描時(shí)每次調(diào)節(jié)深度為1m。（2）墩臺(tái)病害部位掃描，參考樁基病害掃描先記錄病害位置；掃描范圍調(diào)節(jié)為1.5m，波束換能器距樁基表面0.93m，需要下調(diào)深度進(jìn)行多次掃描時(shí)每次調(diào)節(jié)深度為1m。

3.6 圖片的處理、分析

利用PS等拼圖軟件將掃描存儲(chǔ)的局部圖像進(jìn)行處理、拼接，形成完整的水下結(jié)構(gòu)圖像。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的新探測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確、有效的采集提供水下結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)，解決國(guó)內(nèi)目前水下掃描數(shù)據(jù)采集困難、不及時(shí)等難題，為水下結(jié)構(gòu)的損傷狀況評(píng)價(jià)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于加快和完善水下結(jié)構(gòu)損傷的探測(cè)和治理奠定了基礎(chǔ)，為基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)提供了新的動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

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