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    基于地質雷達和多波束聲納對橋梁水下基礎檢測方法研究
    2023-01-09 來源:養護與管理 作者:唐堂 劉文興 王磊

      四川省山區橋梁受2008年汶川“5.12”地震和2013年雅安蘆山“4.20”地震后,山坡土質松軟,在暴雨時導致山區發生超大洪水和泥石流,沖刷橋梁,加之部分地區受早期河床采砂的影響,河流環境部問題,橋梁沖刷情況越來越嚴重。近年以來四川省各地市州遭受了特大洪水的襲擊,很多既有橋梁基礎受洪水的沖刷,部分橋梁發生的變形,甚至垮塌。由于洪水沖刷發生垮塌的橋梁有:綿陽市江油盤江大橋(圖1)、成都市彭州市川西大橋(圖2)、德陽市綿竹市綿遠河大橋(圖3)和興隆拱星大橋(圖4)。因此,加強對橋梁下部結構的檢測,是確保橋梁安全的必要保證。

      地質雷達和多波束聲納是檢測橋梁水下基礎技術狀況的一種全新的測試方法。為對橋梁水下基礎外觀狀況、沖刷情況和河床地形地貌情況進行全面檢測,常規采用探桿探測、聲吶檢測等方法。與傳統測試方法比較,地質雷達法和多波束聲納測試具有準確、穩定、測試效率高等特點,目前兩種方法匯總見表1。本文結合實際工程檢測實例,采用地質雷達和多波束聲納對橋梁基礎進行檢測,測試河床斷面和地基沖刷情況,分析判斷橋墩基礎的安全狀態。

      2 地質雷達和多波束測量原理

      2.1地質雷達測試原理

      地質雷達(GPR)利用主頻為數十兆赫茲至千兆赫茲波段的電磁波,以寬頻帶短脈沖形式,由探測面通過天線發射器(T)發送至被檢測體,該脈沖在檢測體中傳播時,若遇到介質界面、目的體或局部介質不均勻體,探測脈沖能量便被部分反射或散射回探測面,為雷達天線接收器(R)接收。當電磁波在介質中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁性質及空間形態而變化,因此,根據接收到電磁波的旅行時間、幅度與波形資料,可推斷介質的性質及空間形態。

      通常河床結構型式如下:上面為水面,下層為沉積層,最下面為河床基巖。由于水面、沉積層、河床基巖的介電常數不同,電磁波在介質內部及不同介質界面上將會產生直達波、反射波及透射波。各個界面的深度利用公式1即可求出,其中V既可通過理論公式(公式2)及表1計算確定,亦可通過孔取芯標定來確定,

      直接從雷達時間剖面上依據同相軸的連續性判讀。

      2.2多波束測試原理

      多波束三維聲吶成像原理是由發射換能器陣列向河床或目標區域發射一個垂直于航跡的扇形波束,接收換能器陣列接收目標區域回波信號,沿著與航跡垂直的方向形成幾十個或幾百個窄波束,獲得距離和相位差等關鍵參數,經過數字信號處理,進一步獲取水下結構的空間坐標和圖像信息。距離的計算公式為:

      3 實橋測試及分析

      3.1工程概況

      為了評估地質雷達和多波束檢測橋梁下部結構的實際效果,選擇位于淮口大橋作為工程對象?;纯诖髽蛭挥诮鹛每h淮口鎮城區,跨越沱江,橋梁全長330.0m,橋面總寬12.5m,橋跨布置為(1×6+11×25+1×6m)圬工拱橋。橫向布置:[2.5m(護欄+人行道)+7.5m(行車道)+2.5m(護欄+人行道)]=12.5m。橋面采用瀝青混凝土,全橋設置12道伸縮縫,護欄為鋼筋混凝土護欄?;纯诖髽蛭挥诨纯趫鲦傂?、老城區的結合部,跨越沱江,也是金堂縣連接樂至等地的交通主干線?;纯诖髽蚴?973年5月建成。該橋址區域位于沱江上游,屬構造剝蝕丘陵地形和侵蝕堆積河谷地形,以侵蝕堆積河谷地形為主要特點,為河床相砂、卵、礫石單層構造,橋址處河床較寬約300m。

      3.2 雷達檢測及結果

      本次雷達檢測采用瑞典RAMAC/GPR探地雷達X3M主機、100MHz屏蔽天線和GV采集軟件。檢測時的橋梁河床水深最大為5m左右,在開展檢測前,檢測單位采用傳統的探桿檢測進行試驗,以確定檢測用的天線及采集參數,同時驗證地質雷達檢測方法的準確性。經過試驗分析并結合工作要求,最后確定使用100MHz屏蔽天線進行橋梁沖刷檢測,采集參數為時窗23ns,采樣點數450,采樣頻率19817MHz,1次疊加。橋梁上下游各布置一條測線,點距為0.05m(以測距輪進行控制),天線距固定為0.1m。采集天線放置在橡皮艇中(圖8),并以勻速通過河床進行剖面法(即發射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式)檢測。

      經過現場檢測,100MHz天線時間剖面圖上可清晰地分辨出水面與河床沉降層的反射波同相軸和河床沉積層與河床基巖間的反射圖像,橋梁地質雷達側線測試河床輪廓線圖見圖7。通過地質雷達測試的河床輪廓線圖可以得出,橋梁河床斷面起伏變化較大,河流中部的4#橋墩~6#橋墩基礎局部沖刷明顯。

      3.3 多波束聲納檢測及結果

      美國R2SONIC公司的第五代寬帶高分辨率淺水多波束聲吶探頭SONIC2020;姿態羅經傳感器為R2SONIC公司的I2NS姿態傳感器&慣導;中海達RTK F61;AML公司表面聲速探頭MicroX和聲速剖面探頭Minos;采集軟件為杭州邊界電子的海測大師;此次采集的數據使用caris后處理軟件進行后期處理。后處理的目的:1、消除定位設備與多波束由于安裝位置不一致導致的水深點位置偏差;2、消除由于姿態儀與多播束安裝姿態不重合導致的水深點位置偏差;3、消除由于數據傳輸延遲導致的數據錯位,數據錯位同樣會造成水深點位置錯誤和水深值偏差;4、聲速改正;5、潮位改正;6、刪除噪聲點使生成的地貌圖像更加清晰真實;7、生成不同坐標系下的三維點云數據,生成視頻或者等最終成果。

      利用多波束探測儀,繪制該橋址附近河床三維地形圖,見圖7。由圖7可看出:北面河床整體高于南面河床,下游河床局部較低,個別橋墩附近存在局部沖刷現象。特別是3#橋墩、4#橋墩、5#橋墩和6#橋墩局部沖刷明顯。通過對淮口大橋橋墩周圍局部河床的檢測結果表明:河床底與拱腳處最大高差為10.0m,位于6#墩下游側處;河床斷面各墩上下游差值最大為1.1m,位于6#墩附近處。

      橋墩附近河床三維數據分析多波束測試系統掃測該橋主墩底部發現,4#橋墩附近河床局部沖刷情況較嚴重,以該墩基礎為中心,在基礎周圍形成一個圓形沖刷坑,沖刷坑半徑為3.5 m,較周邊河床該沖刷坑最大深度為1.6m,沖刷坑面積約為5.6m2,見圖10。初步分析原因為:①、河床輪廓線變化其部分原因是由于河床自然演變沖刷導致的。②、橋墩處局部沖刷嚴重,表現為橋墩處沖刷線相對河床輪廓線普遍降低,同時下游測沖刷深度相對上游側低。

      4 結論

      在本文中采用地質雷達和多波束聲納綜合檢測橋梁水下基礎技術狀況,分析了檢測方法的原理,并結合的工程實例進行驗證,可以得出:

      (1) 相對傳統人工檢測橋梁基礎沖刷,采用地質雷達和多波束聲納綜合檢測橋梁水下基礎具有精度高、影像直觀、速度快、野外工作靈活等優點。

      (2 )通過對成都金堂淮口大橋橋梁基礎檢測結果表明,基于地質雷達和多波束聲納綜合檢測橋梁墩臺對橋梁水下基礎外觀狀況、沖刷情況和河床地形地貌情況是有效可行的,對同類橋梁基礎檢測具有指導作用。

      作者:唐堂 劉文興 王磊四川華騰公路試驗檢測有限責任公司



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