橋梁基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測技術(shù)綜述*

宋 剛，梁 楊，黃建云

1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067

2.重慶市市政設(shè)施運(yùn)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(chǔ)沖刷嚴(yán)重影響著橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，而且由于水流的沖刷都在水下，一般很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，橋梁基礎(chǔ)沖刷破壞往往在沒有預(yù)警的情況下突然發(fā)生。例如，2002年6月9日，陜西西安灞河暴發(fā)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(dāng)時(shí)經(jīng)過大橋的車輛共16輛，成功脫險(xiǎn)10輛、墜河6輛，共接到失蹤人員報(bào)告12起，核實(shí)失蹤人員7人、確認(rèn)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(fā)生垮塌。易仁彥等[1]收集了中國2000—2014年間橋梁在運(yùn)營階段發(fā)生的106起坍塌事故，發(fā)現(xiàn)高達(dá)30%的事故是由沖刷造成的。如何防止和監(jiān)測橋梁基礎(chǔ)沖刷是當(dāng)下迫切需要解決的問題。

目前橋梁基礎(chǔ)沖刷研究主要集中在三個(gè)方面：沖刷機(jī)理、沖刷防護(hù)措施和沖刷探測技術(shù)。橋梁基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測技術(shù)方面，目前的沖刷監(jiān)測方法主要有鉛錘測探、人工錐探、蛙人下潛等傳統(tǒng)的探測技術(shù)以及聲吶、光纖光柵傳感器等新興技術(shù)。傳統(tǒng)的鉛錘測探、人工錐探、蛙人下潛等探測技術(shù)存在人力物力耗費(fèi)大、探測結(jié)果易受測量人員經(jīng)驗(yàn)影響等缺點(diǎn)，特別是水下作業(yè)對測量人員的安全造成了很大威脅。因此，發(fā)展新興探測技術(shù)極為重要，為此文章主要對基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測新興技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 聲吶技術(shù)

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(chǔ)沖刷探測的一種重要方法。楊建明等[2]詳細(xì)闡述了三維多波束實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)與傳統(tǒng)水下聲吶探測方法的區(qū)別，并采用3D Echoscope三維多波束實(shí)時(shí)聲吶觀測系統(tǒng)對某鐵路橋基礎(chǔ)及周圍河床被沖蝕的程度進(jìn)行了探明。角度響應(yīng)對回波強(qiáng)度影響較大，為此，趙建虎等[3]提出了一種利用底質(zhì)回波強(qiáng)度特征的AR聚類改正方法，借助多波束聲吶回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)施非監(jiān)督底質(zhì)分類，研究每類底質(zhì)的AR特征，形成每種底質(zhì)的AR曲線簇，從觀測的回波強(qiáng)度序列中減去對應(yīng)底質(zhì)的AR值，并將其歸一化到平均強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)了回波強(qiáng)度中AR影響的消除，取得了高質(zhì)量的多波束聲吶圖像。為掌握蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)工程實(shí)際拋投防護(hù)材料的效果，周豐年等[4]采用多波束測深系統(tǒng)以每7d一次的頻度對核心防護(hù)區(qū)和永久防護(hù)區(qū)進(jìn)行地形掃測，獲得了測區(qū)內(nèi)不同時(shí)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(jié)構(gòu)損傷、基礎(chǔ)及河床沖刷的聲吶探測平臺，它包括支架系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、不銹鋼管。不銹鋼管的下端均與聲吶儀保護(hù)架相連接；鋼繩從提升系統(tǒng)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(hù)架相連接。該平臺結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低，使用起來安全方便。

聲吶探測技術(shù)的特點(diǎn)為分辨率高、工作穩(wěn)定、能大范圍測量、可以三維成像，適用于非連續(xù)監(jiān)測，是現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T 1037—2016）的推薦方法，但其測量結(jié)果易受水中懸浮泥沙影響，洪水期無法檢測，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測泥沙回淤過程。

2 磁測技術(shù)

磁測技術(shù)是一種非接觸式監(jiān)測技術(shù)，不受水流、巖石、淤泥等影響，維護(hù)簡便、適用性強(qiáng)。周智等[6]提出一種基于磁法勘探的沖刷監(jiān)測方法，在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)易沖刷區(qū)域預(yù)先布設(shè)或與防護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷狀態(tài)。江勝華等[7]對磁場梯度反演磁性標(biāo)簽石塊三維位移場算法進(jìn)行了研究，通過運(yùn)動自由度縮減的方式避免了基于優(yōu)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(chǔ)，推導(dǎo)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(shù)的特點(diǎn)為適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡便，傳感器可以粗放布設(shè)，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(jiān)測技術(shù)

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(shù)據(jù)，利于組網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。Zhou Z等[10]提出了一種用于橋墩和橋臺基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測的光纖光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入一種均勻強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）梁，在梁中性軸兩側(cè)安裝FBG傳感器，測量動水壓力作用下的梁的拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對水流變化敏感，能有效地監(jiān)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(jiān)測樁基附近土壓力大小進(jìn)而分析樁基沖刷狀態(tài)的FBG沖刷傳感器，光柵的封裝采用經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的GFRP懸臂梁，在土層接觸不同栓桿時(shí)，通過監(jiān)測懸臂梁變形可以識別傳感器工作狀態(tài)的變化，進(jìn)而通過試驗(yàn)證明該沖刷傳感器空間分辨率可達(dá)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(jié)構(gòu)彎曲的波長變化來實(shí)現(xiàn)橋墩沖刷動態(tài)監(jiān)測。

光纖光柵監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn)為可自動化和實(shí)時(shí)在線，靜水環(huán)境和洪水環(huán)境下的沖刷監(jiān)測均適用，但需要開挖河床，傳感器安裝及后期維護(hù)困難。

4 動力識別技術(shù)

基礎(chǔ)沖刷會導(dǎo)致橋梁動力特性發(fā)生變化，近年來有學(xué)者提出通過測試橋梁振動信號實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)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(chǔ)周邊覆蓋層土體模擬基礎(chǔ)受沖刷程度，運(yùn)用沖擊振動試驗(yàn)法進(jìn)行橋墩自振特性測試，分析了橋梁基礎(chǔ)受沖刷對橋墩自振特性的影響。熊文等[14]為快速評估運(yùn)營階段橋梁基礎(chǔ)沖刷狀態(tài)，提出了一種基于實(shí)測模態(tài)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(jìn)行了應(yīng)用。

基于動力識別的基礎(chǔ)沖刷技術(shù)避免了水下安裝監(jiān)測設(shè)備，實(shí)施簡單，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，橋梁振動響應(yīng)信號中不可避免地含有各種干擾噪聲，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能識別技術(shù)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(yīng)用的難點(diǎn)。

5 結(jié)束語

聲吶探測技術(shù)作為現(xiàn)行規(guī)范推薦的基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測技術(shù)，相對比較成熟，但長期監(jiān)測需要在橋梁墩臺預(yù)埋安裝件，對于運(yùn)營期橋梁來說實(shí)施困難，因此研發(fā)簡便易實(shí)施的聲吶安裝裝備并提高惡劣環(huán)境下聲吶探頭的壽命，值得進(jìn)一步研究。磁測技術(shù)和基于動力識別技術(shù)的基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測方法能夠在惡劣的環(huán)境下使用，維護(hù)簡單，可以長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，推廣應(yīng)用前景廣闊，其識別算法還需要進(jìn)一步研究。光纖光柵傳感技術(shù)用于基礎(chǔ)沖刷，長期穩(wěn)定性好，但目前僅見于文獻(xiàn)，需要經(jīng)過實(shí)際工程對其進(jìn)行檢驗(yàn)。