利用聲吶技術的涉水橋梁安全檢測應用

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

涉水橋梁質量事關橋梁交通安全，安全檢測十分重要。對于涉水橋梁，由于水域環境的復雜性和水下病害的隱蔽性，需要關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。為了監測和預警此類問題，需要采用不同的技術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的質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需求。而掃描聲吶和多波束聲吶可以同時發送和接收多個波束，與單波束回聲測深儀相比，它能把測深技術從點、線擴展到面，并進一步發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的原理，并通過工程實例應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。該設備采用連續發射調頻波測距法來測距，當發射信號遇到檢測對象立面時，產生回波；利用發射頻率、回波頻率、聲速、調頻周期等，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、發射換能器、接收換能器和工作站。還可配備姿態傳感器、定位系統、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，并能與現場采集的導航定位及姿態數據相結合,繪制出高精度、高分辨率的數字成果圖。測深時，載有多波束測深系統的船，每發射一個聲脈沖，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用

某黃河鐵路大橋的建設始于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 多波束測深系統對3#、4#橋樁附近河床進行檢測，并用MS1000 掃描聲吶系統對4#墩位右側（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 多波束測深系統掃測橋3、4#樁底部發現，其中以4#為例，橋樁右側（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，河底到橋樁基礎頂部高度約為3.4m，如圖2 所示：

圖1 某黃河鐵路大橋側面及樁基平面圖

圖2 4#橋樁右側聲吶系統成像圖

3.2 多波束沖刷檢測情況分析

通過查詢原始設計資料，該橋采用沉箱技術建造，其中4#橋墩基礎（靠近蘭州岸邊）沉箱總高5.4m，原設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，現在根據多波束掃測結果，我們可以計算得出4#橋墩沉箱底端嵌入巖層的深度，計算結果見下表1。

表1 4#橋墩基礎嵌入巖層深度計算

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，而且可以根據掃描結果定量地分析確定大橋橋樁基礎周邊的沖刷量。根據這次數據分析，3#和4#橋樁左側基礎嵌入巖層的深度已經減少到0.5m，也就是說與原設計相比，3#和4#橋樁左側基礎周圍已經產生了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，掃描聲納掃測結果顯示橋樁水下部分及基礎部分無明顯缺損或水流侵蝕。在MS1000 圖像上量取4#橋樁右側河底到橋樁基礎頂端高度為3.421 米，與多波束數據吻合，示意圖如圖3。

圖3 掃描聲納系統成像圖

3.4 本次檢測中出現的問題分析

3.4.1 定位問題

本次檢測中多波束在橋底作業時GPS 衛星經常失鎖，而作業使用的MGC 慣導因氣溫較低不能正常工作（慣導額定最低工作溫度-5°，作業時段實際氣溫約-10°），導致后期數據處理時橋樁和基礎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設備進行定位。

3.4.2 水位問題

本次檢測中發現，測區缺乏歷史水位數據，當地理論深度基面無法精確確定。根據現場觀察，水流每天上午的流速較快，水位變化較快，下午趨于平緩。后續測量中，計劃采用自容式水位儀，連續采集72 小時水位數據，推算臨時基準面。如有可能與國家85 高程系統聯測，以提高測深數據的精確性。

3.4.3 掃描聲納安裝建議

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

4 結論

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據, 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立面進行定性分析，了解橋梁基礎立面有無缺損和侵蝕，了解河床有無受到水流沖刷。經過實際應用證明聲納技術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量安全穩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依據。