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        利用聲吶技術(shù)的涉水橋梁安全檢測應(yīng)用

        2021-01-20 08:43:44紀(jì)立軍
        關(guān)鍵詞:橋梁檢測

        紀(jì)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(zhì)量事關(guān)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(huán)境的復(fù)雜性和水下病害的隱蔽性,需要關(guān)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(zhì)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(jiān)測和預(yù)警此類問題,需要采用不同的技術(shù)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(chǔ)的質(zhì)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(wù)需求。而掃描聲吶和多波束聲吶可以同時發(fā)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(shù)從點、線擴展到面,并進一步發(fā)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(tǒng)的原理,并通過工程實例應(yīng)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(tǒng)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(zhuǎn)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(shè)備采用連續(xù)發(fā)射調(diào)頻波測距法來測距,當(dāng)發(fā)射信號遇到檢測對象立面時,產(chǎn)生回波;利用發(fā)射頻率、回波頻率、聲速、調(diào)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(fā)射換能器、接收換能器和工作站。還可配備姿態(tài)傳感器、定位系統(tǒng)、聲速剖面儀。當(dāng)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(xiàn)場采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合,繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。測深時,載有多波束測深系統(tǒng)的船,每發(fā)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(nèi)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(nèi)水下目標(biāo)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(yīng)用

        某黃河鐵路大橋的建設(shè)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(cè)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(yán)重,采用EM2040 多波束測深系統(tǒng)對3#、4#橋樁附近河床進行檢測,并用MS1000 掃描聲吶系統(tǒng)對4#墩位右側(cè)(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(tǒng)掃測橋3、4#樁底部發(fā)現(xiàn),其中以4#為例,橋樁右側(cè)(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(chǔ)頂部高度約為3.4m,如圖2 所示:

        圖1 某黃河鐵路大橋側(cè)面及樁基平面圖

        圖2 4#橋樁右側(cè)聲吶系統(tǒng)成像圖

        3.2 多波束沖刷檢測情況分析

        通過查詢原始設(shè)計資料,該橋采用沉箱技術(shù)建造,其中4#橋墩基礎(chǔ)(靠近蘭州岸邊)沉箱總高5.4m,原設(shè)計考慮河床花崗片麻巖容易風(fēng)化,故沉箱下部嵌入巖層約0.8m,現(xiàn)在根據(jù)多波束掃測結(jié)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(jié)果見下表1。

        表1 4#橋墩基礎(chǔ)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(jīng)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(jù)掃描結(jié)果定量地分析確定大橋橋樁基礎(chǔ)周邊的沖刷量。根據(jù)這次數(shù)據(jù)分析,3#和4#橋樁左側(cè)基礎(chǔ)嵌入巖層的深度已經(jīng)減少到0.5m,也就是說與原設(shè)計相比,3#和4#橋樁左側(cè)基礎(chǔ)周圍已經(jīng)產(chǎn)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(yè)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(jié)果顯示橋樁水下部分及基礎(chǔ)部分無明顯缺損或水流侵蝕。在MS1000 圖像上量取4#橋樁右側(cè)河底到橋樁基礎(chǔ)頂端高度為3.421 米,與多波束數(shù)據(jù)吻合,示意圖如圖3。

        圖3 掃描聲納系統(tǒng)成像圖

        3.4 本次檢測中出現(xiàn)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(yè)時GPS 衛(wèi)星經(jīng)常失鎖,而作業(yè)使用的MGC 慣導(dǎo)因氣溫較低不能正常工作(慣導(dǎo)額定最低工作溫度-5°,作業(yè)時段實際氣溫約-10°),導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理時橋樁和基礎(chǔ)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(dǎo)設(shè)備進行定位。

        3.4.2 水位問題

        本次檢測中發(fā)現(xiàn),測區(qū)缺乏歷史水位數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鏌o法精確確定。根據(jù)現(xiàn)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(xù)測量中,計劃采用自容式水位儀,連續(xù)采集72 小時水位數(shù)據(jù),推算臨時基準(zhǔn)面。如有可能與國家85 高程系統(tǒng)聯(lián)測,以提高測深數(shù)據(jù)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(yè)時換能器未能緊靠橋樁,建議以后作業(yè)時掃描聲納換能器應(yīng)盡量靠近橋樁,這樣可以獲得更加清晰的橋樁及基礎(chǔ)立面圖像。

        4 結(jié)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(shù)據(jù), 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(chǔ)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(zhǔn)確度,同時還能夠通過圖像對橋樁基礎(chǔ)立面進行定性分析,了解橋梁基礎(chǔ)立面有無缺損和侵蝕,了解河床有無受到水流沖刷。經(jīng)過實際應(yīng)用證明聲納技術(shù)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(zhì)量安全穩(wěn)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(shù)依據(jù)。

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