基于聲吶掃描的水下結構損傷探測新技術

姚建群　于文志　楊書仁

摘 要：水下結構損傷探測，人工探查速度慢，危險性高，且潛水人員受專業影響不能準確獲取和表達水下結構的損傷情況，檢測獲得數據誤差較大。文章以臺州市黃巖區城新大橋水中樁基掃描為實例，闡述了一種用于水下樁基礎、擴大基礎及墩臺的新探測方法。

關鍵詞：聲吶掃描；水下結構；探傷

1 概述

水下結構損傷的判定主要通過潛水員人工探查與影像資料分析估算出結構的損傷情況和損傷范圍。目前國內對如何解決水下結構損傷數據及時、準確和有效采集尚缺乏行之有效的解決辦法。因此如何利用國內外既有的專業設備，專研出一套適用于國內水下結構損傷探測的技術，是當前行業亟待解決的問題。

2 聲吶儀技術原理

本項目所采用的掃描儀器為MS1000掃描聲吶，為單波束機械式掃描聲吶，可以對聲吶換能器周圍360°進行掃描成像，掃描范圍在0.5～100m。可以對海底、水下工程等進行高清成像，也可用于沉船搜索和救撈、壩體檢查等領域。MS1000聲吶的扇形波束換能器以0.9°×30°波束角度發射聲脈沖，頻率為675kHz，當聲波遇到物體或海底會反射回波，回波信號被聲吶接收后，根據信號時延和強度形成圖像。然后聲吶探頭以一定的角度步進旋轉，再次重復發射和接收過程。

3 創新探測技術方案

3.1 實施準備

（1）資料收集，包括橋梁竣工圖及檢測、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行現場勘查確認。（2）人員準備，依據施工方案、現場情況，進行雇傭普通勞務工人并進行人員培訓及技術交底等；機具準備，準備所用儀器、機具及勞保用品等。（3）平臺選擇。對于中間有系梁的樁基，優先利用系梁作為施工平臺，部分測點掃描時，將支架放置系梁上進行操作；對無系梁部位或無法利用系梁作為施工平臺的測點，河內水流流速較小時，優先選用人工制作的木筏作為水上施工平臺；河內水流流速較大時應租賃大型船只作為水上施工平臺。

3.2 測點布置

例證：樁基（φ1.5m）與墩臺（2m×4m）的測點布置。

（1）一般樁基的測點布置，樁基的測點布置根據樁徑大小確定，根據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個測點（如下圖所示），水下掃描距離（d）為1.1m～1.5m，小于1.1m會增加布點數量，大于1.5m則圖像會不清晰。（2）有系梁樁基的測點布置，現在很多橋梁樁基礎之間往往都設有系梁，因此受系梁影響一些測點按照上圖布置就不容易實施掃描。遇到此情況時可在系梁兩側加設兩個測點，然后適當調節掃描距離，最后使樁基表面全部被掃描到即可，如圖1所示。（3）墩臺掃描的測點布置，一般墩臺掃描面為平面（若有弧面時參考樁基表面掃描布點），測點分布以順時針編號，掃描距離控制在1m～1.5m范圍內，確保相鄰測點有掃描重合部分。

3.3 操作平臺安裝

安裝角鋼支架→移動至測點壓置配重→安裝轉盤裝置→安裝提升裝置→探頭護架連接提升鋼絲繩→安裝聲吶探頭。需要注意固定聲吶儀時禁止用手扶持波束換能器。

3.4 實施掃描

3.4.1 樁基掃描。（1）安裝不銹鋼管（第一節鋼管與聲吶儀保護支架連接），利用轉盤調整探頭方向，使波束換能器旋轉軸線與樁基圓心在同一直線上且距離樁基表面1.1～1.5m。注意調整探頭方向時嚴禁逆時針擰轉鋼管，以防鋼管倒轉脫落。（2）加長不銹鋼管，使探頭初始深度為水面以下0.5m處。（3）運行聲吶探頭，調節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象輪廓清晰為最佳，此步驟可適當旋轉轉盤配合掃描。每一處樁基掃描，波束換能器旋轉360°為一個完整掃描圖片。受水流等因素影響，掃描一圈有時會出現圖像不清晰情況，這時可使波束換能器多掃描幾圈，直至圖像清晰為止，點擊軟件保存鍵記錄掃描圖像。（4）當此深度掃描完成后，加長不銹鋼管，將聲吶探頭垂直向下移動1.5m，根據上一步操作掃描記錄清晰的圖像，注意每次加長鋼管以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，直到該測點樁基全部掃描完成，每個掃描深度至少記錄一次圖片。

3.4.2 墩臺掃描步驟參考樁基掃描步驟實施，掃描過程中使波束換能器旋轉軸線與墩臺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

用聲吶儀系統實施掃描時，若發現某個測區內目標表面有病害情況，則需要對該病害處進行局部掃描。

3.5.1 病害部位掃描的測點布置。（1）尺寸小于0.5m病害的測點布置，為了使病害處更好的反應成像，需要將聲吶探頭靠近目標病害處表面，根據聲吶探頭自身特性及實踐得知，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，墩臺掃描距離為0.93m。（2）尺寸大于0.5m病害的測點布置，若表面病害較大寬度超過0.5m時，單測點掃描無法將病害全部掃描成像，此時需要增加測點數量。增加測點位置應使相鄰測點掃描范圍重合（以一半范圍為宜）。若病害尺寸大于兩個位置掃描總寬度，參照上述測點布置方法增加測點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，先記錄測點位置并在樁基頂部相應位置畫出標記，并在掃描圖片上利用軟件測出病害距離水面深度。掃描范圍調節為1.5m，波束換能器距樁基表面0.88m，需要下調深度進行多次掃描時每次調節深度為1m。（2）墩臺病害部位掃描，參考樁基病害掃描先記錄病害位置；掃描范圍調節為1.5m，波束換能器距樁基表面0.93m，需要下調深度進行多次掃描時每次調節深度為1m。

3.6 圖片的處理、分析

利用PS等拼圖軟件將掃描存儲的局部圖像進行處理、拼接，形成完整的水下結構圖像。

4 結語

本文介紹的新探測技術能夠準確、有效的采集提供水下結構損傷數據，解決國內目前水下掃描數據采集困難、不及時等難題，為水下結構的損傷狀況評價提供了有力的數據支撐，對于加快和完善水下結構損傷的探測和治理奠定了基礎，為基礎設施養護提供了新的動力。

參考文獻

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