利用声呐技术的涉水桥梁安全检测应用

纪立军

(中船七二六所上海瑞洋船舶科技有限公司，上海201108)

1 概述

涉水桥梁质量事关桥梁交通安全，安全检测十分重要。对于涉水桥梁，由于水域环境的复杂性和水下病害的隐蔽性，需要关注的安全问题与桥梁水上部分有很大不同。涉水桥梁的安全质量问题主要包括桥墩受水流冲刷问题、桥墩水下裂缝、麻面、淤积等。为了监测和预警此类问题，需要采用不同的技术手段对涉水桥梁问题进行检测。综合来看，目前潜水探摸的方法有一定的缺陷，因此在消除桥梁工程中水下基础的质量隐患方面带来许多困难和不便，难以满足高水平水下探测任务需求。而扫描声呐和多波束声呐可以同时发送和接收多个波束，与单波束回声测深仪相比，它能把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合进行涉水桥梁的快速安全检测。为此，本文以扫描声呐（MS1000）和多波束声呐（EM 2040）为例，主要阐述两款声呐系统的原理，并通过工程实例应用说明其推广价值和适用性，是涉水桥梁安全检测的重要方法。

2 两款声呐的工作原理介绍

2.1 MS1000 扫描声呐工作原理

MS1000 扫描声呐是一种主动声呐，其系统主要由换能器、甲板声呐图像处理器、采集工作站和水下电缆等部分组成。工作时声呐换能器可以旋转360°，获得较清晰的水下声呐影像，多个影像可以镶嵌拼合，形成较大范围影响。该设备采用连续发射调频波测距法来测距，当发射信号遇到检测对象立面时，产生回波；利用发射频率、回波频率、声速、调频周期等，即可确定检测对象立面各点与声呐的距离，从而生成检测对象立面声呐扫描图像。

2.2 EM2040 多波束工作原理

EM2040 由4 部分组成：甲板处理单元、发射换能器、接收换能器和工作站。还可配备姿态传感器、定位系统、声速剖面仪。当配置一个接收换能器时，声呐扫宽可达水深的5.5 倍，并能与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的多个水深值，一次测量即可覆盖一个宽扇面，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下地形的三维特征。

3 涉水桥梁的安全检测实际应用

某黄河铁路大桥的建设始于1954 年11 月，并于1956 年5月通车。桥梁处于黄河上游大位置，桥侧面及桩基平面图见图1，桥址处两岸峭壁矗立，水流湍急，尤其是3#和4#墩位常年于水中，墩位处流速较大，河床冲刷严重，采用EM2040 多波束测深系统对3#、4#桥桩附近河床进行检测，并用MS1000 扫描声呐系统对4#墩位右侧（黄河下游方向为向前）进行了重点检测。

3.1 多波束桥墩冲刷情况检测

通过EM2040 多波束测深系统扫测桥3、4#桩底部发现，其中以4#为例，桥桩右侧（下游方向为向前）河底存在冲刷沟，沟底最深处水深约为7.4m，河底到桥桩基础顶部高度约为3.4m，如图2 所示：

图1 某黄河铁路大桥侧面及桩基平面图

图2 4#桥桩右侧声呐系统成像图

3.2 多波束冲刷检测情况分析

通过查询原始设计资料，该桥采用沉箱技术建造，其中4#桥墩基础（靠近兰州岸边）沉箱总高5.4m，原设计考虑河床花岗片麻岩容易风化，故沉箱下部嵌入岩层约0.8m，现在根据多波束扫测结果，我们可以计算得出4#桥墩沉箱底端嵌入岩层的深度，计算结果见下表1。

表1 4#桥墩基础嵌入岩层深度计算

该黄河铁路大桥自建成通车以来，3#和4#桥桩经历了61年黄河水的冲刷。多波束检测手段不仅可以完成河床底部地形全覆盖扫描探测，而且可以根据扫描结果定量地分析确定大桥桥桩基础周边的冲刷量。根据这次数据分析，3#和4#桥桩左侧基础嵌入岩层的深度已经减少到0.5m，也就是说与原设计相比，3#和4#桥桩左侧基础周围已经产生了20～30cm 的冲刷沟。

3.3 扫描声纳病害检测情况分析

由于MS1000 扫描声纳作业时段黄河水流湍急，考虑到安全因素，扫描声纳仅仅对4#桥桩的部分立面（黄河下游方向为向前）进行扫测，扫描声纳扫测结果显示桥桩水下部分及基础部分无明显缺损或水流侵蚀。在MS1000 图像上量取4#桥桩右侧河底到桥桩基础顶端高度为3.421 米，与多波束数据吻合，示意图如图3。

图3 扫描声纳系统成像图

3.4 本次检测中出现的问题分析

3.4.1 定位问题

本次检测中多波束在桥底作业时GPS 卫星经常失锁，而作业使用的MGC 惯导因气温较低不能正常工作（惯导额定最低工作温度-5°，作业时段实际气温约-10°），导致后期数据处理时桥桩和基础部分不能完整拼接成一个三维立体效果图。以后在这种低温天气下将使用适合低温天气的惯导设备进行定位。

3.4.2 水位问题

本次检测中发现，测区缺乏历史水位数据，当地理论深度基面无法精确确定。根据现场观察，水流每天上午的流速较快，水位变化较快，下午趋于平缓。后续测量中，计划采用自容式水位仪，连续采集72 小时水位数据，推算临时基准面。如有可能与国家85 高程系统联测，以提高测深数据的精确性。

3.4.3 扫描声纳安装建议

本次检测MS1000 扫描声纳作业时换能器未能紧靠桥桩，建议以后作业时扫描声纳换能器应尽量靠近桥桩，这样可以获得更加清晰的桥桩及基础立面图像。

4 结论

通过多波束对涉水桥梁周围河床进行扫测，获得高精度水深点云数据, 从而可以对河床和桥桩的冲刷和侵蚀程度进行定量分析；通过扫描声纳对桥桩基础立面进行检测，获得高分辨率声纳图像，可以验证多波束扫测准确度，同时还能够通过图像对桥桩基础立面进行定性分析，了解桥梁基础立面有无缺损和侵蚀，了解河床有无受到水流冲刷。经过实际应用证明声纳技术具有良好的探测效果，可以充分摸清涉水桥梁的安全状况，为检测验证涉水桥梁的质量安全稳定提供了极大的便利，可为铁路桥梁管理部门对桥梁管理和维护提供重要的技术依据。