利用聲吶技術(shù)的涉水橋梁安全檢測應(yīng)用

紀立軍

(中船七二六所上海瑞洋船舶科技有限公司，上海201108)

1 概述

涉水橋梁質(zhì)量事關(guān)橋梁交通安全，安全檢測十分重要。對于涉水橋梁，由于水域環(huán)境的復(fù)雜性和水下病害的隱蔽性，需要關(guān)注的安全問題與橋梁水上部分有很大不同。涉水橋梁的安全質(zhì)量問題主要包括橋墩受水流沖刷問題、橋墩水下裂縫、麻面、淤積等。為了監(jiān)測和預(yù)警此類問題，需要采用不同的技術(shù)手段對涉水橋梁問題進行檢測。綜合來看，目前潛水探摸的方法有一定的缺陷，因此在消除橋梁工程中水下基礎(chǔ)的質(zhì)量隱患方面帶來許多困難和不便，難以滿足高水平水下探測任務(wù)需求。而掃描聲吶和多波束聲吶可以同時發(fā)送和接收多個波束，與單波束回聲測深儀相比，它能把測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，特別適合進行涉水橋梁的快速安全檢測。為此，本文以掃描聲吶（MS1000）和多波束聲吶（EM 2040）為例，主要闡述兩款聲吶系統(tǒng)的原理，并通過工程實例應(yīng)用說明其推廣價值和適用性，是涉水橋梁安全檢測的重要方法。

2 兩款聲吶的工作原理介紹

2.1 MS1000 掃描聲吶工作原理

MS1000 掃描聲吶是一種主動聲吶，其系統(tǒng)主要由換能器、甲板聲吶圖像處理器、采集工作站和水下電纜等部分組成。工作時聲吶換能器可以旋轉(zhuǎn)360°，獲得較清晰的水下聲吶影像，多個影像可以鑲嵌拼合，形成較大范圍影響。該設(shè)備采用連續(xù)發(fā)射調(diào)頻波測距法來測距，當發(fā)射信號遇到檢測對象立面時，產(chǎn)生回波；利用發(fā)射頻率、回波頻率、聲速、調(diào)頻周期等，即可確定檢測對象立面各點與聲吶的距離，從而生成檢測對象立面聲吶掃描圖像。

2.2 EM2040 多波束工作原理

EM2040 由4 部分組成：甲板處理單元、發(fā)射換能器、接收換能器和工作站。還可配備姿態(tài)傳感器、定位系統(tǒng)、聲速剖面儀。當配置一個接收換能器時，聲吶掃寬可達水深的5.5 倍，并能與現(xiàn)場采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合,繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。測深時，載有多波束測深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，而且可以同時獲得與船的航跡相垂直的面內(nèi)的多個水深值，一次測量即可覆蓋一個寬扇面，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。

3 涉水橋梁的安全檢測實際應(yīng)用

某黃河鐵路大橋的建設(shè)始于1954 年11 月，并于1956 年5月通車。橋梁處于黃河上游大位置，橋側(cè)面及樁基平面圖見圖1，橋址處兩岸峭壁矗立，水流湍急，尤其是3#和4#墩位常年于水中，墩位處流速較大，河床沖刷嚴重，采用EM2040 多波束測深系統(tǒng)對3#、4#橋樁附近河床進行檢測，并用MS1000 掃描聲吶系統(tǒng)對4#墩位右側(cè)（黃河下游方向為向前）進行了重點檢測。

3.1 多波束橋墩沖刷情況檢測

通過EM2040 多波束測深系統(tǒng)掃測橋3、4#樁底部發(fā)現(xiàn)，其中以4#為例，橋樁右側(cè)（下游方向為向前）河底存在沖刷溝，溝底最深處水深約為7.4m，河底到橋樁基礎(chǔ)頂部高度約為3.4m，如圖2 所示：

圖1 某黃河鐵路大橋側(cè)面及樁基平面圖

圖2 4#橋樁右側(cè)聲吶系統(tǒng)成像圖

3.2 多波束沖刷檢測情況分析

通過查詢原始設(shè)計資料，該橋采用沉箱技術(shù)建造，其中4#橋墩基礎(chǔ)（靠近蘭州岸邊）沉箱總高5.4m，原設(shè)計考慮河床花崗片麻巖容易風化，故沉箱下部嵌入巖層約0.8m，現(xiàn)在根據(jù)多波束掃測結(jié)果，我們可以計算得出4#橋墩沉箱底端嵌入巖層的深度，計算結(jié)果見下表1。

表1 4#橋墩基礎(chǔ)嵌入巖層深度計算

該黃河鐵路大橋自建成通車以來，3#和4#橋樁經(jīng)歷了61年黃河水的沖刷。多波束檢測手段不僅可以完成河床底部地形全覆蓋掃描探測，而且可以根據(jù)掃描結(jié)果定量地分析確定大橋橋樁基礎(chǔ)周邊的沖刷量。根據(jù)這次數(shù)據(jù)分析，3#和4#橋樁左側(cè)基礎(chǔ)嵌入巖層的深度已經(jīng)減少到0.5m，也就是說與原設(shè)計相比，3#和4#橋樁左側(cè)基礎(chǔ)周圍已經(jīng)產(chǎn)生了20～30cm 的沖刷溝。

3.3 掃描聲納病害檢測情況分析

由于MS1000 掃描聲納作業(yè)時段黃河水流湍急，考慮到安全因素，掃描聲納僅僅對4#橋樁的部分立面（黃河下游方向為向前）進行掃測，掃描聲納掃測結(jié)果顯示橋樁水下部分及基礎(chǔ)部分無明顯缺損或水流侵蝕。在MS1000 圖像上量取4#橋樁右側(cè)河底到橋樁基礎(chǔ)頂端高度為3.421 米，與多波束數(shù)據(jù)吻合，示意圖如圖3。

圖3 掃描聲納系統(tǒng)成像圖

3.4 本次檢測中出現(xiàn)的問題分析

3.4.1 定位問題

本次檢測中多波束在橋底作業(yè)時GPS 衛(wèi)星經(jīng)常失鎖，而作業(yè)使用的MGC 慣導(dǎo)因氣溫較低不能正常工作（慣導(dǎo)額定最低工作溫度-5°，作業(yè)時段實際氣溫約-10°），導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理時橋樁和基礎(chǔ)部分不能完整拼接成一個三維立體效果圖。以后在這種低溫天氣下將使用適合低溫天氣的慣導(dǎo)設(shè)備進行定位。

3.4.2 水位問題

本次檢測中發(fā)現(xiàn)，測區(qū)缺乏歷史水位數(shù)據(jù)，當?shù)乩碚撋疃然鏌o法精確確定。根據(jù)現(xiàn)場觀察，水流每天上午的流速較快，水位變化較快，下午趨于平緩。后續(xù)測量中，計劃采用自容式水位儀，連續(xù)采集72 小時水位數(shù)據(jù)，推算臨時基準面。如有可能與國家85 高程系統(tǒng)聯(lián)測，以提高測深數(shù)據(jù)的精確性。

3.4.3 掃描聲納安裝建議

本次檢測MS1000 掃描聲納作業(yè)時換能器未能緊靠橋樁，建議以后作業(yè)時掃描聲納換能器應(yīng)盡量靠近橋樁，這樣可以獲得更加清晰的橋樁及基礎(chǔ)立面圖像。

4 結(jié)論

通過多波束對涉水橋梁周圍河床進行掃測，獲得高精度水深點云數(shù)據(jù), 從而可以對河床和橋樁的沖刷和侵蝕程度進行定量分析；通過掃描聲納對橋樁基礎(chǔ)立面進行檢測，獲得高分辨率聲納圖像，可以驗證多波束掃測準確度，同時還能夠通過圖像對橋樁基礎(chǔ)立面進行定性分析，了解橋梁基礎(chǔ)立面有無缺損和侵蝕，了解河床有無受到水流沖刷。經(jīng)過實際應(yīng)用證明聲納技術(shù)具有良好的探測效果，可以充分摸清涉水橋梁的安全狀況，為檢測驗證涉水橋梁的質(zhì)量安全穩(wěn)定提供了極大的便利，可為鐵路橋梁管理部門對橋梁管理和維護提供重要的技術(shù)依據(jù)。