三维声呐在桥梁检测中应用

我国桥梁水下检测现状

   既有桥墩基础的冲刷毁坏一直被认为是桥梁失事的重要原因，也是我国水中桥梁检测的盲点。美国桥梁在 20 世纪 70 年代开始进行桥梁水下检测，并且在规范中对水下检测有明确的要求。而我国公路桥梁检测的现行相关规范没有规定水下检测的内容，国内水下桥梁检测目前处于探索阶段。有些检测单位采用潜水员或水下机器人携带视频系统对水下桥梁检测，由于受水质浑浊、结构物表面附着物等因素影响效果不甚理想。随着声呐技术的发展和应用，尤其是三维多波束实时声呐成像技术的发展，国内相关单位也在陆续开展桥梁水下桥墩、基础以及河床冲刷的检测。

典型三维声呐检测产品

   3DEchoscope 系统由英国 CodaOctopus 公司研制，是目前国际最先进的一款三维多波束实时声呐观测系统。该系统主要硬件设备包括 : Echoscope 多波束探头及控制盒，每秒更新 12 次的“面状”真三维模型数据； F180 系统，配有 GNSS 辅助定位及 Octans 惯性姿态传感器，实现精确的位置、艏向、垂荡和横摇测量 ;RTK-GPS 系统，实时提供厘米级定位精度的测量数据修正；采集电脑电源系统及安装设备等。

软件系统为 Underwater Survey Explorer 集数据采集、处理以及显示一体化，采用最先进的软件开发技术和获专利的绘制算法，能够通过三维点云数据模式再现高清晰度水下场景。

   3DEchoscope 系统的工作原理相对于传统的多波束探测声呐来说，是将狭窄的“条带状 " 跨轨探测信号及数据拼接模式，升级为一个特定体积的“面状”脉冲信号并进行数据拼接，单次声呐信号脉冲条带一般为 50 ° ×50 °的面状区域 ( 图 1) 。 F180 系统能够对探测船只进行精确的位置、艏向、垂荡、纵摇和横摇测量，实时记录探测船只航迹和摇摆姿态信息，对每一 - 条声呐信号探测得到的目标物深度及位置信息进行实时修正，同时基于 RTK-GPS 系统高精度的定位数据修正，让探测数据实现精准拼接并反映出测区的水底环境全貌。

图 1   三维多波束实时声呐系统面状测试方式

   因此， 3DEchoscope 系统可以有效的避免在高水流作业环境下，由于突发性船只大幅度方向偏移、倾斜造成条带区域信号缺失或失真，而形成的数据拼接盲区或错误。

    3D Echoscope  系统采用单次高密集的水深探测数据借助高速的数据传输及处理方式，使每一频次探测到得被测物体回声能实时生成三维点云图像，随着声波数据传输的更新，三维图像每秒可更新 12 次。通过 3D  跟踪及成像为水下作业提供实时监测，能对水下环境进行大面积扫描，且各频次的图像的显示并不会出现覆盖，而是实现瞬时拼接让整个场景实时地可视化显示出来。同时，在对水下目标进行探测时，可根据探测的需求将所有多波束点 聚焦在目标上，系统会根据目标物的大小及距离探头的远近在保持波束数量不变的情况下自动选择最佳的声学频率和声波脉冲的视场角，提高对目标物的分辨及识别能力。

实桥检测中应用

  某桥长 351.74m ，桥梁于 1959 年建成通车，桥址处江面狭窄。常水位时，河水面宽约 260m ，水深约 10m ，河床有 4~7.3m 厚的砂夹卵石覆盖层，下为灰色砂岩，高水位时流速达 4m/s ，对河床冲刷严重。全桥共 10 个墩台，将原设计的 5# 墩、 6# 墩、 7# 墩的沉箱基础改为管柱基础，由左岸至右岸方向分布于主河道中，管柱基础为在卵石层中下沉管柱的直径为 1.55m ，每个桥墩设有 9 根管柱，管柱长度为 3~9m ，均嵌入砂岩岩层以下。

   本桥采用3D Echoscope系统分别对5#墩、6#墩、7#墩基础及附近河床冲刷情况进行检测，利用专用分析软件进行数据的处理和分析，生成三维点云图像。其中1个桥墩位置处三维点云图像见图2，对桥梁检测提取河床断面冲刷状况见图3。

图2 某桥墩三维点云图

图 3  现地形线与原河床地形线对比图

   将声呐剖面的河床地形与原设计时的河床地形及基岩面进行对比发现，河床覆盖层主要以桥墩四周冲刷最为严重。其中， 7 #墩周围覆盖层被冲蚀露出基岩面， 6 #墩、 7 #墩桥墩之间的河床覆盖层存在一定的冲刷情况，最大冲刷深度约 1.7m ； 5 #墩、 6 #墩间的河床靠近左岸一侧存在少量淤积，淤积厚度约 0.4m 。

声呐在桥梁检测展望

1.国家应重视桥梁水下检测

    水下桥梁尤其是在常年有水桥梁，且流速较大的桥梁，河床断面的冲刷以及墩台周围冲蚀淘空是影响桥梁结构安全的重要因素。目前我国规范对水下检测并没有相关规定，因此水下检测对于桥梁安全运营应给予充分的重视。图4为某桥在洪水过后墩柱及基础冲刷情况，该桥在洪水退后进行了加固处理。如果在桥梁基础一直在水下，若冲刷严重不进行检测，将会危及桥梁安全运营。

图4 某桥在洪水过后基础冲刷及缺陷

2.声呐是桥梁水下检测的有效技术措施

   目前桥梁水下检测主要通过潜水员或潜水员携带视频设备进行检测、水下激光三维成像以及声呐检测等技术措施。视频和水下激光检测由于受水下环境影响，检测效果不甚理想。由于声波在水中传播特点决定了声呐在水下检测的技术优势。

3.三维声呐在桥梁结构检测中可以检测项目

    三维声呐相比侧扫声呐、多波束声呐声呐能实现水下结构三维成像，进行水下地貌、结构三维点云成像。根据其特点目前可以实现的检测项目主要是河床冲刷、水下基础周围冲蚀、淘空等评估，此外可以进行水下结构大的缺损，如桥梁墩台基础混凝土冲刷、剥落、基础外观缺陷等。但对于水下桥梁结构裂缝类的病害由于成像分辨率和精度等限制，目前还难以进行测量检测。