深水、大流速桥梁水下检测技术的实践与探讨

张钰丰

(铁道战备舟桥处，山东 德州 251100)

1 工程概况

包兰线东岗镇黄河铁路大桥位于甘肃省兰州市郊，该桥1954年11月开工建设，1956年5月建成通车，是1950年代国内有代表性的钢筋混凝土铁路拱桥之一。该桥位于黄河上游，桥址处两岸峭壁矗立，水流湍急，每年五月上游雪融、春汛来势较猛，夏秋间汛期流量大、水位高。东岗镇黄河铁路大桥结构形式见图1所示。正桥桥墩基础采用钢板桩围堰筑岛沉井，1号墩沉井仅一节，高4.0 m；2号墩沉井全高5.4 m。沉井顶低于岛面部分用木围堰。沉井截面为六角形，嵌入岩层约0.8 m。因流冰及水流湍急，墩身亦采用六角形截面。沉井顶至流冰水位以上1 m处，以花岗岩料石镶面，作为破冰凌。桥址处河床覆盖层为砂夹卵石，主墩基础嵌入岩层仅0.8 m；基础埋置较浅，极易被淘空。尤其是1#墩、2#墩位于河道中间，长期处于大流速、河流冲刷及受流冰、流凌和漂浮物等影响。老桥饱经沧桑，水中基础由于结构形式、建造条件，受特殊水情、气候影响较大，桥墩及水下基础使用状况不明，桥墩周边河床冲刷也不明，桥墩水下部分自建桥起至今，没有进行过水下检测。因此，为确保铁路桥梁和运输安全，亟需进行大桥水下基础检测，掌握其健康状况。

图1 东岗镇黄河铁路大桥结构形式(单位：cm)

2 检测难点及总体方案

2.1 检测难点

2017年2月份，铁道战备舟桥处对包兰线东岗镇黄河铁路大桥进行水下检测作业。在实施水下检测作业时，现场存在以下难点：

一是受每年春夏汛期影响，此时段黄河流量大、水位较高，水流湍急，流速达2 m/s左右，无法实施潜水作业，水上作业安全风险极大，此时段无法实施桥梁水下检测作业。

二是此段黄河冬灌之后(11月中旬至次年2月底)，水位相对较低，流速相对较小(流速1 m/s)，能够满足潜水作业，但气温较低(达零下15 ℃)，给水下作业带来较大困难。

三是桥位处水文相当复杂，此桥位处河面较窄，而桥位上下流河面相对较宽，同时受地势和桥墩阻水影响，桥墩处水深、流急，尤其是水下涡流、暗流极为复杂。起初潜水员着轻潜装备下水，受水流冲击作用，无法正常下潜至预定位置，安全风险较大。随后采取设置定位绳、移动绳以及增加配重等潜水辅助措施。虽然潜水员能达到河床表面，但受水下乱流影响，潜水员无法站立，更无法进行水下探摸和水下摄像作业，几秒后被冲出水面，效果均不理想。实践证明，在此复杂水文条件下，常规方式轻潜作业无法实施水下检测作业。

四是受上下游水库蓄水、放水影响，桥位处水位每天变化不定，流速变化较大，平潮时段时间短，且无规律可循。

五是此河段位于黄河上游，除小型旅游小艇外，无其它船只，无法为水上作业设备提供安全稳定的浮平台，给水上安全作业带来了困扰。

在此水文、气候、作业环境等条件下，对大桥基础实施水下检测，必须提出安全可靠、切实可行的创新性辅助措施和技术手段。

2.2 总体方案

根据2月份实施的水下检测实践和掌握的水文等情况，以“桥梁检测必安全，桥梁检测保安全”为基本原则，围绕“准备充分、多案并举”的总体思路，通过多次研究论证，确定总体实施方案如下[1-2]：

(1)选择最佳作业时期。此次检测选在冬季，即黄河冬灌之后，此阶段黄河流速相对较小，可大大降低水下作业风险；同时，水质相对较清，便于水下探摸和摄像。

(2)创新提出利用舟桥器材拼组成检测平台。采用6节多用途浮箱拼组成浮平台，并布设锚碇设施，为潜水作业、潜水辅助装置的安装和使用、水下摄像及相关设备提供安全稳定的浮平台；利用新型994机动舟作为浮平台的顶推设备，同时，为多波束测深系统和浮平台移动提供安全可靠的动力保障。

(3)创新提出采用多波束测深系统、三维图像声呐、水下机器人等多种先进水下检测仪器设备,以实施多层次、多手段检测方式作业。首先，采用多波束测深系统对桥位处河床进行扫测，掌握墩位处的水深以及河床的地形地貌情况；然后，应用三维图像声呐对桥墩及基础进行扫测，将桥墩及基础以三维图像显示；再次，采用水下机器人对基础实施全面摄像，全面掌握水下结构情况。通过先进仪器的检测，查找到水下桥墩及基础的薄弱环节，明确了潜水员水下探摸、摄像的重点、关键部位[3]。

(4)科学提出了重潜检测，轻潜救援的水下作业方式。一方面因作业时段气温较低，轻潜无法抵御寒冷，会给潜水员身体带来很大影响，且作业效率较低。另一方面因流速较大、涡流复杂，轻潜配重不够，难以着河床作业，潜水员在水流作用下，漂浮不定，非常不安全。经研究，采用重潜直供气方式对重点部位进行水下探摸、摄像检测作业，详细查找河床局部冲刷、淘空，基础及桥墩冲蚀、损坏、裂缝等结构病害；轻潜作为应急救援措施，确保检测安全。

(5)创新研制了潜水梯、潜水笼等辅助设施。潜水梯底端支撑在河床上，上部依靠在浮平台侧，潜水员可沿潜水梯上下水，直接着床实施检测作业，规避了潜水员在水流作用下漂浮影响。潜水笼是避流装置，以克服大流速、涡流、乱流等不利因素。潜水笼悬挂于浮平台一侧，设有导向框架和升降笼。升降笼三面设围板，能有效避流。潜水员站在升降笼中，不受流速影响，通过水上作业人员的调整，能够升降作业，有效解决了特殊水文条件下潜水员无法实施水下作业的难题，确保了潜水作业安全。

3 检测作业流程

桥梁水下检测作业流程为：第一步机动舟等水上动力设备下水；第二步采用双频测深对桥位处及上下游各25 m处河床断面进行测量；第三步依据双频测深仪测得的水深数据，对多波束测深系统相关参数进行设置，对桥位处及上、下游50 m范围内河床地形地貌进行全方位扫测；第四步采用三维图像声呐对桥梁水下基础进行扫测；第五步通过扫测结果确定潜水员入水深度和重点检测部位，可以很大程度降低潜水员的作业强度。采用安装到浮平台一侧的潜水辅助装置和潜水梯进行水下探摸和水下摄像等检测作业，同时采用水下机器人ROV水下作业进行比对；最后进行数据整理分析，形成检测报告。水下检测作业流程见图2所示。

4 检测作业

4.1 河床断面测量

对桥位处、桥位上下游各25 m处河床断面进行测量，绘制河床断面图，通过河床断面图对比，分析河道变迁及河床冲刷、淤积情况及对桥径渡洪能力的影响。测量时，在机动舟船舷一侧安装HD380双频测深仪，与iRTK智能定位仪连挂，进行水中河床断面测量。同时，通过对桥位范围的水深测量，掌握河床大致高差情况，为多波束测深系统扫测设置计划线提供依据。经测量，桥位上流水深较浅，在3～4 m左右；桥位下游水相对较深，在7～8 m左右；桥位处局部水较深，在8～9 m左右。

图2 水下检测作业流程

4.2 多波束测深系统扫测河床

采用多波束测深系统对桥位处及上、下游50 m范围内河床地形地貌全方位扫测，将河床的地形、地貌生成三维图像。一是全面掌握桥位范围内的河床地形地貌，有无冲刷、淤积，河床的变化情况和河床覆盖层的土质特征；二是查找桥基有无局部冲刷、淘空等病害，周边有无堆积物、抛填物等；三是取得详细的河床标高，为潜水辅助装备的安装提供可靠依据。和传统潜水摄像相比较，现在的多波束测深技术不但可以对河床底部地形地貌进行全覆盖测量，还可以定量测定出桥桩基础周围的冲刷情况，且安全快捷。

作业时，技术人员首先根据双频测深仪测量水域的水深数据和多波束换能器扫测角度，设计规划计划线。然后，将多波束换能器安装到机动舟船舷一侧水下50 cm处，惯导系统安装在甲板上，数据处理主机安装在船舱内，根据计算好的计划线，进行河道扫测作业，并随时监控好扫测数据，确保无死角。扫测结果见图3。根据这次数据分析，1#和2#桥墩大桩号侧基础四周局部冲刷明显，基础嵌入岩层的深度已经减少至0.5 m；与原设计对比，1#和2#桥墩大桩号侧基础周围已经产生了20～30 cm的冲刷沟。

4.3 三维图像声呐侧扫基础

应用三维图像声呐扫测，本系统主要由甲板声呐图像处理器、换能器、水下电缆、采集工作站等组成。本次采用支架上端与浮平台边缘焊接的安装方式进行扫测，将桥墩及基础成三维图像显示，以查找基础冲刷、淘空病害及桥墩结构病害。通过在图像上量取可得1#桥墩小桩号侧河底到桥桩基础顶端高度为3.421 m，与多波束数据3.4 m相吻合。三维图像声呐侧扫1#桥墩结果见图4所示。

图3 多波束扫测河床地形图

图4 三维图像声呐侧扫1#桥墩

4.4 水下机器人(ROV)摄像检测

水下机器人是一种自带推进动力的水下摄像设备，由水下机械人和云控制台组成，在水上作业人员操控下实施航行、潜水和水下摄像等作业，以逐步取代潜水员水下摄像等繁重作业。控制台安装在机动舟甲板上，ROV由船边航行至墩位处。由于墩位处涡流、乱流复杂，本次采用的为观察型ROV，推动力相对不足，无法抵御水流作用，未能有效的进行水下摄像作业。以后遇到类似情况，可采用大功率的水下作业型ROV，用于抵御水流作用。ROV水下作业情况见图5所示。

4.5 重潜水下检测作业

本次潜水员着重潜潜水服下水实施检测作业。穿戴好潜水服后，潜水员沿着潜水梯下水，直接着床到桥墩基础处，对桥基周边局部冲刷情况进行水下探摸和摄像；同时，浮平台辅助人员抓好潜水员的安全绳，以克服大流速、涡流、乱流等不利因素影响；另一名潜水员穿戴轻潜潜水服作为应急救援，以保障潜水员能安全顺利完成水下探摸和水下摄像等检测作业。

潜水员下水后，发现桥墩周围涡流、乱流较大，作业难度较高。基础周边基本无覆盖层，局部位置有较大尺寸片石。经潜水员对1#、2#墩墩身、沉井基础及周边河床详细探摸、摄像，未发现基础局部淘空、裸露等病害，水下结构状况良好。潜水员实施水下检测作业现场情况见图6所示。

图5 ROV作业

5 结束语

东岗镇黄河铁路大桥水下检测作业环境复杂、检测难度高、安全风险大。舟桥处检测队积极探索研究，多案并举，多层保障。一是充分发挥舟桥优势，拼组检测浮平台，为检测作业提供可靠设施；二是研究设计了潜水梯、潜水辅助装置，为潜水作业提供了安全保障；三是首次将多波束测深系统、三维图形声呐等水下地形测量仪器应用到桥梁水下检测中，实现了全方面、全方位检测，提高了检测效率；四是采用重潜检测、轻潜救援的水下作业方式，使水下检测作业更安全。在检测过程中，全体检测人员克服重重困难，积极研究攻关，最终高标准、高质量完成了水下检测任务。

图6 潜水员水下检测作业