T50R型多波束在橋梁基礎(chǔ)沖刷中的應(yīng)用

夏開(kāi)奇，鐘銳

（武漢長(zhǎng)江航道救助打撈局，湖北 武漢 430014）

1 緒論

目前，我國(guó)公路橋梁總數(shù)接近80 萬(wàn)座，其中大橋、特大橋?qū)⒔? 萬(wàn)座，橋梁數(shù)目和規(guī)模均居世界之首。與此同時(shí)，我國(guó)路網(wǎng)中步入維修期的在役橋梁日漸增多，有超過(guò)10 萬(wàn)座橋梁為危橋，橋梁垮塌事故時(shí)有發(fā)生。這些跨江河橋梁，由于水流沖刷作用，常會(huì)造成樁基縮頸、河床沖刷等病害，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，逐漸引起行業(yè)重視；橋墩沖刷及其對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)的影響逐步成為橋梁檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。多波束在航道整治工程地形掃測(cè)中效果良好，本次探索性的將T50R 型多波束運(yùn)用在橋區(qū)地形掃測(cè)中，研究其在橋梁基礎(chǔ)沖刷中的應(yīng)用效果。

2 T50R 型多波束測(cè)深系統(tǒng)的基本原理

2.1 工作原理

T50R 型多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線(xiàn)一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)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(cè)深系統(tǒng)能夠有效探測(cè)水下地形，得到高精度的三維地形圖。

T50R 型多波束探測(cè)系統(tǒng)是Teledyne RESON 公司研發(fā)制造，RESON T50 是一款可高度集成的多波束測(cè)量系統(tǒng)，安裝方便、操作易用，主要技術(shù)規(guī)格：

（1）具備CW 和FM 調(diào)頻功能；

（2）工作頻率200 到400kHz，工作頻率實(shí)時(shí)在線(xiàn)以10kHz 為步階可調(diào)；

（3）量程分辨率：1.25cm；

（4）發(fā)射和接收波束角：發(fā)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(shí)間同步、傳感器接入、SUI 控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等；

（6）系統(tǒng)量程最大575 米，最小1 米；

（7）波束數(shù)目達(dá)到256 個(gè)；

（8）獨(dú)立探頭開(kāi)角165°，雙探頭覆蓋大于17 倍水深。

2.2 系統(tǒng)組成

T50R 型多波束測(cè)深系統(tǒng)可以劃分為甲板部分、水下部分，主要包括慣導(dǎo)系統(tǒng)、RSP 機(jī)柜式甲板單元、水下?lián)Q能器雙探頭、表面聲速儀、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站、數(shù)據(jù)后處理工作站及顯示等配套設(shè)備，如圖1。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成

T50R 型多波束探測(cè)系統(tǒng)相較于常規(guī)多波束的突出特點(diǎn)是雙探頭，具有掃幅寬，掃測(cè)效率高的特點(diǎn)。

3 T50R 型多波束掃測(cè)橋區(qū)地形實(shí)施流程

圖2 掃測(cè)流程圖

3.1 多波束探測(cè)系統(tǒng)的安裝

以檢測(cè)船為多波束探測(cè)系統(tǒng)的載體，安裝多波束系統(tǒng)水下發(fā)射及接受換能器，表面聲速探頭、固定羅經(jīng)、三維運(yùn)動(dòng)傳感器及RTK 流動(dòng)站，各項(xiàng)安裝須確保設(shè)備與船體搖晃一致。

3.2 定位坐標(biāo)系的測(cè)量與轉(zhuǎn)換

本次多波束探測(cè)系統(tǒng)作業(yè)采用了網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)提供定位參數(shù)，將本次測(cè)量的過(guò)程中的控制坐標(biāo)與采集坐標(biāo)進(jìn)行校核，確保地形掃測(cè)精度。

3.3 船體各傳感器相對(duì)位置的測(cè)量

船體坐標(biāo)系統(tǒng)定義船右舷方向?yàn)閄 軸正方向，船頭方向?yàn)閅 軸正方向，垂直向上為Z 軸正方向。分別量取RTK 天線(xiàn)、定位羅經(jīng)天線(xiàn)、接受換能器相對(duì)于參考點(diǎn)（三維運(yùn)動(dòng)傳感器中心點(diǎn)）的位置關(guān)系，往返各量一次，取其平均值。

3.4 多波束系統(tǒng)水下探測(cè)作業(yè)

在橋中線(xiàn)上下游各100 米的測(cè)量船可到達(dá)范圍內(nèi)進(jìn)行水下地形掃測(cè)，相鄰側(cè)線(xiàn)覆蓋重合范圍不小于20%，測(cè)線(xiàn)布設(shè)如下圖3。

圖3 橋區(qū)掃測(cè)測(cè)線(xiàn)布設(shè)

為進(jìn)一步提高水下探測(cè)成果的可靠度，在作業(yè)過(guò)程中，須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適時(shí)進(jìn)行聲速剖面的測(cè)量，且兩相鄰聲速剖面采集時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)6 小時(shí)。

3.5 數(shù)據(jù)處理

多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用PDS2000 數(shù)據(jù)采集軟件以及CARIS HIPS and SIPS 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后處理軟件共同進(jìn)行，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理主要包括：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的姿態(tài)校正處理、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)噪音干擾預(yù)處理、各條測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合并。完成數(shù)據(jù)合并后，對(duì)得到的水深及位置進(jìn)行精細(xì)處理，其主要內(nèi)容是對(duì)兩條相鄰測(cè)線(xiàn)重疊覆蓋范圍的噪音干擾逐一進(jìn)行篩選，刪除，以保留高精度的水深數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4，圖中灰色陰影即為刪除的噪音干擾，最后，繪制等深線(xiàn)圖以及典型測(cè)線(xiàn)地貌圖。

圖4 多波束實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)典型剖面噪聲干擾剔除示意圖

3.6 成果輸出

多波束測(cè)量及數(shù)據(jù)處理步驟完成后，繪制出等深線(xiàn)圖以及典型測(cè)線(xiàn)地貌圖，輸出地形掃測(cè)成果和河床斷面測(cè)量成果，同時(shí)采用BIM 融合技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)二次處理展示三維地形。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 檢測(cè)區(qū)域概況

長(zhǎng)江上某橋全橋長(zhǎng)3900m 左右，橋?qū)?9.4m,正橋17 個(gè)橋墩基礎(chǔ)，主塔基礎(chǔ)施工使用大直徑雙壁鋼圍堰，在軟硬不均的膠結(jié)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(dá)27m)的施工技術(shù)。該橋設(shè)計(jì)流量每日5 萬(wàn)輛，而現(xiàn)在日均交通流量已達(dá)11 萬(wàn)輛，最高峰達(dá)14 萬(wàn)輛。對(duì)于促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的經(jīng)濟(jì)繁榮，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)意義。故需對(duì)橋梁水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)，以全面了解橋梁現(xiàn)狀、保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，本次主要對(duì)橋墩區(qū)域上下游各25m 范圍進(jìn)行了掃測(cè)。

4.2 掃測(cè)數(shù)據(jù)分析

本次檢測(cè)采用測(cè)量船搭載多波束探測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋區(qū)上游25 米下游25 米進(jìn)行水下地形全覆蓋檢測(cè)，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，進(jìn)行噪點(diǎn)剔除，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，模型修補(bǔ)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(chǔ)，與三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合（圖5），為完成水下綜合探查成果綜合分析提供依據(jù)。

圖5 多波束掃測(cè)三維效果圖

在獲取地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，將三維電云模型使用處理軟件sufer 進(jìn)行對(duì)該地形生成等值線(xiàn)圖6。

圖6 橋區(qū)地形等值線(xiàn)圖

4.3 河床斷面測(cè)量成果分析

獲取多波束點(diǎn)云地形圖后，通過(guò)截取不同斷面的河床，可以得到河床斷面圖，根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）第5.2.4 條要求，在橋中軸線(xiàn)及橋梁上下游各25m 位置測(cè)得斷面數(shù)據(jù)并繪制斷面圖。

圖7 河床斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖8 縱向河床測(cè)線(xiàn)分布圖

通過(guò)斷面圖能夠清晰的看到地形的起伏情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)沖刷和淤積區(qū)域，為后一步詳細(xì)分析提供初步依據(jù)。

4.4 橋墩區(qū)域分析

重點(diǎn)對(duì)每個(gè)橋墩區(qū)域的地形進(jìn)行渲染，對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可直觀判斷出有無(wú)沖刷及堆積區(qū)域，并可以對(duì)沖刷區(qū)域的尺寸以及深度進(jìn)行量測(cè)分析，為后續(xù)橋梁的維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

圖9 重點(diǎn)區(qū)域沖刷分析圖

通過(guò)工程實(shí)例，研究發(fā)現(xiàn)T50R 型多波束在橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測(cè)中具有如下優(yōu)勢(shì)：①T50R 型多波束具有雙探頭，掃測(cè)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(guò)斷面圖能夠清晰的看到地形的起伏情況，發(fā)現(xiàn)沖刷和淤積區(qū)域；④可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域沖刷或者淤積的尺寸以及深度進(jìn)行量測(cè)分析。

5 結(jié)語(yǔ)

T50R 型多波束能夠快速獲取橋梁基礎(chǔ)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(xiàn)圖以及典型測(cè)線(xiàn)地貌圖，輸出地形掃測(cè)成果和河床斷面測(cè)量成果，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域可進(jìn)行沖刷區(qū)域的尺寸以及深度進(jìn)行量測(cè)分析，使橋梁維護(hù)更具有針對(duì)性和可操作性。