鐵路橋涵水文檢算中智能測繪技術(shù)的應(yīng)用與探索

趙國平 王克曉 李立功

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240）

1 引言

作為鐵路的重要建筑物——鐵路橋涵的安全穩(wěn)定直接影響到鐵路的運(yùn)營安全。為了保證鐵路橋涵自身的安全穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)建造階段除了確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外，還要充分考慮所處地區(qū)水文對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響。在進(jìn)行鐵路橋涵設(shè)計(jì)時(shí)，鐵路橋涵的孔徑必須保證設(shè)計(jì)洪水、流水、流石泥及其它漂浮物的安全通過，保證橋頭路基不致漫決。

鐵路橋涵建成使用后，為了確保鐵路橋涵在鐵路運(yùn)營中的安全穩(wěn)定，鐵路工務(wù)段、所屬鐵路局集團(tuán)都設(shè)有專設(shè)機(jī)構(gòu)和專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行技術(shù)管理，其中對(duì)既有鐵路橋涵進(jìn)行水文檢算是最重要的工作內(nèi)容之一。每年的防洪季節(jié)，對(duì)管內(nèi)鐵路橋涵進(jìn)行水文檢算是工務(wù)段和各鐵路局集團(tuán)防洪工作中最為重要的一環(huán)。

2 傳統(tǒng)鐵路橋涵水文檢算方法

目前各鐵路工務(wù)段對(duì)鐵路橋涵的水文檢算主要是流量計(jì)算和孔徑計(jì)算。

1）流量計(jì)算。傳統(tǒng)做法是利用已有的若干年水文流量觀測資料，使用以下公式求規(guī)定頻率（由設(shè)計(jì)橋涵時(shí)根據(jù)其鐵路等級(jí)和橋涵復(fù)雜程度確定）的設(shè)計(jì)流量。

式中

——計(jì)算平均流量；

Cv——計(jì)算變差系數(shù)；

φp——皮爾遜曲線均離系數(shù)

Kp——皮爾遜曲線模比系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上在鐵路橋涵附近所選斷面內(nèi)布置測深點(diǎn)，用測深桿、測深錘或鉛魚測深器進(jìn)行斷面測量。再在斷面相應(yīng)的位置用流速儀測量流速和水尺上水位的讀數(shù)，計(jì)算出鐵路橋涵的實(shí)際流量。

2）孔徑計(jì)算。橋梁建成后，橋址所在地的河槽會(huì)發(fā)生自然演變從而引起橋孔附近河槽斷面形狀的變化；梁斷面處水流受壓縮，導(dǎo)致橋下流速增大，對(duì)橋下河床斷面產(chǎn)生沖刷；流經(jīng)橋梁的水流為橋墩臺(tái)所阻，也會(huì)對(duì)橋墩臺(tái)周圍產(chǎn)生沖刷。為此還需要對(duì)橋下河床沖刷、墩臺(tái)基底埋置深度、梁底標(biāo)高與橋頭引線路肩標(biāo)高等內(nèi)容進(jìn)行檢算。

通過對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行檢算，最終確定橋涵是否安全并將這些計(jì)算安全數(shù)據(jù)上傳鐵路局橋涵水文檢算數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行管理。

3）傳統(tǒng)做法存在的問題。隨著時(shí)間的推移，鐵路橋涵所經(jīng)河流會(huì)發(fā)生不斷的變化，諸如斷面、匯水面積、流速、水面高度等因素都會(huì)和原初設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)期有所不同。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理因采集工具的局限造成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率差、耗時(shí)長，加上數(shù)據(jù)采集環(huán)境較差需要消耗大量的人力物力，造成采集的數(shù)據(jù)嚴(yán)重制約鐵路橋涵防洪工作，急需一種更高效經(jīng)濟(jì)精準(zhǔn)的方法替代。

3 鐵路橋涵水文檢算中智能測繪技術(shù)的應(yīng)用

智能測繪是一種新型便捷的測繪方法，其利用無人機(jī)、無人測量船等職能測繪設(shè)備可以更高效經(jīng)濟(jì)的解決勘測問題，在諸多行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是將智能測繪引入鐵路橋涵水文檢算中國內(nèi)尚沒有案例，為了更好地解決工程實(shí)際問題，將智能測繪引入鐵路橋涵水文檢算，我們做了以下的嘗試。

1）數(shù)據(jù)采集。河床斷面測繪中，我們事先設(shè)定好無人測控船的航程，能迅速準(zhǔn)確地測繪出航線河床斷面形狀和水深數(shù)值。通過測控船加掛的分層測速儀，能夠同時(shí)測量出不同水深處的流速。另外，通過在橋墩上設(shè)置水位傳感器，能夠遠(yuǎn)程獲取橋墩的實(shí)時(shí)水位，用以校核鐵路橋涵水文檢算中孔徑檢算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。使用無人機(jī)對(duì)鐵路橋涵小流域地形進(jìn)行規(guī)劃測繪，能準(zhǔn)確獲取流域后建建筑物對(duì)鐵路橋涵流量和沖刷影響的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)分析。由于智能測繪技術(shù)的介入，使得鐵路橋涵水文檢算所需要數(shù)據(jù)的獲得更為便捷，能夠快速得到鐵路橋涵水文檢算需要對(duì)所經(jīng)地區(qū)的降水量、匯水面積、流量、流速以及對(duì)橋涵的沖刷影響，準(zhǔn)確地計(jì)算既有河流對(duì)橋涵的影響是否涉及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車安全。通過建立動(dòng)態(tài)觀測，隨時(shí)掌握鐵路橋涵實(shí)時(shí)的水流狀態(tài)和沖刷情況，形成一套規(guī)范操作模式和切實(shí)可行的數(shù)據(jù)采集、分析和處理方法。

3）推廣價(jià)值。由于多方面原因，工務(wù)段技術(shù)科負(fù)責(zé)鐵路橋涵水文檢算技術(shù)人員除了能夠進(jìn)行日常報(bào)表管理和數(shù)據(jù)平臺(tái)操作工作，普遍缺乏水文檢算理論和實(shí)際工作能力，難以獨(dú)立完成檢算工作。

智能測繪一方面可以迅速掌握實(shí)時(shí)水文觀測數(shù)據(jù)，減輕測繪工作強(qiáng)度降低人工成本；另一方面還可以根據(jù)水害發(fā)生的實(shí)際情況，完成人力所不能完成的測繪任務(wù)并可實(shí)現(xiàn)檢算的智能化，從而解決技術(shù)人員檢算能力不足的問題。

引入現(xiàn)代化的測繪手緞，特別是近期發(fā)展起來的智能測繪方法和手段，不僅能迅速獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)修正經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的誤差，為防洪決策提供第一手詳實(shí)準(zhǔn)確資料，快速指導(dǎo)橋涵防洪采取合理的處置手段，更可以為橋涵日常養(yǎng)護(hù)維修建立動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

利用智能測繪手段介入鐵路橋涵進(jìn)行水文檢算，不僅可以提高水文檢算的工作效率，對(duì)橋涵流域水力水文數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，還可以利用自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備對(duì)橋涵水文進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集和處理，為防洪預(yù)案提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參考，為鐵路橋涵養(yǎng)護(hù)維修、列車安全運(yùn)行提供有力保障。

4 智能測繪技術(shù)在鐵路橋涵養(yǎng)護(hù)維修應(yīng)用與探索

1）智能測繪技術(shù)在鐵路橋涵養(yǎng)護(hù)維修應(yīng)用。鐵路橋涵養(yǎng)護(hù)維修中使用智能測繪技術(shù)具有更為廣闊的前景。除了在鐵路橋涵水文檢算中發(fā)揮較大的優(yōu)勢，在滿足鐵路橋涵的水文檢算的同時(shí)還可以為鐵路橋涵養(yǎng)護(hù)維修提供有力保障等開發(fā)階段與前景。如可以使用無人機(jī)進(jìn)行橋底裂縫檢測，解決人工檢測橋梁底裂縫的困難；對(duì)鐵路線路沿線小流域河流和用地界內(nèi)建筑變遷檢查等。

隨著我國高速鐵路網(wǎng)建設(shè)不斷完善，高架橋梁所占比重越來越大。使用智能測繪技術(shù)，不僅可以部分替代人工檢修作業(yè)，還能有效減少因作業(yè)需要搭設(shè)臨時(shí)構(gòu)架對(duì)下穿道路交通的干擾和影響。

2）智能測繪技術(shù)在鐵路建設(shè)方面的探索。智能測繪技術(shù)的使用，獲取的數(shù)據(jù)不只停留在傳統(tǒng)測繪技術(shù)上的高程、角度和距離，更有圖文、三維成圖等新型數(shù)據(jù)形式。利用這些大數(shù)據(jù)結(jié)合BIM技術(shù)可以全方位展現(xiàn)出鐵路橋涵虛擬仿真場景，為鐵路養(yǎng)護(hù)維修決策和仍至預(yù)可研方案提供更為直觀的現(xiàn)場體驗(yàn)。無論是智能測繪技術(shù)，還是大數(shù)據(jù)應(yīng)用，都將對(duì)我國鐵路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、維修等諸多工作便利提供更為廣闊的應(yīng)用空間。