基于声呐扫描的水下结构损伤探测新技术

姚建群　于文志　杨书仁

摘 要：水下结构损伤探测，人工探查速度慢，危险性高，且潜水人员受专业影响不能准确获取和表达水下结构的损伤情况，检测获得数据误差较大。文章以台州市黄岩区城新大桥水中桩基扫描为实例，阐述了一种用于水下桩基础、扩大基础及墩台的新探测方法。

关键词：声呐扫描；水下结构；探伤

1 概述

水下结构损伤的判定主要通过潜水员人工探查与影像资料分析估算出结构的损伤情况和损伤范围。目前国内对如何解决水下结构损伤数据及时、准确和有效采集尚缺乏行之有效的解决办法。因此如何利用国内外既有的专业设备，专研出一套适用于国内水下结构损伤探测的技术，是当前行业亟待解决的问题。

2 声呐仪技术原理

本项目所采用的扫描仪器为MS1000扫描声呐，为单波束机械式扫描声呐，可以对声呐换能器周围360°进行扫描成像，扫描范围在0.5～100m。可以对海底、水下工程等进行高清成像，也可用于沉船搜索和救捞、坝体检查等领域。MS1000声呐的扇形波束换能器以0.9°×30°波束角度发射声脉冲，频率为675kHz，当声波遇到物体或海底会反射回波，回波信号被声呐接收后，根据信号时延和强度形成图像。然后声呐探头以一定的角度步进旋转，再次重复发射和接收过程。

3 创新探测技术方案

3.1 实施准备

（1）资料收集，包括桥梁竣工图及检测、巡查、维修、河流历史最高及日常水位等资料，了解桥梁基本情况并进行现场勘查确认。（2）人员准备，依据施工方案、现场情况，进行雇佣普通劳务工人并进行人员培训及技术交底等；机具准备，准备所用仪器、机具及劳保用品等。（3）平台选择。对于中间有系梁的桩基，优先利用系梁作为施工平台，部分测点扫描时，将支架放置系梁上进行操作；对无系梁部位或无法利用系梁作为施工平台的测点，河内水流流速较小时，优先选用人工制作的木筏作为水上施工平台；河内水流流速较大时应租赁大型船只作为水上施工平台。

3.2 测点布置

例证：桩基（φ1.5m）与墩台（2m×4m）的测点布置。

（1）一般桩基的测点布置，桩基的测点布置根据桩径大小确定，根据上图扫描距离与扫描范围确定直径1.5m桩基最少平均布置8个测点（如下图所示），水下扫描距离（d）为1.1m～1.5m，小于1.1m会增加布点数量，大于1.5m则图像会不清晰。（2）有系梁桩基的测点布置，现在很多桥梁桩基础之间往往都设有系梁，因此受系梁影响一些测点按照上图布置就不容易实施扫描。遇到此情况时可在系梁两侧加设两个测点，然后适当调节扫描距离，最后使桩基表面全部被扫描到即可，如图1所示。（3）墩台扫描的测点布置，一般墩台扫描面为平面（若有弧面时参考桩基表面扫描布点），测点分布以顺时针编号，扫描距离控制在1m～1.5m范围内，确保相邻测点有扫描重合部分。

3.3 操作平台安装

安装角钢支架→移动至测点压置配重→安装转盘装置→安装提升装置→探头护架连接提升钢丝绳→安装声呐探头。需要注意固定声呐仪时禁止用手扶持波束换能器。

3.4 实施扫描

3.4.1 桩基扫描。（1）安装不锈钢管（第一节钢管与声呐仪保护支架连接），利用转盘调整探头方向，使波束换能器旋转轴线与桩基圆心在同一直线上且距离桩基表面1.1～1.5m。注意调整探头方向时严禁逆时针拧转钢管，以防钢管倒转脱落。（2）加长不锈钢管，使探头初始深度为水面以下0.5m处。（3）运行声呐探头，调节扫描范围及增益效果使扫描图像显示效果为最佳。注意图像明亮且扫描对象轮廓清晰为最佳，此步骤可适当旋转转盘配合扫描。每一处桩基扫描，波束换能器旋转360°为一个完整扫描图片。受水流等因素影响，扫描一圈有时会出现图像不清晰情况，这时可使波束换能器多扫描几圈，直至图像清晰为止，点击软件保存键记录扫描图像。（4）当此深度扫描完成后，加长不锈钢管，将声呐探头垂直向下移动1.5m，根据上一步操作扫描记录清晰的图像，注意每次加长钢管以1.5m左右距离为宜且扫描范围不宜小于2m，以防扫描重合部分太少影响后期图像拼接。（5）按照步骤a～d依次从上至下扫描水下桩基，直到该测点桩基全部扫描完成，每个扫描深度至少记录一次图片。

3.4.2 墩台扫描步骤参考桩基扫描步骤实施，扫描过程中使波束换能器旋转轴线与墩台表面垂直且距离表面1～1.5m，每次下移距离为1m，扫描范围不宜小于2m。

3.5 病害扫描

用声呐仪系统实施扫描时，若发现某个测区内目标表面有病害情况，则需要对该病害处进行局部扫描。

3.5.1 病害部位扫描的测点布置。（1）尺寸小于0.5m病害的测点布置，为了使病害处更好的反应成像，需要将声呐探头靠近目标病害处表面，根据声呐探头自身特性及实践得知，扫描范围为0.5m能最佳扫描成像，以此推断桩基扫描距离为0.88m，墩台扫描距离为0.93m。（2）尺寸大于0.5m病害的测点布置，若表面病害较大宽度超过0.5m时，单测点扫描无法将病害全部扫描成像，此时需要增加测点数量。增加测点位置应使相邻测点扫描范围重合（以一半范围为宜）。若病害尺寸大于两个位置扫描总宽度，参照上述测点布置方法增加测点扫描直至病害全部被扫描。

3.5.2 病害部位扫描。（1）桩基病害部位扫描，先记录测点位置并在桩基顶部相应位置画出标记，并在扫描图片上利用软件测出病害距离水面深度。扫描范围调节为1.5m，波束换能器距桩基表面0.88m，需要下调深度进行多次扫描时每次调节深度为1m。（2）墩台病害部位扫描，参考桩基病害扫描先记录病害位置；扫描范围调节为1.5m，波束换能器距桩基表面0.93m，需要下调深度进行多次扫描时每次调节深度为1m。

3.6 图片的处理、分析

利用PS等拼图软件将扫描存储的局部图像进行处理、拼接，形成完整的水下结构图像。

4 结语

本文介绍的新探测技术能够准确、有效的采集提供水下结构损伤数据，解决国内目前水下扫描数据采集困难、不及时等难题，为水下结构的损伤状况评价提供了有力的数据支撑，对于加快和完善水下结构损伤的探测和治理奠定了基础，为基础设施养护提供了新的动力。

参考文献

[1] 朱埜.主动声呐检测信息原理（上册）：主动声呐信号和系统分析基础[C].科学出版社，第1版，2015.

[2] 李庆武，霍冠英，周妍.声呐图像处理[C].科学出版社，第1版，2015.

[3] 夏纪真，黄建明.超声波探伤实战经典案例精选[C].中山大学出版社，第1版，2014.