(1.長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011；2.長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局, 上海 200136)

1 研究背景

銅陵長江公路大橋于1991年12月開工建設，1995年12月26日建成通車，是當時世界上同類型第三的跨徑橋梁，屬國家“八五”計劃的重點工程，至今已運營了20多年。該大橋位于長江下游安徽省境內的銅陵河段羊山磯磯頭下游 600 m處。銅陵大橋的建成對于貫通淮北、江淮和皖南之間的交通聯(lián)系，緩解大江南北交通運輸緊張狀況起到了不可估量的作用。

銅陵長江公路大橋建成以來，一方面由于相繼歷經“95”、“98”和“99”等大洪水作用，加之上游水庫陸續(xù)建成后清水下泄，另一方面由于大橋北側橋墩所處巖基埋深較深，抗沖能力有限，致使大橋北側橋墩附近河床產生強烈的局部沖刷。根據(jù)大橋建成以后歷年橋址水下地形測量資料分析，除3號橋墩沖刷相對較大外，其他橋墩的局部沖淤變化較為穩(wěn)定。

局部沖刷引起的橋墩水毀具有突發(fā)性和災難性[1]，往往會給人民生命財產造成重大損失。為預防長江突發(fā)性異常洪水對主橋3號橋墩局部河床沖刷可能產生的不利影響，確保大橋橋墩的長久安全，及時了解3號橋墩附近加固工程的實施情況和拋護效果，分別運用多波束與單波束測深系統(tǒng)進行拋護工程監(jiān)測，并進行對比分析研究。

2 防護工程設計與施工

2.1 平面布置

橋墩護底抗沖措施是利用拋石、砂枕、沙袋、軟體排等結構對橋梁基礎及周圍進行防護[2]。防護工程規(guī)模為對主三號橋墩鋼圍堰外圍30～40 m的范圍進行防護，防護平臺頂高程-28.00 m，防護總面積 8 197.90 m2，分為精拋區(qū)和粗拋區(qū)兩個防護區(qū)域。精拋區(qū)域采用水上吊放、水下到位脫鉤的施工方法，范圍是垂直橋軸線方向橋墩鋼圍堰外上游5 m，下游25 m，沿著橋軸線方向橋墩鋼圍堰外東西兩側各5 m，形成一個沿著及垂直橋軸線尺寸為 34.8 m×54.8 m 的矩形區(qū)域，防護面積1 424.00 m2(未含橋墩面積)。粗拋區(qū)域采用水上拋投、自然落水施工方法，位于整個防護范圍內精拋區(qū)域的外圍，防護面積 6 773.90 m2(見圖1)。

圖1 3號橋墩防護平面布置

2.2 設計拋投量

工程在實施前對主橋3號橋墩附近河床進行了水下測量，并根據(jù)地形測量結果對橋墩的防護范圍及防護結構進行了設計計算。“砂枕層+級配碎石層+護面塊石層”各階段的拋護量見表1。

表1 防護工程設計拋護量

3 拋護前后河床監(jiān)測

3.1 多波束掃測特點

目前，水下防護工程地形測量多采用單波束聲納測量技術，該技術是按照一定距離間隔布設測線獲取斷面數(shù)據(jù)，之后將斷面數(shù)據(jù)繪制成圖，并按照直線插補法生成等值線圖，該法并不能完全真實反映地形變化。另外，由于單波束測量在橋墩位置施測難度較大，GNSS信號常有丟失，測深點分布不均勻，局部區(qū)域測點較少，難以滿足橋墩防護沖刷監(jiān)測的需要。

多波束測深系統(tǒng)不僅克服了單波束測量產生的問題，同時具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高等優(yōu)點[3]，該系統(tǒng)把測深技術從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，得到高精度的三維地形圖，比較可靠地描繪出水底地形的三維特征。

多波束測深系統(tǒng)具有一定復雜性，對儀器的安裝、校準要求比較高，因此在測前一定要做好各種參數(shù)的校準工作，以免影響測深精度。此次多波束測深前進行了認真細致的參數(shù)校準和調試，并在測量過程中采用單波束回聲儀同步對比施測，確保了測深精度。

3.2 多波束應用

獲取該監(jiān)測數(shù)據(jù)采用的是RESON SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高分辨率聲納系統(tǒng)、聲速探頭、水下聲納傳感器、全套數(shù)據(jù)采集軟件包PDS2000組成；其中400 kHz聲納傳感器每次可同時采集512個水深信號；最大發(fā)射開角165°；最大頻率達50±1Hz。

內業(yè)的數(shù)據(jù)處理采用PDS2000和Caris7.1后處理軟件包，對海量的多波束數(shù)據(jù)進行清理和剔除錯誤，并根據(jù)給定參數(shù)進行原始數(shù)據(jù)的校正，進而對數(shù)據(jù)進行計算、描述和制圖。

按照多波束測深系統(tǒng)操作規(guī)程，對系統(tǒng)連接設備進行了安裝檢查，并聯(lián)機測試。對系統(tǒng)參數(shù)進行標定，標定主要用于校正聲納頭以及光纖羅經和運動傳感器的安裝偏差(橫搖偏差roll、縱搖偏差pitch、艏向偏差yaw)，以確保豎直方向水深測量的精度[4]。整個數(shù)據(jù)采集過程中，GPS衛(wèi)星信號及數(shù)傳信號較好，河床掃測條帶回波信號呈像清晰，系統(tǒng)通過外接表面聲速儀(RESON SVP 70)可實時改正換能器表面聲速，修正波束指向角度，提高精度。輸入GPS 1PPS信號使得各設備精確同步UTC時間，避免因時間延遲降低測量精度。水下掃測點距平均約0.3 m。掃測范圍覆蓋了測區(qū)范圍，測點重復度良好。

3.3 多波束測量精度檢校

為驗證多波束測深系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性，在多波束系統(tǒng)掃測的同時，采用單波束測深儀進行對比施測。測深系統(tǒng)采用中海達HD310型回聲測深儀，平面定位采用中海達V30 GPS，基準臺架設在“TQ07”，為D級GPS控制點，數(shù)據(jù)采集軟件為中海達導航軟件，參數(shù)設置為采用RTK固定解的解算模式，由軟件控制同步采集定位坐標與水深數(shù)據(jù)。單波束測深前對平面定位系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、導航參數(shù)等均進行了嚴密的比測與率定。

將多波束測深數(shù)據(jù)生成5 m點位格網模型，并輸出點位成果。采用按距離加權的方式將單波束水深測點值內插至多波束格網模型上，比較每個測點的殘差值，并進行精度統(tǒng)計。通過對測深點高程的比較，多波束測深與單頻測深值吻合的較好，高程較差中誤差為12 cm。部分區(qū)域成果比對見圖2。

(藍色為多波束所測高程、紅色為單波束所測高程)圖2 監(jiān)測區(qū)域部分高程對比

3.4 多波束測量成果比對

從多波束施測的拋石前與拋石后的數(shù)據(jù)看，3號橋墩附近粗拋區(qū)床面在拋石前最低-30.2 m，拋石前最高-20.6 m，拋石后最低-26.0 m，拋石后最高-17.2 m，粗拋區(qū)床面拋護厚度范圍在 0.3～7.0 m之間。精拋區(qū)床面拋石前最低-32.3 m，拋石前最高高程-21.1 m，拋石后最低-27.0 m，拋石后最高-19.7 m，精拋區(qū)較拋石前河床面增高約2.0～3.0 m，詳見圖3。

圖3 拋護前后橋墩河床變化

4 拋護量計算與分析

橋墩混凝土拋石量采用surfer11軟件并運用梯形法則和辛普森的3/8法則進行計算，并對兩種計算方法進行誤差比較。計算步驟如下：對測圖中水下地形高程點進行矩形網格加密(加密方法為克里格，加密間距為 1.2 m×1.2 m)；將加密后的地形散點作為計算下表面，上表面設置常數(shù)Z=0，即計算水位 0 m以下的河床槽蓄量。采用梯形法則和辛普森的3/8法則。

橋墩拋護量的計算范圍是橋墩位置上下游各40 m及橋墩左右側20～40 m范圍，扣除橋墩面積后，實際計算地形投影后的面積為 8 197.90 m2，分為精拋區(qū)和粗拋區(qū)兩個防護區(qū)域，精拋區(qū)域防護面積為 1 424.00 m2，粗拋區(qū)域防護面積為 6 773.90 m2。

4.1 總拋投量計算

兩種計算方法的偏差為0.13%～0.23‰，計算精度在允許范圍內。將兩種方法計算結果的均值作為拋護量計算的依據(jù)。根據(jù)計算結果，3號橋墩防護工程(砂枕+級配碎石+護面塊石)的拋護總量為30 599 m3，其中精拋區(qū)的拋護量為4 016.6 m3，粗拋區(qū)的拋護量為26 582.4 m3(見表2)。

表2 防護區(qū)與精拋區(qū)拋護量計算

注：防護區(qū)包括粗拋區(qū)與精拋區(qū)。

整個防護區(qū)的河床平均增高厚度約 3.7 m，平均高程為-21.7 m。精拋區(qū)河床平均增高厚度約2.8 m，平均高程為-24.4 m。粗拋區(qū)河床平均增高厚度約 3.9 m，平均高程為-21.1 m。拋護工程后河床的平均高程均大于原設計河床高程-28.0 m，計算結果詳見表3。3號橋墩位置拋護厚度3D曲面示意見圖4。

表3 3號橋墩位置河床工程前后對比

圖4 橋墩拋護厚度3D示意

4.2 級配碎石+護面塊石拋護量計算

在完成砂枕拋護后，級配碎石拋護前進行一次多波束地形測量。表4為3號橋墩位置混凝土拋護量計算表，兩種計算方法的偏差為 0.07‰～0.15‰，計算精度在允許范圍內。

表4 級配碎石+護面塊石拋護量計算

注：防護區(qū)包括粗拋區(qū)與精拋區(qū)。

依據(jù)多波束施測的拋石后與拋石前水下地形圖比較，該次計算范圍(粗拋區(qū)與精拋區(qū))的拋石量為25 424 m3，橋墩位置河床的平均增高厚度約3.1 m，拋護后河床面平均高程為-21.7 m。其中，精拋區(qū)域拋護量為6 018 m3，精拋區(qū)河床的平均增高厚度約 4.2 m，工程后精拋區(qū)域河床面平均高程在-24.4 m。

5 結 語

銅陵長江大橋3號橋墩拋護工程采用“砂枕層+級配碎石層+護面塊石層”3層防護體系，綜合運用GNSS與多波束測深系統(tǒng)對橋墩附近河床開展拋護前后的三維監(jiān)測，拋護后工程防護區(qū)域河床平均增高厚度約3.7 m，大于設計拋護厚度，達到了3號橋墩拋護加固的設計要求。

多波束測深系統(tǒng)具有高分辨率、高精度、全覆蓋等特點[4]，可以精確、高效、快捷、實時直觀地展示橋墩基礎結構和河床型態(tài)，運用surfer軟件能夠較為精確的計算工程實際拋護量，快速測定和檢驗拋護工程前后橋墩附近河床的變化和效果，大大提高了工作效率，該技術方法可為今后類似水下工程的維護性監(jiān)測提供參考，具有一定的推廣和應用價值。