深水、大流速橋梁水下檢測技術(shù)的實踐與探討

張鈺豐

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 德州 251100)

1 工程概況

包蘭線東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋位于甘肅省蘭州市郊，該橋1954年11月開工建設(shè)，1956年5月建成通車，是1950年代國內(nèi)有代表性的鋼筋混凝土鐵路拱橋之一。該橋位于黃河上游，橋址處兩岸峭壁矗立，水流湍急，每年五月上游雪融、春汛來勢較猛，夏秋間汛期流量大、水位高。東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。正橋橋墩基礎(chǔ)采用鋼板樁圍堰筑島沉井，1號墩沉井僅一節(jié)，高4.0 m；2號墩沉井全高5.4 m。沉井頂?shù)陀趰u面部分用木圍堰。沉井截面為六角形，嵌入巖層約0.8 m。因流冰及水流湍急，墩身亦采用六角形截面。沉井頂至流冰水位以上1 m處，以花崗巖料石鑲面，作為破冰凌。橋址處河床覆蓋層為砂夾卵石，主墩基礎(chǔ)嵌入巖層僅0.8 m；基礎(chǔ)埋置較淺，極易被淘空。尤其是1#墩、2#墩位于河道中間，長期處于大流速、河流沖刷及受流冰、流凌和漂浮物等影響。老橋飽經(jīng)滄桑，水中基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)形式、建造條件，受特殊水情、氣候影響較大，橋墩及水下基礎(chǔ)使用狀況不明，橋墩周邊河床沖刷也不明，橋墩水下部分自建橋起至今，沒有進(jìn)行過水下檢測。因此，為確保鐵路橋梁和運(yùn)輸安全，亟需進(jìn)行大橋水下基礎(chǔ)檢測，掌握其健康狀況。

圖1 東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋結(jié)構(gòu)形式(單位：cm)

2 檢測難點及總體方案

2.1 檢測難點

2017年2月份，鐵道戰(zhàn)備舟橋處對包蘭線東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋進(jìn)行水下檢測作業(yè)。在實施水下檢測作業(yè)時，現(xiàn)場存在以下難點：

一是受每年春夏汛期影響，此時段黃河流量大、水位較高，水流湍急，流速達(dá)2 m/s左右，無法實施潛水作業(yè)，水上作業(yè)安全風(fēng)險極大，此時段無法實施橋梁水下檢測作業(yè)。

二是此段黃河冬灌之后(11月中旬至次年2月底)，水位相對較低，流速相對較小(流速1 m/s)，能夠滿足潛水作業(yè)，但氣溫較低(達(dá)零下15 ℃)，給水下作業(yè)帶來較大困難。

三是橋位處水文相當(dāng)復(fù)雜，此橋位處河面較窄，而橋位上下流河面相對較寬，同時受地勢和橋墩阻水影響，橋墩處水深、流急，尤其是水下渦流、暗流極為復(fù)雜。起初潛水員著輕潛裝備下水，受水流沖擊作用，無法正常下潛至預(yù)定位置，安全風(fēng)險較大。隨后采取設(shè)置定位繩、移動繩以及增加配重等潛水輔助措施。雖然潛水員能達(dá)到河床表面，但受水下亂流影響，潛水員無法站立，更無法進(jìn)行水下探摸和水下攝像作業(yè)，幾秒后被沖出水面，效果均不理想。實踐證明，在此復(fù)雜水文條件下，常規(guī)方式輕潛作業(yè)無法實施水下檢測作業(yè)。

四是受上下游水庫蓄水、放水影響，橋位處水位每天變化不定，流速變化較大，平潮時段時間短，且無規(guī)律可循。

五是此河段位于黃河上游，除小型旅游小艇外，無其它船只，無法為水上作業(yè)設(shè)備提供安全穩(wěn)定的浮平臺，給水上安全作業(yè)帶來了困擾。

在此水文、氣候、作業(yè)環(huán)境等條件下，對大橋基礎(chǔ)實施水下檢測，必須提出安全可靠、切實可行的創(chuàng)新性輔助措施和技術(shù)手段。

2.2 總體方案

根據(jù)2月份實施的水下檢測實踐和掌握的水文等情況，以“橋梁檢測必安全，橋梁檢測保安全”為基本原則，圍繞“準(zhǔn)備充分、多案并舉”的總體思路，通過多次研究論證，確定總體實施方案如下[1-2]：

(1)選擇最佳作業(yè)時期。此次檢測選在冬季，即黃河冬灌之后，此階段黃河流速相對較小，可大大降低水下作業(yè)風(fēng)險；同時，水質(zhì)相對較清，便于水下探摸和攝像。

(2)創(chuàng)新提出利用舟橋器材拼組成檢測平臺。采用6節(jié)多用途浮箱拼組成浮平臺，并布設(shè)錨碇設(shè)施，為潛水作業(yè)、潛水輔助裝置的安裝和使用、水下攝像及相關(guān)設(shè)備提供安全穩(wěn)定的浮平臺；利用新型994機(jī)動舟作為浮平臺的頂推設(shè)備，同時，為多波束測深系統(tǒng)和浮平臺移動提供安全可靠的動力保障。

(3)創(chuàng)新提出采用多波束測深系統(tǒng)、三維圖像聲吶、水下機(jī)器人等多種先進(jìn)水下檢測儀器設(shè)備,以實施多層次、多手段檢測方式作業(yè)。首先，采用多波束測深系統(tǒng)對橋位處河床進(jìn)行掃測，掌握墩位處的水深以及河床的地形地貌情況；然后，應(yīng)用三維圖像聲吶對橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行掃測，將橋墩及基礎(chǔ)以三維圖像顯示；再次，采用水下機(jī)器人對基礎(chǔ)實施全面攝像，全面掌握水下結(jié)構(gòu)情況。通過先進(jìn)儀器的檢測，查找到水下橋墩及基礎(chǔ)的薄弱環(huán)節(jié)，明確了潛水員水下探摸、攝像的重點、關(guān)鍵部位[3]。

(4)科學(xué)提出了重潛檢測，輕潛救援的水下作業(yè)方式。一方面因作業(yè)時段氣溫較低，輕潛無法抵御寒冷，會給潛水員身體帶來很大影響，且作業(yè)效率較低。另一方面因流速較大、渦流復(fù)雜，輕潛配重不夠，難以著河床作業(yè)，潛水員在水流作用下，漂浮不定，非常不安全。經(jīng)研究，采用重潛直供氣方式對重點部位進(jìn)行水下探摸、攝像檢測作業(yè)，詳細(xì)查找河床局部沖刷、淘空，基礎(chǔ)及橋墩沖蝕、損壞、裂縫等結(jié)構(gòu)病害；輕潛作為應(yīng)急救援措施，確保檢測安全。

(5)創(chuàng)新研制了潛水梯、潛水籠等輔助設(shè)施。潛水梯底端支撐在河床上，上部依靠在浮平臺側(cè)，潛水員可沿潛水梯上下水，直接著床實施檢測作業(yè)，規(guī)避了潛水員在水流作用下漂浮影響。潛水籠是避流裝置，以克服大流速、渦流、亂流等不利因素。潛水籠懸掛于浮平臺一側(cè)，設(shè)有導(dǎo)向框架和升降籠。升降籠三面設(shè)圍板，能有效避流。潛水員站在升降籠中，不受流速影響，通過水上作業(yè)人員的調(diào)整，能夠升降作業(yè)，有效解決了特殊水文條件下潛水員無法實施水下作業(yè)的難題，確保了潛水作業(yè)安全。

3 檢測作業(yè)流程

橋梁水下檢測作業(yè)流程為：第一步機(jī)動舟等水上動力設(shè)備下水；第二步采用雙頻測深對橋位處及上下游各25 m處河床斷面進(jìn)行測量；第三步依據(jù)雙頻測深儀測得的水深數(shù)據(jù)，對多波束測深系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對橋位處及上、下游50 m范圍內(nèi)河床地形地貌進(jìn)行全方位掃測；第四步采用三維圖像聲吶對橋梁水下基礎(chǔ)進(jìn)行掃測；第五步通過掃測結(jié)果確定潛水員入水深度和重點檢測部位，可以很大程度降低潛水員的作業(yè)強(qiáng)度。采用安裝到浮平臺一側(cè)的潛水輔助裝置和潛水梯進(jìn)行水下探摸和水下攝像等檢測作業(yè)，同時采用水下機(jī)器人ROV水下作業(yè)進(jìn)行比對；最后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，形成檢測報告。水下檢測作業(yè)流程見圖2所示。

4 檢測作業(yè)

4.1 河床斷面測量

對橋位處、橋位上下游各25 m處河床斷面進(jìn)行測量，繪制河床斷面圖，通過河床斷面圖對比，分析河道變遷及河床沖刷、淤積情況及對橋徑渡洪能力的影響。測量時，在機(jī)動舟船舷一側(cè)安裝HD380雙頻測深儀，與iRTK智能定位儀連掛，進(jìn)行水中河床斷面測量。同時，通過對橋位范圍的水深測量，掌握河床大致高差情況，為多波束測深系統(tǒng)掃測設(shè)置計劃線提供依據(jù)。經(jīng)測量，橋位上流水深較淺，在3～4 m左右；橋位下游水相對較深，在7～8 m左右；橋位處局部水較深，在8～9 m左右。

圖2 水下檢測作業(yè)流程

4.2 多波束測深系統(tǒng)掃測河床

采用多波束測深系統(tǒng)對橋位處及上、下游50 m范圍內(nèi)河床地形地貌全方位掃測，將河床的地形、地貌生成三維圖像。一是全面掌握橋位范圍內(nèi)的河床地形地貌，有無沖刷、淤積，河床的變化情況和河床覆蓋層的土質(zhì)特征；二是查找橋基有無局部沖刷、淘空等病害，周邊有無堆積物、拋填物等；三是取得詳細(xì)的河床標(biāo)高，為潛水輔助裝備的安裝提供可靠依據(jù)。和傳統(tǒng)潛水?dāng)z像相比較，現(xiàn)在的多波束測深技術(shù)不但可以對河床底部地形地貌進(jìn)行全覆蓋測量，還可以定量測定出橋樁基礎(chǔ)周圍的沖刷情況，且安全快捷。

作業(yè)時，技術(shù)人員首先根據(jù)雙頻測深儀測量水域的水深數(shù)據(jù)和多波束換能器掃測角度，設(shè)計規(guī)劃計劃線。然后，將多波束換能器安裝到機(jī)動舟船舷一側(cè)水下50 cm處，慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在甲板上，數(shù)據(jù)處理主機(jī)安裝在船艙內(nèi)，根據(jù)計算好的計劃線，進(jìn)行河道掃測作業(yè)，并隨時監(jiān)控好掃測數(shù)據(jù)，確保無死角。掃測結(jié)果見圖3。根據(jù)這次數(shù)據(jù)分析，1#和2#橋墩大樁號側(cè)基礎(chǔ)四周局部沖刷明顯，基礎(chǔ)嵌入巖層的深度已經(jīng)減少至0.5 m；與原設(shè)計對比，1#和2#橋墩大樁號側(cè)基礎(chǔ)周圍已經(jīng)產(chǎn)生了20～30 cm的沖刷溝。

4.3 三維圖像聲吶側(cè)掃基礎(chǔ)

應(yīng)用三維圖像聲吶掃測，本系統(tǒng)主要由甲板聲吶圖像處理器、換能器、水下電纜、采集工作站等組成。本次采用支架上端與浮平臺邊緣焊接的安裝方式進(jìn)行掃測，將橋墩及基礎(chǔ)成三維圖像顯示，以查找基礎(chǔ)沖刷、淘空病害及橋墩結(jié)構(gòu)病害。通過在圖像上量取可得1#橋墩小樁號側(cè)河底到橋樁基礎(chǔ)頂端高度為3.421 m，與多波束數(shù)據(jù)3.4 m相吻合。三維圖像聲吶側(cè)掃1#橋墩結(jié)果見圖4所示。

圖3 多波束掃測河床地形圖

圖4 三維圖像聲吶側(cè)掃1#橋墩

4.4 水下機(jī)器人(ROV)攝像檢測

水下機(jī)器人是一種自帶推進(jìn)動力的水下攝像設(shè)備，由水下機(jī)械人和云控制臺組成，在水上作業(yè)人員操控下實施航行、潛水和水下攝像等作業(yè)，以逐步取代潛水員水下攝像等繁重作業(yè)。控制臺安裝在機(jī)動舟甲板上，ROV由船邊航行至墩位處。由于墩位處渦流、亂流復(fù)雜，本次采用的為觀察型ROV，推動力相對不足，無法抵御水流作用，未能有效的進(jìn)行水下攝像作業(yè)。以后遇到類似情況，可采用大功率的水下作業(yè)型ROV，用于抵御水流作用。ROV水下作業(yè)情況見圖5所示。

4.5 重潛水下檢測作業(yè)

本次潛水員著重潛潛水服下水實施檢測作業(yè)。穿戴好潛水服后，潛水員沿著潛水梯下水，直接著床到橋墩基礎(chǔ)處，對橋基周邊局部沖刷情況進(jìn)行水下探摸和攝像；同時，浮平臺輔助人員抓好潛水員的安全繩，以克服大流速、渦流、亂流等不利因素影響；另一名潛水員穿戴輕潛潛水服作為應(yīng)急救援，以保障潛水員能安全順利完成水下探摸和水下攝像等檢測作業(yè)。

潛水員下水后，發(fā)現(xiàn)橋墩周圍渦流、亂流較大，作業(yè)難度較高。基礎(chǔ)周邊基本無覆蓋層，局部位置有較大尺寸片石。經(jīng)潛水員對1#、2#墩墩身、沉井基礎(chǔ)及周邊河床詳細(xì)探摸、攝像，未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)局部淘空、裸露等病害，水下結(jié)構(gòu)狀況良好。潛水員實施水下檢測作業(yè)現(xiàn)場情況見圖6所示。

圖5 ROV作業(yè)

5 結(jié)束語

東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋水下檢測作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、檢測難度高、安全風(fēng)險大。舟橋處檢測隊積極探索研究，多案并舉，多層保障。一是充分發(fā)揮舟橋優(yōu)勢，拼組檢測浮平臺，為檢測作業(yè)提供可靠設(shè)施；二是研究設(shè)計了潛水梯、潛水輔助裝置，為潛水作業(yè)提供了安全保障；三是首次將多波束測深系統(tǒng)、三維圖形聲吶等水下地形測量儀器應(yīng)用到橋梁水下檢測中，實現(xiàn)了全方面、全方位檢測，提高了檢測效率；四是采用重潛檢測、輕潛救援的水下作業(yè)方式，使水下檢測作業(yè)更安全。在檢測過程中，全體檢測人員克服重重困難，積極研究攻關(guān)，最終高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量完成了水下檢測任務(wù)。

圖6 潛水員水下檢測作業(yè)