安徽銅陵長(zhǎng)江大橋3號(hào)橋墩拋?zhàn)o(hù)工程監(jiān)測(cè)分析

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210011；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局, 上海 200136)

1 研究背景

銅陵長(zhǎng)江公路大橋于1991年12月開工建設(shè)，1995年12月26日建成通車，是當(dāng)時(shí)世界上同類型第三的跨徑橋梁，屬國家“八五”計(jì)劃的重點(diǎn)工程，至今已運(yùn)營了20多年。該大橋位于長(zhǎng)江下游安徽省境內(nèi)的銅陵河段羊山磯磯頭下游 600 m處。銅陵大橋的建成對(duì)于貫通淮北、江淮和皖南之間的交通聯(lián)系，緩解大江南北交通運(yùn)輸緊張狀況起到了不可估量的作用。

銅陵長(zhǎng)江公路大橋建成以來，一方面由于相繼歷經(jīng)“95”、“98”和“99”等大洪水作用，加之上游水庫陸續(xù)建成后清水下泄，另一方面由于大橋北側(cè)橋墩所處巖基埋深較深，抗沖能力有限，致使大橋北側(cè)橋墩附近河床產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部沖刷。根據(jù)大橋建成以后歷年橋址水下地形測(cè)量資料分析，除3號(hào)橋墩沖刷相對(duì)較大外，其他橋墩的局部沖淤變化較為穩(wěn)定。

局部沖刷引起的橋墩水毀具有突發(fā)性和災(zāi)難性[1]，往往會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。為預(yù)防長(zhǎng)江突發(fā)性異常洪水對(duì)主橋3號(hào)橋墩局部河床沖刷可能產(chǎn)生的不利影響，確保大橋橋墩的長(zhǎng)久安全，及時(shí)了解3號(hào)橋墩附近加固工程的實(shí)施情況和拋?zhàn)o(hù)效果，分別運(yùn)用多波束與單波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行拋?zhàn)o(hù)工程監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比分析研究。

2 防護(hù)工程設(shè)計(jì)與施工

2.1 平面布置

橋墩護(hù)底抗沖措施是利用拋石、砂枕、沙袋、軟體排等結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁基礎(chǔ)及周圍進(jìn)行防護(hù)[2]。防護(hù)工程規(guī)模為對(duì)主三號(hào)橋墩鋼圍堰外圍30～40 m的范圍進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)平臺(tái)頂高程-28.00 m，防護(hù)總面積 8 197.90 m2，分為精拋區(qū)和粗拋區(qū)兩個(gè)防護(hù)區(qū)域。精拋區(qū)域采用水上吊放、水下到位脫鉤的施工方法，范圍是垂直橋軸線方向橋墩鋼圍堰外上游5 m，下游25 m，沿著橋軸線方向橋墩鋼圍堰外東西兩側(cè)各5 m，形成一個(gè)沿著及垂直橋軸線尺寸為 34.8 m×54.8 m 的矩形區(qū)域，防護(hù)面積1 424.00 m2(未含橋墩面積)。粗拋區(qū)域采用水上拋投、自然落水施工方法，位于整個(gè)防護(hù)范圍內(nèi)精拋區(qū)域的外圍，防護(hù)面積 6 773.90 m2(見圖1)。

圖1 3號(hào)橋墩防護(hù)平面布置

2.2 設(shè)計(jì)拋投量

工程在實(shí)施前對(duì)主橋3號(hào)橋墩附近河床進(jìn)行了水下測(cè)量，并根據(jù)地形測(cè)量結(jié)果對(duì)橋墩的防護(hù)范圍及防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算?！吧罢韺?級(jí)配碎石層+護(hù)面塊石層”各階段的拋?zhàn)o(hù)量見表1。

表1 防護(hù)工程設(shè)計(jì)拋?zhàn)o(hù)量

3 拋?zhàn)o(hù)前后河床監(jiān)測(cè)

3.1 多波束掃測(cè)特點(diǎn)

目前，水下防護(hù)工程地形測(cè)量多采用單波束聲納測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)是按照一定距離間隔布設(shè)測(cè)線獲取斷面數(shù)據(jù)，之后將斷面數(shù)據(jù)繪制成圖，并按照直線插補(bǔ)法生成等值線圖，該法并不能完全真實(shí)反映地形變化。另外，由于單波束測(cè)量在橋墩位置施測(cè)難度較大，GNSS信號(hào)常有丟失，測(cè)深點(diǎn)分布不均勻，局部區(qū)域測(cè)點(diǎn)較少，難以滿足橋墩防護(hù)沖刷監(jiān)測(cè)的需要。

多波束測(cè)深系統(tǒng)不僅克服了單波束測(cè)量產(chǎn)生的問題，同時(shí)具有測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快、精度和效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]，該系統(tǒng)把測(cè)深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測(cè)深和自動(dòng)成圖，得到高精度的三維地形圖，比較可靠地描繪出水底地形的三維特征。

多波束測(cè)深系統(tǒng)具有一定復(fù)雜性，對(duì)儀器的安裝、校準(zhǔn)要求比較高，因此在測(cè)前一定要做好各種參數(shù)的校準(zhǔn)工作，以免影響測(cè)深精度。此次多波束測(cè)深前進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的參數(shù)校準(zhǔn)和調(diào)試，并在測(cè)量過程中采用單波束回聲儀同步對(duì)比施測(cè)，確保了測(cè)深精度。

3.2 多波束應(yīng)用

獲取該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用的是RESON SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高分辨率聲納系統(tǒng)、聲速探頭、水下聲納傳感器、全套數(shù)據(jù)采集軟件包PDS2000組成；其中400 kHz聲納傳感器每次可同時(shí)采集512個(gè)水深信號(hào)；最大發(fā)射開角165°；最大頻率達(dá)50±1Hz。

內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理采用PDS2000和Caris7.1后處理軟件包，對(duì)海量的多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和剔除錯(cuò)誤，并根據(jù)給定參數(shù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的校正，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、描述和制圖。

按照多波束測(cè)深系統(tǒng)操作規(guī)程，對(duì)系統(tǒng)連接設(shè)備進(jìn)行了安裝檢查，并聯(lián)機(jī)測(cè)試。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定主要用于校正聲納頭以及光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝偏差(橫搖偏差roll、縱搖偏差pitch、艏向偏差yaw)，以確保豎直方向水深測(cè)量的精度[4]。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，GPS衛(wèi)星信號(hào)及數(shù)傳信號(hào)較好，河床掃測(cè)條帶回波信號(hào)呈像清晰，系統(tǒng)通過外接表面聲速儀(RESON SVP 70)可實(shí)時(shí)改正換能器表面聲速，修正波束指向角度，提高精度。輸入GPS 1PPS信號(hào)使得各設(shè)備精確同步UTC時(shí)間，避免因時(shí)間延遲降低測(cè)量精度。水下掃測(cè)點(diǎn)距平均約0.3 m。掃測(cè)范圍覆蓋了測(cè)區(qū)范圍，測(cè)點(diǎn)重復(fù)度良好。

3.3 多波束測(cè)量精度檢校

為驗(yàn)證多波束測(cè)深系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，在多波束系統(tǒng)掃測(cè)的同時(shí)，采用單波束測(cè)深儀進(jìn)行對(duì)比施測(cè)。測(cè)深系統(tǒng)采用中海達(dá)HD310型回聲測(cè)深儀，平面定位采用中海達(dá)V30 GPS，基準(zhǔn)臺(tái)架設(shè)在“TQ07”，為D級(jí)GPS控制點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集軟件為中海達(dá)導(dǎo)航軟件，參數(shù)設(shè)置為采用RTK固定解的解算模式，由軟件控制同步采集定位坐標(biāo)與水深數(shù)據(jù)。單波束測(cè)深前對(duì)平面定位系統(tǒng)、測(cè)深系統(tǒng)、導(dǎo)航參數(shù)等均進(jìn)行了嚴(yán)密的比測(cè)與率定。

將多波束測(cè)深數(shù)據(jù)生成5 m點(diǎn)位格網(wǎng)模型，并輸出點(diǎn)位成果。采用按距離加權(quán)的方式將單波束水深測(cè)點(diǎn)值內(nèi)插至多波束格網(wǎng)模型上，比較每個(gè)測(cè)點(diǎn)的殘差值，并進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)測(cè)深點(diǎn)高程的比較，多波束測(cè)深與單頻測(cè)深值吻合的較好，高程較差中誤差為12 cm。部分區(qū)域成果比對(duì)見圖2。

(藍(lán)色為多波束所測(cè)高程、紅色為單波束所測(cè)高程)圖2 監(jiān)測(cè)區(qū)域部分高程對(duì)比

3.4 多波束測(cè)量成果比對(duì)

從多波束施測(cè)的拋石前與拋石后的數(shù)據(jù)看，3號(hào)橋墩附近粗拋區(qū)床面在拋石前最低-30.2 m，拋石前最高-20.6 m，拋石后最低-26.0 m，拋石后最高-17.2 m，粗拋區(qū)床面拋?zhàn)o(hù)厚度范圍在 0.3～7.0 m之間。精拋區(qū)床面拋石前最低-32.3 m，拋石前最高高程-21.1 m，拋石后最低-27.0 m，拋石后最高-19.7 m，精拋區(qū)較拋石前河床面增高約2.0～3.0 m，詳見圖3。

圖3 拋?zhàn)o(hù)前后橋墩河床變化

4 拋?zhàn)o(hù)量計(jì)算與分析

橋墩混凝土拋石量采用surfer11軟件并運(yùn)用梯形法則和辛普森的3/8法則進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩種計(jì)算方法進(jìn)行誤差比較。計(jì)算步驟如下：對(duì)測(cè)圖中水下地形高程點(diǎn)進(jìn)行矩形網(wǎng)格加密(加密方法為克里格，加密間距為 1.2 m×1.2 m)；將加密后的地形散點(diǎn)作為計(jì)算下表面，上表面設(shè)置常數(shù)Z=0，即計(jì)算水位 0 m以下的河床槽蓄量。采用梯形法則和辛普森的3/8法則。

橋墩拋?zhàn)o(hù)量的計(jì)算范圍是橋墩位置上下游各40 m及橋墩左右側(cè)20～40 m范圍，扣除橋墩面積后，實(shí)際計(jì)算地形投影后的面積為 8 197.90 m2，分為精拋區(qū)和粗拋區(qū)兩個(gè)防護(hù)區(qū)域，精拋區(qū)域防護(hù)面積為 1 424.00 m2，粗拋區(qū)域防護(hù)面積為 6 773.90 m2。

4.1 總拋投量計(jì)算

兩種計(jì)算方法的偏差為0.13%～0.23‰，計(jì)算精度在允許范圍內(nèi)。將兩種方法計(jì)算結(jié)果的均值作為拋?zhàn)o(hù)量計(jì)算的依據(jù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3號(hào)橋墩防護(hù)工程(砂枕+級(jí)配碎石+護(hù)面塊石)的拋?zhàn)o(hù)總量為30 599 m3，其中精拋區(qū)的拋?zhàn)o(hù)量為4 016.6 m3，粗拋區(qū)的拋?zhàn)o(hù)量為26 582.4 m3(見表2)。

表2 防護(hù)區(qū)與精拋區(qū)拋?zhàn)o(hù)量計(jì)算

注：防護(hù)區(qū)包括粗拋區(qū)與精拋區(qū)。

整個(gè)防護(hù)區(qū)的河床平均增高厚度約 3.7 m，平均高程為-21.7 m。精拋區(qū)河床平均增高厚度約2.8 m，平均高程為-24.4 m。粗拋區(qū)河床平均增高厚度約 3.9 m，平均高程為-21.1 m。拋?zhàn)o(hù)工程后河床的平均高程均大于原設(shè)計(jì)河床高程-28.0 m，計(jì)算結(jié)果詳見表3。3號(hào)橋墩位置拋?zhàn)o(hù)厚度3D曲面示意見圖4。

表3 3號(hào)橋墩位置河床工程前后對(duì)比

圖4 橋墩拋?zhàn)o(hù)厚度3D示意

4.2 級(jí)配碎石+護(hù)面塊石拋?zhàn)o(hù)量計(jì)算

在完成砂枕拋?zhàn)o(hù)后，級(jí)配碎石拋?zhàn)o(hù)前進(jìn)行一次多波束地形測(cè)量。表4為3號(hào)橋墩位置混凝土拋?zhàn)o(hù)量計(jì)算表，兩種計(jì)算方法的偏差為 0.07‰～0.15‰，計(jì)算精度在允許范圍內(nèi)。

表4 級(jí)配碎石+護(hù)面塊石拋?zhàn)o(hù)量計(jì)算

注：防護(hù)區(qū)包括粗拋區(qū)與精拋區(qū)。

依據(jù)多波束施測(cè)的拋石后與拋石前水下地形圖比較，該次計(jì)算范圍(粗拋區(qū)與精拋區(qū))的拋石量為25 424 m3，橋墩位置河床的平均增高厚度約3.1 m，拋?zhàn)o(hù)后河床面平均高程為-21.7 m。其中，精拋區(qū)域拋?zhàn)o(hù)量為6 018 m3，精拋區(qū)河床的平均增高厚度約 4.2 m，工程后精拋區(qū)域河床面平均高程在-24.4 m。

5 結(jié) 語

銅陵長(zhǎng)江大橋3號(hào)橋墩拋?zhàn)o(hù)工程采用“砂枕層+級(jí)配碎石層+護(hù)面塊石層”3層防護(hù)體系，綜合運(yùn)用GNSS與多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)橋墩附近河床開展拋?zhàn)o(hù)前后的三維監(jiān)測(cè)，拋?zhàn)o(hù)后工程防護(hù)區(qū)域河床平均增高厚度約3.7 m，大于設(shè)計(jì)拋?zhàn)o(hù)厚度，達(dá)到了3號(hào)橋墩拋?zhàn)o(hù)加固的設(shè)計(jì)要求。

多波束測(cè)深系統(tǒng)具有高分辨率、高精度、全覆蓋等特點(diǎn)[4]，可以精確、高效、快捷、實(shí)時(shí)直觀地展示橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和河床型態(tài)，運(yùn)用surfer軟件能夠較為精確的計(jì)算工程實(shí)際拋?zhàn)o(hù)量，快速測(cè)定和檢驗(yàn)拋?zhàn)o(hù)工程前后橋墩附近河床的變化和效果，大大提高了工作效率，該技術(shù)方法可為今后類似水下工程的維護(hù)性監(jiān)測(cè)提供參考，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。