T50R型多波束在橋梁基礎沖刷中的應用

夏開奇，鐘銳

（武漢長江航道救助打撈局，湖北 武漢 430014）

1 緒論

目前，我國公路橋梁總數接近80 萬座，其中大橋、特大橋將近9 萬座，橋梁數目和規模均居世界之首。與此同時，我國路網中步入維修期的在役橋梁日漸增多，有超過10 萬座橋梁為危橋，橋梁垮塌事故時有發生。這些跨江河橋梁，由于水流沖刷作用，常會造成樁基縮頸、河床沖刷等病害，嚴重影響橋梁結構安全，逐漸引起行業重視；橋墩沖刷及其對橋梁安全運營的影響逐步成為橋梁檢測和養護領域的研究熱點和難點。多波束在航道整治工程地形掃測中效果良好，本次探索性的將T50R 型多波束運用在橋區地形掃測中，研究其在橋梁基礎沖刷中的應用效果。

2 T50R 型多波束測深系統的基本原理

2.1 工作原理

T50R 型多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。多波束測深系統能夠有效探測水下地形，得到高精度的三維地形圖。

T50R 型多波束探測系統是Teledyne RESON 公司研發制造，RESON T50 是一款可高度集成的多波束測量系統，安裝方便、操作易用，主要技術規格：

（1）具備CW 和FM 調頻功能；

（2）工作頻率200 到400kHz，工作頻率實時在線以10kHz 為步階可調；

（3）量程分辨率：1.25cm；

（4）發射和接收波束角：發射波束角1.0°，接收波束角0.5°；

（5）RSP 甲板單元，支持雙探頭工作，用于支持時間同步、傳感器接入、SUI 控制和數據存儲等；

（6）系統量程最大575 米，最小1 米；

（7）波束數目達到256 個；

（8）獨立探頭開角165°，雙探頭覆蓋大于17 倍水深。

2.2 系統組成

T50R 型多波束測深系統可以劃分為甲板部分、水下部分，主要包括慣導系統、RSP 機柜式甲板單元、水下換能器雙探頭、表面聲速儀、聲速剖面儀、數據采集工作站、數據后處理工作站及顯示等配套設備，如圖1。

圖1 多波束測深系統組成

T50R 型多波束探測系統相較于常規多波束的突出特點是雙探頭，具有掃幅寬，掃測效率高的特點。

3 T50R 型多波束掃測橋區地形實施流程

圖2 掃測流程圖

3.1 多波束探測系統的安裝

以檢測船為多波束探測系統的載體，安裝多波束系統水下發射及接受換能器，表面聲速探頭、固定羅經、三維運動傳感器及RTK 流動站，各項安裝須確保設備與船體搖晃一致。

3.2 定位坐標系的測量與轉換

本次多波束探測系統作業采用了網絡RTK 技術提供定位參數，將本次測量的過程中的控制坐標與采集坐標進行校核，確保地形掃測精度。

3.3 船體各傳感器相對位置的測量

船體坐標系統定義船右舷方向為X 軸正方向，船頭方向為Y 軸正方向，垂直向上為Z 軸正方向。分別量取RTK 天線、定位羅經天線、接受換能器相對于參考點（三維運動傳感器中心點）的位置關系，往返各量一次，取其平均值。

3.4 多波束系統水下探測作業

在橋中線上下游各100 米的測量船可到達范圍內進行水下地形掃測，相鄰側線覆蓋重合范圍不小于20%，測線布設如下圖3。

圖3 橋區掃測測線布設

為進一步提高水下探測成果的可靠度，在作業過程中，須根據現場條件適時進行聲速剖面的測量，且兩相鄰聲速剖面采集時間間隔不應超過6 小時。

3.5 數據處理

多波束內業數據處理采用PDS2000 數據采集軟件以及CARIS HIPS and SIPS 實測數據后處理軟件共同進行，實測數據的處理主要包括：實測數據的姿態校正處理、實測數據噪音干擾預處理、各條測線實測數據合并。完成數據合并后，對得到的水深及位置進行精細處理，其主要內容是對兩條相鄰測線重疊覆蓋范圍的噪音干擾逐一進行篩選，刪除，以保留高精度的水深數據，見圖4，圖中灰色陰影即為刪除的噪音干擾，最后，繪制等深線圖以及典型測線地貌圖。

圖4 多波束實測數據典型剖面噪聲干擾剔除示意圖

3.6 成果輸出

多波束測量及數據處理步驟完成后，繪制出等深線圖以及典型測線地貌圖，輸出地形掃測成果和河床斷面測量成果，同時采用BIM 融合技術對數據二次處理展示三維地形。

4 應用實例

4.1 檢測區域概況

長江上某橋全橋長3900m 左右，橋寬29.4m,正橋17 個橋墩基礎，主塔基礎施工使用大直徑雙壁鋼圍堰，在軟硬不均的膠結礫石地基中成功地采用了直徑2.5m深水鉆孔樁(嵌入巖層深達27m)的施工技術。該橋設計流量每日5 萬輛，而現在日均交通流量已達11 萬輛，最高峰達14 萬輛。對于促進長江經濟帶的經濟繁榮，加快經濟發展，具有極為重要的現實意義和深遠意義。故需對橋梁水下結構進行專項檢測，以全面了解橋梁現狀、保證橋梁結構安全，本次主要對橋墩區域上下游各25m 范圍進行了掃測。

4.2 掃測數據分析

本次檢測采用測量船搭載多波束探測系統對橋區上游25 米下游25 米進行水下地形全覆蓋檢測，得到點云數據后，進行噪點剔除，坐標系轉換，模型修補等措施以后，能得到較為直觀的三維地形圖，并建立橋梁的三維模型，以該模型為基礎，與三維點云數據融合（圖5），為完成水下綜合探查成果綜合分析提供依據。

圖5 多波束掃測三維效果圖

在獲取地形點云數據之后，將三維電云模型使用處理軟件sufer 進行對該地形生成等值線圖6。

圖6 橋區地形等值線圖

4.3 河床斷面測量成果分析

獲取多波束點云地形圖后，通過截取不同斷面的河床，可以得到河床斷面圖，根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》（CJJ/T 233-2015）第5.2.4 條要求，在橋中軸線及橋梁上下游各25m 位置測得斷面數據并繪制斷面圖。

圖7 河床斷面測點布置示意圖

圖8 縱向河床測線分布圖

通過斷面圖能夠清晰的看到地形的起伏情況，及時發現沖刷和淤積區域，為后一步詳細分析提供初步依據。

4.4 橋墩區域分析

重點對每個橋墩區域的地形進行渲染，對地形數據進行分析，可直觀判斷出有無沖刷及堆積區域，并可以對沖刷區域的尺寸以及深度進行量測分析，為后續橋梁的維護提供數據支持。

圖9 重點區域沖刷分析圖

通過工程實例，研究發現T50R 型多波束在橋梁基礎沖刷檢測中具有如下優勢：①T50R 型多波束具有雙探頭，掃測效率高、精度高、分辨率高；②能得到較為直觀的三維地形圖，并建立橋梁的三維模型；③通過斷面圖能夠清晰的看到地形的起伏情況，發現沖刷和淤積區域；④可以對重點區域沖刷或者淤積的尺寸以及深度進行量測分析。

5 結語

T50R 型多波束能夠快速獲取橋梁基礎附近的水下地形地貌，獲得高精度的三維地形圖并繪制等深線圖以及典型測線地貌圖，輸出地形掃測成果和河床斷面測量成果，對重點區域可進行沖刷區域的尺寸以及深度進行量測分析，使橋梁維護更具有針對性和可操作性。