基于水下聲波映像法的橋梁基礎拋石防護檢測與評估

韓 悅，周晗旭，袁剛烈，車愛蘭

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

截至2019年，我國已建跨海大橋超過35座，在建、擬建跨海大橋超過40座。在大橋運營期間，水域沖刷是一個普遍存在的問題。局部沖刷是橋梁地基最常見的威脅之一，每年導致世界各地橋梁多次倒塌[1]。1966—2005年，美國統計的1502座倒塌橋梁中，58%的橋梁破壞是由橋梁基礎結構沖刷病害及其相關水力學作用引起的，每年因為橋梁沖刷破壞造成的經濟損失高達3 000萬美元[2-4]。由于橋梁基礎沖刷幾乎是不可避免的，適宜的沖刷防護措施在減小橋梁基礎周圍沖刷坑深度、提高橋梁結構的安全性及穩定性等方面效果顯著。拋石防護由于其便利性和低成本性而廣泛應用于工程實踐[5]，合理的拋石配置方式能有效地減小橋墩基礎局部沖刷深度，使沖刷平衡時間延后；其中當拋石層厚度為3倍～4倍拋石粒徑、拋投范圍為3倍樁徑時，防護效果和經濟性較佳[6-7]。通常采用的防護方法，需要掌握海底的地質、地貌和人工構筑物拋填后的位置，以便評估其防沖刷性能以及進一步確定后續的拋填量與方位。

對于橋梁沖刷的檢測，通常采用水下勘探的方式。應用較廣泛的水域勘探技術主要有側掃聲吶[8]、多波束水下地形掃測技術[9](簡稱：多波束)、重力法[10]、磁法[11]、地震映像法[12]等。其中，側掃聲吶可以獲取高分辨率海底圖像，但受環境影響較大，圖像中輻射畸變嚴重，可能導致圖像質量較低甚至無法應用[13]。多波束是一種具有全覆蓋、高效率、高精度和高分辨率的海底地形測量新技術，可以獲得海底地形，但其縱向分辨率與航速、發射脈沖長度、聲速及縱向波束角有關[14]，在復雜環境下，如水深大、水流急的情況下，其探測精度易受水下環境的影響。此外，水下環境動態變化，多波束實時監測存在困難。重力法適合于探測深部構造，但隨著觀測距離的增加，海底重力信號中的高頻分量會迅速衰減并率先消失并且其測量方式復雜、覆蓋面積小、成本高[15]。磁法勘探多數情況下運用于探測水底磁性障礙物，但在探測水底磁性差異不大的障礙物方面沒有明顯效果[16]。而地震映像法是一種傳統的地質勘探方法，是以相同的偏移距逐步移動測點接收地震信號，對隱伏地層或目標體進行連續掃描，利用多種地震波信息來探測地下介質的變化，在許多領域具有廣泛應用。余金煌等[17]采用地震映像法識別湖下拋石層的分布范圍和厚度；孟立朋等[18]利用水域地震影像探測技術，對海域的隱伏斷層進行探測。但目前由于水下環境復雜，測量過程仍需要移動測量船，存在實際操作不便、數據采集速度慢和結果精度不高等不足。因此，快速簡便地對橋梁沖刷防護作出檢測與評估是當前水下勘探亟待解決的問題。

針對簡便快速探測橋梁基礎沖刷區域的拋填堆石問題，本文提出一種水下聲波映像法對橋梁基礎拋石防護進行檢測與評估。該方法以水下聲發射和彈性波檢測為基礎，綜合映像識別和三維可視化等方法，能夠實現水下深層信息探測，且不易受水下復雜環境干擾。首先利用彈性波在復雜介質中的傳播特性，通過有限元模擬彈性波在拋石、淤泥等介質中的傳播特性，提取波形響應能量開展聚類分析，評價映像識別的可行性。之后運用勘探設備及相應的采集方式對跨海橋梁基礎進行現場探測，并結合多波束水下地形掃測結果，利用三維成像將水底下部拋石體分布可視化，最后將可視化結果與實際拋填量作對比，結果具有較好的一致性，同時驗證了水下聲波映像法在橋梁沖刷防護檢測與評估中的適用性。

1 水下聲波映像法及關鍵問題

1.1 水下聲波映像法原理

水下聲波映像法以聲發射裝置為震源，使水下局域源發生變化引起應力突然重新分布，快速向四周釋放能量，從而機械能轉變為聲能，產生瞬態彈性波，頻率一般在30 Hz～50 kHz[19]；聲發射裝置蓄能越大，聲發射能量也越大，聲發射信號的能量可以用振幅來表示。以水中一系列的水聲檢波器為接收點，選取適當頻率，平行震源排列，接收聲發射信號傳播的彈性波信號。根據試驗的需要選取適當的偏移距和采樣時長并保持不變，不斷改變震源和檢波器的位置來形成連續測試剖面。通過濾波和數據道排列形成波形剖面，最后利用圖像分析等手段識別波形映像數據。該方法涉及三個關鍵問題：

1.1.1 彈性波在復雜介質中的傳播特性

如圖1所示，在水中激發震源，波以球狀形式向四周擴散，通過在水中的輕微衰減，以彈性波對水底面產生一個激勵。以彈性波在復雜介質中傳播為基本假設，根據彈性波的反射系數公式，如公式(1)，當彈性波在兩層介質中傳播時，反射波的反射系數由兩種介質的波阻抗(波速與密度的乘積)差決定。兩種介質材料的波阻抗相差越大，反射系數也越大，產生的反射波響應能量也就越強[20]。因此介質表面的彈性波場分布與介質內部的構造以及介質的物理性質密切相關。當波從介質1傳播到介質3中，若介質3的彈性模量和密度較大，波在介質3中傳播的速度就會變高，從而形成強反射，接收到的波形響應能量就會變強，當介質3大小發生變化時，所接收的波形也會產生不一樣的響應特征。因此從波形的響應能量變化就可判斷介質是否存在強反射，以及確定介質的大小。

圖1 水下聲波映像法Fig.1 Underwater sonic imaging method

(1)

式中：RPP為縱波反射系數；RSS為橫波反射系數；ρ1，VP1，VS1分別為介質1的密度、縱波速度、橫波速度；ρ3，VP3，VS3分別為介質3的密度、縱波速度、橫波速度。同時，彈性波會在水下地層界面發生多次反射、透射，并以多種形式從界面向水中進行再次擴散；最終被水中的檢波器接收并得到波形信息。

1.1.2 映像識別

從波形響應信息中識別介質，需要一種映像識別方法。利用彈性波在復雜介質中的傳播特性以及聚類分析的概念，解決波形映像識別的問題。K-均值算法是一種經典的聚類算法，在模式識別中得到了廣泛的應用[21]。其基本思想是：以空間中k個點為中心進行聚類，對最靠近它們的對象歸類。通過迭代的方法，逐次更新各個聚類中心的值，直至得到最好的聚類結果。假設待分析的數據對象有n個，每個數據對象有m個屬性，公式(2)則對數據對象定義

X={Xi|Xi=(xi1,xi2,…,xim)},i=1,2,…,n

(2)

彈性波響應能量劃分的目的是把具有共同性質的能量歸類分組，所以首先要確定彈性波響應能量樣本之間的相似性度量——距離。距離越小，表示兩能量越相似；反之，兩能量差異性越大。

假設N個能量點Pj(j=1,2,3,…,N)，共劃分為C組，每組的聚類中心為Vi(i=1,2,3,…,C)。可知Pj與Vi之間的距離d2(Pj,Vi)，式(3)定義uij為第j個能量點屬于第i個聚類中心的隸屬度[22]

(3)

式(4)為所有能量點與聚類中心的距離之和，uij為目標函數，J的最小值即為聚類目標

(4)

收斂得到J的最小值時，聚類分析結束，得到新的聚類中心，同時各類分組完成，閾值確定。若不收斂則繼續尋找新的聚類中心，直至J的最小值收斂。

1.1.3 三維可視化

為實現水下三維空間形態表達，構建真實的水底下部環境，基于反距離加權插值算法，對探測區域進行三維可視化。其中，反距離插值法基于地理屬性有空間相關性，相近的事物會更相似的特征，將映像識別得到的水底下部界面的三維坐標信息按加權求和來估計未知點的高程。反距離加權插值綜合了泰森多邊形的鄰近點和趨勢面分析的漸變方法的優點，假設待插值點x0處的屬性值是在局部鄰域內所有數據點的距離加權平均值[23-24]，表達式為

(5)

式中：Z(xi)為多重二次曲面方程，權重系數λi由函數φ[d(x,xi)]計算，要求當d→0時，φ(d)→1，一般取倒數或負指數形式d-γ,e-d,e-d2。φ[d(x,xi)]最常見的形式是距離倒數加權函數(即反距離加權)，最早由Shepard[25]提出，表達式為

(6)

式中：xj為未知點，xi為已知點，d為未知點到已知點的距離。

利用待測區域的表層地形以及樁位信息，基于設計圖紙中拋填塊石的邊界位置，用實測數據通過映像法得到的深度信息對其進行修正，構造一個相對簡單的函數P(x)作為復雜函數f(x)的近似，再用P(x)代替f(x)，進行數值計算、解析表達以及圖形顯示，最后形成具有一定光滑性的曲面，得到三維可視化。

1.2 聲波映像法中的映像識別

水下聲波映像法主要是利用彈性波在復雜介質中的傳播特性以及聚類分析的概念，解決波形映像識別的問題。當彈性波在海底淤泥中傳播時，由于海底淤泥強度較低，彈性模量較小(一般為800 kPa左右)，而拋石體強度較高，彈性模量較大，彈性波場遇到拋石體時會發生反射、折射、繞射等產生放大效應。通過有限元模擬的方法，模擬彈性波在拋石體、淤泥等介質中的傳播特性，提取波形響應能量開展聚類分析，評價映像識別的可行性。

1.2.1 有限元數值模型

數值模型考慮拋石和海底淤泥兩種材料，其中拋石體分為體積較小的拋石1和體積較大的拋石2兩種類型。二維模型尺寸為20 m×90 m，通過工程經驗值確定各材料參數值，如表1所示。其中，拋石材料采用巖石參數，海底淤泥采用軟土參數。

表1 模型材料參數Tab.1 Parameters of model material

選取主頻為500 Hz的雷克子波作為激發震源，震源波形及震源頻譜如圖2所示，持續時間為0.01 s，采樣間隔1×10-5s。荷載加載方式為垂直施加集中力，作用在節點處。同時，數值模型如圖3所示。為研究在多種介質研究區域的彈性波場特征，該區域網格設置需加密處理，網格尺寸為0.2 m×0.2 m；對于單種介質研究區域部分，淤泥材料的網格尺寸為0.4 m×0.4 m，網格單元屬性為四節點平面應變單元，整個模型劃分為23 250個單元。為避免彈性波傳播到模型邊界時產生反射，在模型的左、右下邊界設置為無限單元。

圖2 震源波形和頻譜特性Fig.2 Source waveform and spectrum characteristics

圖3 數值模型(m)Fig.3 Numerical model(m)

1.2.2 模擬結果及映像識別

設置激發與接收工況，偏移距為0.4 m，每次激發接收后將荷載作用點移動0.4 m，如此連續采集得到完整的波形剖面，取部分剖面如圖4所示。從圖中的波形特征可以看出，彈性波沿拋石1上表面的雙程走時相同，同相軸水平、連續，波形呈扁平線；拋石2區域彈性波傳播特性與拋石1相似，其上表面波形亦呈扁平線，并且波形同相軸走時由左向右逐漸延時，又由于彈性波在傾斜邊界上發生反射，在上邊界以下發生反射，從而在拋石內部經過多次反射后，形成了多條傾斜狀的同相軸連線。但由于彈性模量較小的淤泥介質中夾雜了彈性模量較大的拋石體，導致彈性波在拋石體界面上會發生反射、透射和繞射等現象，致使彈性波場放大，拋石體及其周圍的波形振幅相較其余區域更大，并且相較其余波形隨著時長的增加逐漸衰減，拋石體區域的彈性波隨著時長的增加仍存在一定的放大效應。從圖4的波形剖面中識別反射波、透射波和繞射波存在一定的困難，無法清晰地區分拋石與淤泥。因此提出一種基于聚類分析的映像識別方法，將得到的所有波形振幅值進行處理以識別波場放大特征，判斷拋石范圍。

圖4 模擬波形剖面Fig.4 Waveform profile after simulation

由于預設水下有淤泥和拋石兩種材料，因此先初始化兩個聚類中心c1，c2，計算每一個數據點xi和與其最近的聚類中心cv的平方距離和，并將其分配到距離最短的簇里，然后重新計算兩個簇的聚簇中心，最后根據聚簇結果，將同一個簇中的對象用相同的顏色標記，不同簇中的對象用不同的顏色標記，輸出最終的分割圖像[26-28]。如圖5可知，根據一維樣本點隨樣本序列的分布情況可以看出圖像分割線為振幅值0.065 m/s2，則定映像識別的閾值為0.065 m/s2。

按最優處方測得白藜蘆醇DPPC脂質體粉霧劑載藥量為（2.4±0.9）%，加入甘露醇載體的DPPC脂質粉霧劑再分散后的包封率為（68.6±2.1）%。驗證了凍干工藝基本不影響DPPC脂質體的結構和白藜蘆醇的包封。

圖5 振幅聚類分析Fig.5 Cluster analysis of amplitude

將所有波形振幅樣本按既定閾值處理，得到圖6所示的模擬結果。圖6中橫軸x為探測長度，左縱軸y1為彈性波走時時間，右縱軸y2為模型設置深度，實際探測時深度信息需要根據多波束等地形掃測方法標定。虛線表示預設拋石區域，實線表示能量高且連續集中區域并定義為拋石1和拋石2。拋石1的范圍識別為x=4～8 m，y1=0.0～0.2 s，y2=0～5 m；拋石2的范圍識別為x=15～39 m，y1=0.0～0.17 s，y2=0～4 m。與預設的拋石1x=5～7 m，y2=0.8～2.8 m；拋石2x=21～39 m，y2=0～5 m比較，可以認為水平向識別精度較高，基本與預設缺陷一致。深度方向識別精度不高，尤其是較小體積的拋石1，由于存在反射、繞射等現象，響應能量放大范圍較大。

圖6 模擬結果映像識別Fig.6 Image recognition of simulation results

2 橋梁基礎拋石防護檢測與評估

針對某橋梁橋墩樁基過度沖刷區域的防護工程，在已知橋墩實際拋填施工量的情況下，應用水下聲波映像法，檢測沖刷區域內拋石的分布并驗證該方法的有效性。

2.1 工程背景

本次試驗在某一海域橋梁的某一橋墩周邊水域進行。工程資料顯示，該橋軸線水域除局部地段略有淤積外，普遍存在持續沖刷作用。橋墩部分樁軸向力超出設計承載力容許值，沖刷嚴重區域最深處已超出設計警戒值，采用拋填袋裝碎石、袋裝干混料的工程手段，對樁基沖刷區域進行防護，樁基防護設計如圖7所示。設計袋裝碎石填至-22.0 m高程，其上再填1.5 m厚的袋裝干混料。橋墩實際施工完成量如表2所示。

圖7 橋墩樁基及防護設計圖(mm)Fig.7 Design of pier pile foundation and protection (mm)

表2 橋墩實際完成情況統計表Tab.2 Statistics of actual completion of bridge piers

2.2 工作系統與現場采集

2.2.1 水下聲波映像法

水下聲波映像法采用的水下勘探設備主要有數據記錄系統、水下聲波激發裝置和水下聲波接收裝置，測試設備如圖8所示，試驗時將兩條平行的工作線布置在水中，一條線上布置有單個發射器另一條布置多個等間距的檢波器。以水中的發射器產生聲波作為震源，檢波器接收到信號并得到相應的波形，即完成一個測點的數據采集。然后，同時移動發射器和檢波器單位距離，該過程中保持二者相對位置一致。重復以上過程完成整條測線或整個測區的數據采集工作。水下聲波映像法的工作方法如圖9所示。各設備的采集參數如下：

圖8 測試設備Fig.8 Equipment in test

圖9 工作方法Fig.9 Work method

(1)數據記錄系統：由高精度寬頻帶數據采集模塊(Goed數字地震儀)和計算機構成，對水聲檢波器接收到的彈性波信號進行模數轉換和數字記錄，系統采樣周期為0.125 ms，模數轉換24 Bit，采樣時長0.7 s，24通道。

(2)水下聲波激發裝置：水域高分辨率電火花震源，電源220 V，由電極高壓放電形成電弧，電弧瞬間將電極(發射器)周圍的水體加熱成蒸汽，蒸汽膨脹并爆炸在水中激發出聲波。

(3)水下聲波接收裝置：由12組換能器按0.5 m間隔排列構成12道檢波器，固有頻率為100 kHz，線狀陣列用于在水中接收彈性波。水聲檢波器由寬頻帶高靈敏度壓電陶瓷元器件和放大電路構成，把作用在器件上的壓力波轉換成電信號。

圖10 測線布置圖Fig.10 Survey line layout

2.2.2 多波束掃測

為了得到探測區域的三維結果并評估其地形構造，采用“多波束測量儀+GPS自動導航條帶測量”來測量水下地形地貌。該系統的測試設備有：SeaBat T50-P多波束系統(包含POS MV OceanMaster RM IP68慣導系統，24 V直流及100～230 V交流電源靈活選擇，T50聲納探頭支持190～420 kHz寬帶系統)和高精度測量型Trimble GNSS定位系統(包含基準站和移動站等)。

首先建立GPS測量控制網，并對設備進行調試、參數修正后，打開PDS2000多波束采集軟件，根據測量水域水深選擇多波束作用距離；測量船在GPS的導航指引下，沿垂直于水道方向進行不間斷水下聲納掃射，航行過程中同時測得來自多波束儀的深度值和GPS系統定位坐標值(水下探測儀的每一次脈沖都對應接受相應的GPS差分坐標)，自動輸入計算機進行數據存儲，以供業內數據分析處理之用。待采集軟件中測量云圖將待測區域完全覆蓋，測量結束。圖11為多波束掃測該橋墩沖刷坑防護區的地形地貌圖像以及待測區域內三條測線的對應位置。結合設計資料，可知三條測線處水下表層地形坐標。

圖11 多波束掃測地形Fig.11 Terrain scanned by multi-beam

2.3 波形剖面映像分析

由于探測環境存在風浪、渦輪機等噪聲，這些噪聲都會對采集的數據造成一定的影響，因此需要對經過數據道排列后的原始波形數據根據頻譜關系用低通濾波窗口以20～5 000 Hz進行濾波。濾波后得到的測線L1波形剖面如圖12所示。聲波在水中的傳播特性和在土體中的傳播特性存在較大的區別，波場遇到水下界面時會發生相應的強反射，從圖12波形中可以看到較清晰的反射界面，該界面和地形信息具有一定的對應性，可通過與多波束掃測的數據進行對比定量評價地形起伏狀態，并以此映射波形走時的深度信息。在界面處聲波對水下土體產生應力波激勵，再次在固體介質中傳播。從圖中可以看出剖面存在波形明顯放大的區域，但對水底不同介質的識別仍然不清晰，確定介質范圍存在較大的困難。

圖12 測線L1波形剖面Fig.12 Wave profile of survey line L1

由于拋石和其周圍的水下淤泥彈性模量相差較大，界面處彈性波場會發生強響應能量，應用基于聚類分析的映像識別方法，對現場三條測線得到的波形響應進行分析。由于沖刷防護區內拋填的袋裝干混料與袋裝碎石彈性模量相近，因而在彈性波傳播過程中這兩種材料的波形響應相似，映像識別將其視為同一種材料。因此假設水下只有拋石與淤泥兩種介質，將波形振幅樣本值分為兩類，得到圖13所示的現場聚類分析結果。由一維樣本數據值分布可知，振幅閾值為27 m/s2。經過可視化處理后得到三條測線對應的水下映像識別，其中選取測線L1檢測區域映像識別結果，如圖14所示，橫軸x為測線I-I’的水平距離，左縱軸y1為聲波走時時間。由于現場測線未穿越樁基下部，因此圖中只示意樁位的投影位置。

圖13 現場聚類分析Fig.13 Cluster analysis in field test

圖14 測線L1映像識別Fig.14 Image recognition of survey line L1

從圖中高閾值的部分可以看出，映像中存在起伏較大且反射較強的特征。由于拋石的形態各異，呈塊狀、團狀、層狀等，所以強反射波形又會呈現雜亂狀、波形寬大狀或向上凸起的弧形等異常特征。在圖中用實線描繪表層的起伏特征，虛線表示多波束掃測地形，結合設計資料并對比多波束掃測地形結果，識別實線為水底表層地形并標定其高程為-18～-20 m。并以此對應圖上距離，標定圖中的高程，即右縱軸y2為水面高程。根據反射強弱，將能量高且連續集中部分用虛線包絡，分別為拋石1、拋石2和拋石3。拋石1識別為x=3.5～10.5 m，y1=0.03～0.04 s，y2=-20～-21.1 m；拋石2識別為x=38.5～46.5 m，y1=0.03～0.04 s，y2=-20～-21.1 m；拋石3識別為x=48～84 m，y1=0.025～0.042 s，y2=-19.5～-21.2 m。結合設計資料對應的樁位信息，判斷拋石3為沖刷防護區內的拋石，而拋石1、拋石2為被海水沖刷至防護區外的拋石。

2.4 數據分析與評估

將三條測線映像識別結果與設計資料、多波束掃測地形信息相結合，得到三條測線識別的水底下部界面和拋石體的三維坐標，將這些三維坐標運用反距離插值法，得到水底下部界面的坐標信息，并進行三維可視化，得到如圖15所示的水下聲波映像法三維成像圖。

圖15 水下聲波映像法三維成像Fig.15 Three-dimensional imaging with underwater acoustic imaging

圖15為水底表層地形、水底下部界面和拋石散體的空間分布，水底下部界面呈凹狀，其中樁位周邊的下部界面為凹部，是海水沖刷區，而經過堆石拋填等防護措施后，沖刷防護區域高程與周圍地形一致。圖15直觀地反映出除了水底表層的拋石材料和沖刷防護區內的拋石，防護區外還存在部分拋石散體。這一現象可以解釋超量拋填材料的去處，一部分被海水沖刷至表層形成水底起伏地形，一部分被沖刷至沖刷區外的海底淤泥中；同時也反映了樁基防護工程在沖刷區內的防護狀態正常，即防護區內的拋填材料達到拋填設計要求。因此，試驗結果驗證了水下聲波映像法在橋梁基礎沖刷檢測中的準確性和適用性。

3 結 論

(1)提出了水下聲波映像法。在海底復雜的環境條件下，以聲發射為震源，通過水聲檢波器接收波形信息，并通過改變激發器和檢波器的位置以得到連續的水下波形剖面。工作方法操作簡便且成本低廉。

(2)提出一種基于聚類分析的波形映像識別方法。針對彈性波在夾雜有少量高強度介質的廣域低強度介質中的傳播問題，利用數值模擬手段，模擬復雜介質中的彈性波傳播特性，提取采集剖面的彈性波波形數據。并基于聚類分析，提出一種波形映像識別方法，識別彈性波反射強弱和波形走時等映像特征，獲取拋石位置范圍等信息。

(3)針對橋梁基礎拋石防護的檢測與評估問題，將水下聲波映像法應用到某橋墩樁基周圍沖刷區域的檢測。采用映像識別方法，結合多波束水下地形掃測，得到水下拋填物的空間分布，展示了拋填防護的實際狀態，很好地驗證了水下聲波映像法勘探的有效性，對橋梁的安全評估有實際意義。