基于多波束探測的橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深測試研究

徐 達(dá)，呂 斌，崔 鑫

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 201108）

0 引 言

橋梁基礎(chǔ)沖刷導(dǎo)致橋梁病害發(fā)展甚至坍塌在國內(nèi)外頻發(fā)，基礎(chǔ)沖刷已成為威脅橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要因素。1960—1984 年期間，新西蘭發(fā)生的108 起橋梁事故中，29 起是由橋梁基礎(chǔ)沖刷造成的。1989—2000 年期間，美國境內(nèi)503 座坍塌的橋梁中，由橋梁基礎(chǔ)沖刷及其相關(guān)水力作用引起橋梁坍塌占比達(dá)50%[1]。劉亢[2]調(diào)查了2007—2015 年期間，國內(nèi)垮塌的102 座橋梁中，44 座橋梁因水災(zāi)導(dǎo)致垮塌，占垮塌數(shù)量的43.1%，水災(zāi)事故造成垮塌的大部分橋梁實際使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計使用壽命。

橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)通常埋深較淺，在水流長期沖刷、侵蝕作用下，易發(fā)生沉降、局部掏空以及承載能力顯著下降等病害。橋梁基礎(chǔ)沖刷的測試方法主要有人工深度尺測深、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、雷達(dá)探測、FBG 傳感器測試與多波束探測[3]。人工深度尺測量基礎(chǔ)沖刷，所需儀器成本低，現(xiàn)場操作便捷，但測量方式為單點測深，無法進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)沖刷的細(xì)部分析。聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）的儀器成本高，且不適用于泥沙濃度含量高的水質(zhì)條件。雷達(dá)探測的儀器成本高，掃描范圍小造成操作耗時，需專業(yè)人員判別電磁波反射圖像，多應(yīng)用于不同地層識別[4]。FBG 傳感器測試需提前布置光柵傳感器，結(jié)合泥沙特性分析沖刷深度，現(xiàn)場測試成功率較低[5]。多波束探測系統(tǒng)通過換能器發(fā)射超聲脈沖，對橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行條帶式測深，檢測自動化程度和作業(yè)效率高。本文以某石拱橋為工程背景，分別通過人工深度尺測深和多波束探測對橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深及河床斷面進(jìn)行檢測和對比，為后續(xù)橋梁基礎(chǔ)埋深檢測提供參考。

1 多波束探測原理及誤差消除措施

1.1 多波束探測原理

多波束探測系統(tǒng)包括無人船、動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)場無人船采集數(shù)據(jù)見圖1，多波束測深原理及RTK 技術(shù)定位示意見圖2。多波束探測原理是利用超聲波在同一介質(zhì)中均勻傳播的特性[6]，由換能器同時發(fā)射多個超聲脈沖，超聲脈沖遇到不同介質(zhì)發(fā)生反射后被換能器接收，通過發(fā)射和接收超聲脈沖時間差計算測點水深值。不僅獲得檢測船下方的垂直深度，而且同時獲得與航行軌跡相垂直的多個水深值。

圖1 現(xiàn)場無人船采集數(shù)據(jù)

圖2 多波束測深原理及RTK 技術(shù)定位示意圖

設(shè)超聲脈沖在水中的傳播速度為v，換能器發(fā)射和接收超聲脈沖時間差為Δt，測深設(shè)備誤差修正系數(shù)為α，則換能器距測點對應(yīng)河床的水深值h2為

實測GNSS 接收器至換能器的距離為h1，無人船上GNSS 接收器的高程為h4，無人船姿態(tài)修正參數(shù)為β，則無人船航行過程中測點對應(yīng)河床高程值h為

1.2 多波束探測的誤差分析

多波束探測水深的系統(tǒng)性誤差主要來源于無人船姿態(tài)、潮汐、聲速、定位等方面[7]。無人船姿態(tài)主要包括縱搖、橫搖、艏向，姿態(tài)改變會引起測深點的水深誤差。無人船上搭載的姿態(tài)采集儀，通過實時射頻點對點通信方式，將姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂贫耍上到y(tǒng)軟件對無人船采集的水深數(shù)據(jù)自動修正。本項目測試的橋梁所在河流為內(nèi)陸河，潮汐作用較弱，因此不考慮潮汐造成的誤差。探測過程中，水體清澈、含鹽量低、無明顯泥沙，根據(jù)聲速- 水溫函數(shù)對聲速進(jìn)行修正。

多波束探測系統(tǒng)進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)埋深檢測時，由于無人船姿態(tài)變化以及構(gòu)筑物阻擋定位信號，造成平面位置誤差，導(dǎo)致多波束探測過程中“跳點”現(xiàn)象。基于網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)，通過無人船Trimble 板卡與網(wǎng)絡(luò)RTK 聯(lián)合作業(yè)，接收GNSS 衛(wèi)星信號，將無人船的航行速度、位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)桨痘刂葡到y(tǒng)。預(yù)先設(shè)定航線可以在一定程度上固定無人船的航行速度和軌跡，避免人工操作導(dǎo)致航行速度、船體姿態(tài)不穩(wěn)定，提高定位及測深數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2 橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深檢測

2.1 工程概況

本項目橋梁共10 孔，單孔凈跨徑25.0 m，全長290.8 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為上承式等截面懸鏈線空腹石拱橋，主墩、拱圈及腹拱圈采用巖石打磨后砌合而成，采用主墩支撐主拱圈，主拱圈通過立墻支撐腹拱圈的結(jié)構(gòu)形式，橋墩臺采用漿砌塊石重力式墩臺，墩柱基礎(chǔ)采用單層或雙層式擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋建造時間久遠(yuǎn)，橋齡已達(dá)35 a，該橋基礎(chǔ)長期處于自然沖刷和局部沖刷作用下。

橋位處河床寬且平順，南岸河床表層為中等砂礫，經(jīng)鉆探結(jié)果，巖層表面的高程在29.08 ～30.65 m之間，巖層屬紫紅色紅砂巖，走向平坦，所測橋梁結(jié)構(gòu)立面照見圖3。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)立面照

2.2 人工深度尺測深

應(yīng)用人工深度尺測深時，將棱鏡固定在深度尺頂端，用于測點定位。以橋梁縱向走向為測量方向，通過全站儀建立坐標(biāo)系。到達(dá)預(yù)定測深位置后固定船只，下放深度尺至橋梁基礎(chǔ)，待深度尺水準(zhǔn)氣泡居中后，記錄水深值，同時全站儀測量測點坐標(biāo)。

2.3 多波束探測

依據(jù)在河岸邊預(yù)先架設(shè)3 個GNSS 基站，接收定位信號，將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至地面控制平臺，獲得測量區(qū)域的三維坐標(biāo)。基于Auto Planner 設(shè)定無人船航行路線，無人船行駛過程中，其搭載的210°開角多波束實時探測水深，對水下地形進(jìn)行條帶式測量。通過無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，檢測人員在岸上觀察水深云圖，并在水深異常位置進(jìn)行標(biāo)記，無人船航線規(guī)劃及水深實時監(jiān)測云圖見圖4。

圖4 無人船航線規(guī)劃及水深實時監(jiān)測

3 試驗結(jié)果分析

采用人工深度尺測深時，每個橋墩測量四個側(cè)面，每個側(cè)面三個測點，選取最大水深測點換算出對應(yīng)橋梁基礎(chǔ)高程。采用多波束探測時，掃描橋墩四個側(cè)面，拾取人工深度尺對應(yīng)測點的橋梁基礎(chǔ)高程。利用人工深度尺和多波束探測的橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深數(shù)據(jù)見表1，基于多波束探測的河床斷面結(jié)果見圖5。

圖5 基于多波束探測的河床斷面結(jié)果圖

表1 橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深檢測結(jié)果表

從表1 中數(shù)據(jù)分析可知，相對于人工深度尺測深法，多波束探測法檢測數(shù)據(jù)的最大偏差為0.09 m，其中上游側(cè)最大偏差0.06 m，下游側(cè)最大偏差0.09 m，最大偏差小于0.10 m，表明多波束探測法對于橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深的檢測精度是滿足工程要求的。結(jié)合表中橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深的檢測數(shù)據(jù)分析，大部分多波束探測值高于人工深度尺測量值，這是由于超聲脈沖在橋梁基礎(chǔ)上方的軟弱淤泥表面發(fā)生反射，超聲脈沖未到達(dá)實際橋梁基礎(chǔ)，造成所測基礎(chǔ)高程偏大。因此當(dāng)橋梁基礎(chǔ)被軟弱淤泥覆蓋時，應(yīng)結(jié)合其它方法確定橋梁基礎(chǔ)埋深。

所測9 個墩柱基礎(chǔ)中，D02～D03、D08～D10 橋墩上層基礎(chǔ)均出現(xiàn)局部外露，其中D03、D09 和D10 橋墩基礎(chǔ)局部測點已接近下層基礎(chǔ)底面，表明該橋基礎(chǔ)沖刷較為嚴(yán)重。相對建橋時的河床斷面，K07～K10上下游的河床斷面沖刷深度較大，其中上游側(cè)最大沖刷深度7.17 m，下游側(cè)最大沖刷深度6.54 m，K01～K06 河床斷面沖刷深度較小。

4 結(jié) 論

（1）橋梁基礎(chǔ)埋深檢測是橋梁下部結(jié)構(gòu)檢測的重要內(nèi)容，利用多波束探測法可以對橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行條帶式檢測，具有較高的效率。

（2）相對于人工深度尺測深法，多波束探測法檢測數(shù)據(jù)的最大偏差0.09 m，表明多波束探測法對于橋梁基礎(chǔ)埋深的檢測精度是滿足工程要求的。

（3）當(dāng)橋梁基礎(chǔ)被軟弱淤泥覆蓋時，多波束在橋梁基礎(chǔ)上方的軟弱淤泥表面發(fā)生反射，造成所測基礎(chǔ)高程偏大，應(yīng)結(jié)合其它方法確定橋梁基礎(chǔ)埋深。

（4）基于網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)解決了無人船受構(gòu)筑物影響丟失定位信號，減少多波束探測數(shù)據(jù)的“跳點”現(xiàn)象；預(yù)設(shè)航行路線并固定無人船行駛速度，增大了無人船航行穩(wěn)定性，提高了測深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。