基于多波束探測的橋梁擴大基礎埋深測試研究

徐 達，呂 斌，崔 鑫

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海市 201108）

0 引 言

橋梁基礎沖刷導致橋梁病害發展甚至坍塌在國內外頻發，基礎沖刷已成為威脅橋梁結構安全的重要因素。1960—1984 年期間，新西蘭發生的108 起橋梁事故中，29 起是由橋梁基礎沖刷造成的。1989—2000 年期間，美國境內503 座坍塌的橋梁中，由橋梁基礎沖刷及其相關水力作用引起橋梁坍塌占比達50%[1]。劉亢[2]調查了2007—2015 年期間，國內垮塌的102 座橋梁中，44 座橋梁因水災導致垮塌，占垮塌數量的43.1%，水災事故造成垮塌的大部分橋梁實際使用壽命遠低于設計使用壽命。

橋梁擴大基礎通常埋深較淺，在水流長期沖刷、侵蝕作用下，易發生沉降、局部掏空以及承載能力顯著下降等病害。橋梁基礎沖刷的測試方法主要有人工深度尺測深、聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）、雷達探測、FBG 傳感器測試與多波束探測[3]。人工深度尺測量基礎沖刷，所需儀器成本低，現場操作便捷，但測量方式為單點測深，無法進行橋梁基礎沖刷的細部分析。聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）的儀器成本高，且不適用于泥沙濃度含量高的水質條件。雷達探測的儀器成本高，掃描范圍小造成操作耗時，需專業人員判別電磁波反射圖像，多應用于不同地層識別[4]。FBG 傳感器測試需提前布置光柵傳感器，結合泥沙特性分析沖刷深度，現場測試成功率較低[5]。多波束探測系統通過換能器發射超聲脈沖，對橋梁基礎進行條帶式測深，檢測自動化程度和作業效率高。本文以某石拱橋為工程背景，分別通過人工深度尺測深和多波束探測對橋梁擴大基礎埋深及河床斷面進行檢測和對比，為后續橋梁基礎埋深檢測提供參考。

1 多波束探測原理及誤差消除措施

1.1 多波束探測原理

多波束探測系統包括無人船、動力系統、通信系統、數據采集系統和控制系統等，現場無人船采集數據見圖1，多波束測深原理及RTK 技術定位示意見圖2。多波束探測原理是利用超聲波在同一介質中均勻傳播的特性[6]，由換能器同時發射多個超聲脈沖，超聲脈沖遇到不同介質發生反射后被換能器接收，通過發射和接收超聲脈沖時間差計算測點水深值。不僅獲得檢測船下方的垂直深度，而且同時獲得與航行軌跡相垂直的多個水深值。

圖1 現場無人船采集數據

圖2 多波束測深原理及RTK 技術定位示意圖

設超聲脈沖在水中的傳播速度為v，換能器發射和接收超聲脈沖時間差為Δt，測深設備誤差修正系數為α，則換能器距測點對應河床的水深值h2為

實測GNSS 接收器至換能器的距離為h1，無人船上GNSS 接收器的高程為h4，無人船姿態修正參數為β，則無人船航行過程中測點對應河床高程值h為

1.2 多波束探測的誤差分析

多波束探測水深的系統性誤差主要來源于無人船姿態、潮汐、聲速、定位等方面[7]。無人船姿態主要包括縱搖、橫搖、艏向，姿態改變會引起測深點的水深誤差。無人船上搭載的姿態采集儀，通過實時射頻點對點通信方式，將姿態數據傳輸到控制端，由系統軟件對無人船采集的水深數據自動修正。本項目測試的橋梁所在河流為內陸河，潮汐作用較弱，因此不考慮潮汐造成的誤差。探測過程中，水體清澈、含鹽量低、無明顯泥沙，根據聲速- 水溫函數對聲速進行修正。

多波束探測系統進行橋梁基礎埋深檢測時，由于無人船姿態變化以及構筑物阻擋定位信號，造成平面位置誤差，導致多波束探測過程中“跳點”現象。基于網絡RTK 技術，通過無人船Trimble 板卡與網絡RTK 聯合作業，接收GNSS 衛星信號，將無人船的航行速度、位置、姿態等數據實時傳輸到岸基控制系統。預先設定航線可以在一定程度上固定無人船的航行速度和軌跡，避免人工操作導致航行速度、船體姿態不穩定，提高定位及測深數據的穩定性。

2 橋梁擴大基礎埋深檢測

2.1 工程概況

本項目橋梁共10 孔，單孔凈跨徑25.0 m，全長290.8 m，橋梁上部結構為上承式等截面懸鏈線空腹石拱橋，主墩、拱圈及腹拱圈采用巖石打磨后砌合而成，采用主墩支撐主拱圈，主拱圈通過立墻支撐腹拱圈的結構形式，橋墩臺采用漿砌塊石重力式墩臺，墩柱基礎采用單層或雙層式擴大基礎。該橋建造時間久遠，橋齡已達35 a，該橋基礎長期處于自然沖刷和局部沖刷作用下。

橋位處河床寬且平順，南岸河床表層為中等砂礫，經鉆探結果，巖層表面的高程在29.08 ～30.65 m之間，巖層屬紫紅色紅砂巖，走向平坦，所測橋梁結構立面照見圖3。

圖3 橋梁結構立面照

2.2 人工深度尺測深

應用人工深度尺測深時，將棱鏡固定在深度尺頂端，用于測點定位。以橋梁縱向走向為測量方向，通過全站儀建立坐標系。到達預定測深位置后固定船只，下放深度尺至橋梁基礎，待深度尺水準氣泡居中后，記錄水深值，同時全站儀測量測點坐標。

2.3 多波束探測

依據在河岸邊預先架設3 個GNSS 基站，接收定位信號，將差分數據發送至地面控制平臺，獲得測量區域的三維坐標。基于Auto Planner 設定無人船航行路線，無人船行駛過程中，其搭載的210°開角多波束實時探測水深，對水下地形進行條帶式測量。通過無線傳輸模塊傳輸數據，檢測人員在岸上觀察水深云圖，并在水深異常位置進行標記，無人船航線規劃及水深實時監測云圖見圖4。

圖4 無人船航線規劃及水深實時監測

3 試驗結果分析

采用人工深度尺測深時，每個橋墩測量四個側面，每個側面三個測點，選取最大水深測點換算出對應橋梁基礎高程。采用多波束探測時，掃描橋墩四個側面，拾取人工深度尺對應測點的橋梁基礎高程。利用人工深度尺和多波束探測的橋梁擴大基礎埋深數據見表1，基于多波束探測的河床斷面結果見圖5。

圖5 基于多波束探測的河床斷面結果圖

表1 橋梁擴大基礎埋深檢測結果表

從表1 中數據分析可知，相對于人工深度尺測深法，多波束探測法檢測數據的最大偏差為0.09 m，其中上游側最大偏差0.06 m，下游側最大偏差0.09 m，最大偏差小于0.10 m，表明多波束探測法對于橋梁擴大基礎埋深的檢測精度是滿足工程要求的。結合表中橋梁擴大基礎埋深的檢測數據分析，大部分多波束探測值高于人工深度尺測量值，這是由于超聲脈沖在橋梁基礎上方的軟弱淤泥表面發生反射，超聲脈沖未到達實際橋梁基礎，造成所測基礎高程偏大。因此當橋梁基礎被軟弱淤泥覆蓋時，應結合其它方法確定橋梁基礎埋深。

所測9 個墩柱基礎中，D02～D03、D08～D10 橋墩上層基礎均出現局部外露，其中D03、D09 和D10 橋墩基礎局部測點已接近下層基礎底面，表明該橋基礎沖刷較為嚴重。相對建橋時的河床斷面，K07～K10上下游的河床斷面沖刷深度較大，其中上游側最大沖刷深度7.17 m，下游側最大沖刷深度6.54 m，K01～K06 河床斷面沖刷深度較小。

4 結 論

（1）橋梁基礎埋深檢測是橋梁下部結構檢測的重要內容，利用多波束探測法可以對橋梁基礎進行條帶式檢測，具有較高的效率。

（2）相對于人工深度尺測深法，多波束探測法檢測數據的最大偏差0.09 m，表明多波束探測法對于橋梁基礎埋深的檢測精度是滿足工程要求的。

（3）當橋梁基礎被軟弱淤泥覆蓋時，多波束在橋梁基礎上方的軟弱淤泥表面發生反射，造成所測基礎高程偏大，應結合其它方法確定橋梁基礎埋深。

（4）基于網絡RTK 技術解決了無人船受構筑物影響丟失定位信號，減少多波束探測數據的“跳點”現象；預設航行路線并固定無人船行駛速度，增大了無人船航行穩定性，提高了測深數據的準確性。