橋梁基礎沖刷監測技術綜述*

宋 剛，梁 楊，黃建云

1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067

2.重慶市市政設施運行保障中心，重慶 400015

3.寧夏交投高速公路管理有限公司，寧夏 銀川 750000

基礎沖刷嚴重影響著橋梁結構的安全性，而且由于水流的沖刷都在水下，一般很難及時發現，橋梁基礎沖刷破壞往往在沒有預警的情況下突然發生。例如，2002年6月9日，陜西西安灞河暴發洪水，將隴海線灞河橋1～5號墩沖垮，第1～6孔梁墜落，造成隴海線雙線中斷行車14.5h。2013年7月9日，四川省綿陽市江油盤江大橋在暴雨洪水中垮塌，當時經過大橋的車輛共16輛，成功脫險10輛、墜河6輛，共接到失蹤人員報告12起，核實失蹤人員7人、確認遇難人員5人。2018年7月27日晚，四川岷江大橋受洪水影響發生垮塌。易仁彥等[1]收集了中國2000—2014年間橋梁在運營階段發生的106起坍塌事故，發現高達30%的事故是由沖刷造成的。如何防止和監測橋梁基礎沖刷是當下迫切需要解決的問題。

目前橋梁基礎沖刷研究主要集中在三個方面：沖刷機理、沖刷防護措施和沖刷探測技術。橋梁基礎沖刷監測技術方面，目前的沖刷監測方法主要有鉛錘測探、人工錐探、蛙人下潛等傳統的探測技術以及聲吶、光纖光柵傳感器等新興技術。傳統的鉛錘測探、人工錐探、蛙人下潛等探測技術存在人力物力耗費大、探測結果易受測量人員經驗影響等缺點，特別是水下作業對測量人員的安全造成了很大威脅。因此，發展新興探測技術極為重要，為此文章主要對基礎沖刷監測新興技術進行綜述。

1 聲吶技術

聲吶探測充分利用了聲波在水中的傳播和反射特性，是基礎沖刷探測的一種重要方法。楊建明等[2]詳細闡述了三維多波束實時聲吶系統與傳統水下聲吶探測方法的區別，并采用3D Echoscope三維多波束實時聲吶觀測系統對某鐵路橋基礎及周圍河床被沖蝕的程度進行了探明。角度響應對回波強度影響較大，為此，趙建虎等[3]提出了一種利用底質回波強度特征的AR聚類改正方法，借助多波束聲吶回波強度數據實施非監督底質分類，研究每類底質的AR特征，形成每種底質的AR曲線簇，從觀測的回波強度序列中減去對應底質的AR值，并將其歸一化到平均強度，最終實現了回波強度中AR影響的消除，取得了高質量的多波束聲吶圖像。為掌握蘇通大橋主塔墩基礎沖刷防護工程實際拋投防護材料的效果，周豐年等[4]采用多波束測深系統以每7d一次的頻度對核心防護區和永久防護區進行地形掃測，獲得了測區內不同時期的沖淤變化。水下聲吶傳感器的安裝固定比較困難，為此，楊書仁等[5]提出了一種用于探測水下結構損傷、基礎及河床沖刷的聲吶探測平臺，它包括支架系統、提升系統、不銹鋼管。不銹鋼管的下端均與聲吶儀保護架相連接；鋼繩從提升系統之間穿過后向下延伸，再依次穿過圓形鋼板、方形鋼板與聲吶儀保護架相連接。該平臺結構簡單、造價較低，使用起來安全方便。

聲吶探測技術的特點為分辨率高、工作穩定、能大范圍測量、可以三維成像，適用于非連續監測，是現行行業標準《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》（JT/T 1037—2016）的推薦方法，但其測量結果易受水中懸浮泥沙影響，洪水期無法檢測，不能實時監測泥沙回淤過程。

2 磁測技術

磁測技術是一種非接觸式監測技術，不受水流、巖石、淤泥等影響，維護簡便、適用性強。周智等[6]提出一種基于磁法勘探的沖刷監測方法，在結構基礎易沖刷區域預先布設或與防護拋石一起拋擲磁法沖刷傳感器，采用磁力儀探測磁法沖刷傳感器位置改變信息，實時監測結構基礎沖刷狀態。江勝華等[7]對磁場梯度反演磁性標簽石塊三維位移場算法進行了研究，通過運動自由度縮減的方式避免了基于優化搜索的磁場梯度反演中的非線性和不適定性問題。Tang F J等[8-9]以磁場理論為基礎，推導了磁鐵方向未知型智能巖石和磁鐵方向已知型智能巖石的磁場分布，提出了背景磁場下兩種智能巖石的定位算法。

磁測技術的特點為適應性強、維護簡便，傳感器可以粗放布設，但沖刷測量精度受地球背景磁場影響，磁場梯度方程反演定位困難。

3 光纖光柵監測技術

光纖光柵由于精度高，且封裝后能防水、耐腐蝕，長期性能比較好，不但能傳感，而且也能用于傳輸數據，利于組網和實時監測，已經被廣泛應用于結構的健康監測。Zhou Z等[10]提出了一種用于橋墩和橋臺基礎沖刷監測的光纖光柵傳感系統，該系統引入一種均勻強度的纖維增強復合材料（FRP）梁，在梁中性軸兩側安裝FBG傳感器，測量動水壓力作用下的梁的拉伸應變和壓縮應變。試驗結果表明，該系統對水流變化敏感，能有效地監測沖刷過程，且不受周圍靜水壓力和土壤壓力的影響。潘洪亮等[11]提出了一種通過監測樁基附近土壓力大小進而分析樁基沖刷狀態的FBG沖刷傳感器，光柵的封裝采用經過結構優化設計的GFRP懸臂梁，在土層接觸不同栓桿時，通過監測懸臂梁變形可以識別傳感器工作狀態的變化，進而通過試驗證明該沖刷傳感器空間分辨率可達0.1m。熊文等[12]提出基于露出河床的布拉格光柵傳感器的不同相對位置以及對水流力和結構彎曲的波長變化來實現橋墩沖刷動態監測。

光纖光柵監測技術的特點為可自動化和實時在線，靜水環境和洪水環境下的沖刷監測均適用，但需要開挖河床，傳感器安裝及后期維護困難。

4 動力識別技術

基礎沖刷會導致橋梁動力特性發生變化，近年來有學者提出通過測試橋梁振動信號實現對基礎沖刷深度的識別。姚錦寶等[13]以城雞線2K+614m橋5號橋墩為研究對象，通過開挖不同厚度橋墩基礎周邊覆蓋層土體模擬基礎受沖刷程度，運用沖擊振動試驗法進行橋墩自振特性測試，分析了橋梁基礎受沖刷對橋墩自振特性的影響。熊文等[14]為快速評估運營階段橋梁基礎沖刷狀態，提出了一種基于實測模態與模型更新的沖刷動力識別方法，并在杭州灣大橋橋塔沖刷檢測中進行了應用。

基于動力識別的基礎沖刷技術避免了水下安裝監測設備，實施簡單，但是在實際工程應用中，橋梁振動響應信號中不可避免地含有各種干擾噪聲，傳統的結構性能識別技術抗噪聲干擾能力差，因而橋梁微振動信號的處理和分析是該方法推廣應用的難點。

5 結束語

聲吶探測技術作為現行規范推薦的基礎沖刷監測技術，相對比較成熟，但長期監測需要在橋梁墩臺預埋安裝件，對于運營期橋梁來說實施困難，因此研發簡便易實施的聲吶安裝裝備并提高惡劣環境下聲吶探頭的壽命，值得進一步研究。磁測技術和基于動力識別技術的基礎沖刷監測方法能夠在惡劣的環境下使用，維護簡單，可以長期實時監測，推廣應用前景廣闊，其識別算法還需要進一步研究。光纖光柵傳感技術用于基礎沖刷，長期穩定性好，但目前僅見于文獻，需要經過實際工程對其進行檢驗。