基于地质雷达和多波束声纳对桥梁水下基础检测方法研究
四川省山区桥梁受2008年汶川“5.12”地震和2013年雅安芦山“4.20”地震后，山坡土质松软，在暴雨时导致山区发生超大洪水和泥石流，冲刷桥梁，加之部分地区受早期河床采砂的影响，河流环境部问题，桥梁冲刷情况越来越严重。近年以来四川省各地市州遭受了特大洪水的袭击，很多既有桥梁基础受洪水的冲刷，部分桥梁发生的变形，甚至垮塌。由于洪水冲刷发生垮塌的桥梁有：绵阳市江油盘江大桥（图1）、成都市彭州市川西大桥（图2）、德阳市绵竹市绵远河大桥（图3）和兴隆拱星大桥（图4）。因此，加强对桥梁下部结构的检测，是确保桥梁安全的必要保证。
地质雷达和多波束声纳是检测桥梁水下基础技术状况的一种全新的测试方法。为对桥梁水下基础外观状况、冲刷情况和河床地形地貌情况进行全面检测，常规采用探杆探测、声呐检测等方法。与传统测试方法比较，地质雷达法和多波束声纳测试具有准确、稳定、测试效率高等特点，目前两种方法汇总见表1。本文结合实际工程检测实例，采用地质雷达和多波束声纳对桥梁基础进行检测，测试河床断面和地基冲刷情况，分析判断桥墩基础的安全状态。
2 地质雷达和多波束测量原理
2.1地质雷达测试原理
地质雷达（GPR）利用主频为数十兆赫兹至千兆赫兹波段的电磁波，以宽频带短脉冲形式，由探测面通过天线发射器（T）发送至被检测体，该脉冲在检测体中传播时，若遇到介质界面、目的体或局部介质不均匀体，探测脉冲能量便被部分反射或散射回探测面，为雷达天线接收器（R）接收。当电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及空间形态而变化，因此，根据接收到电磁波的旅行时间、幅度与波形资料，可推断介质的性质及空间形态。
通常河床结构型式如下：上面为水面，下层为沉积层，最下面为河床基岩。由于水面、沉积层、河床基岩的介电常数不同，电磁波在介质内部及不同介质界面上将会产生直达波、反射波及透射波。各个界面的深度利用公式1即可求出，其中V既可通过理论公式(公式2)及表1计算确定，亦可通过孔取芯标定来确定，
直接从雷达时间剖面上依据同相轴的连续性判读。
2.2多波束测试原理
多波束三维声呐成像原理是由发射换能器阵列向河床或目标区域发射一个垂直于航迹的扇形波束，接收换能器阵列接收目标区域回波信号，沿着与航迹垂直的方向形成几十个或几百个窄波束，获得距离和相位差等关键参数，经过数字信号处理，进一步获取水下结构的空间坐标和图像信息。距离的计算公式为：
3 实桥测试及分析
3.1工程概况
为了评估地质雷达和多波束检测桥梁下部结构的实际效果，选择位于淮口大桥作为工程对象。淮口大桥位于金堂县淮口镇城区，跨越沱江，桥梁全长330.0m，桥面总宽12.5m，桥跨布置为（1×6+11×25+1×6m）圬工拱桥。横向布置：[2.5m（护栏+人行道）+7.5m（行车道）+2.5m（护栏+人行道）]=12.5m。桥面采用沥青混凝土，全桥设置12道伸缩缝，护栏为钢筋混凝土护栏。淮口大桥位于淮口场镇新、老城区的结合部，跨越沱江，也是金堂县连接乐至等地的交通主干线。淮口大桥是1973年5月建成。该桥址区域位于沱江上游，属构造剥蚀丘陵地形和侵蚀堆积河谷地形，以侵蚀堆积河谷地形为主要特点，为河床相砂、卵、砾石单层构造，桥址处河床较宽约300m。
3.2 雷达检测及结果
本次雷达检测采用瑞典RAMAC/GPR探地雷达X3M主机、100MHz屏蔽天线和GV采集软件。检测时的桥梁河床水深最大为5m左右，在开展检测前，检测单位采用传统的探杆检测进行试验，以确定检测用的天线及采集参数，同时验证地质雷达检测方法的准确性。经过试验分析并结合工作要求，最后确定使用100MHz屏蔽天线进行桥梁冲刷检测，采集参数为时窗23ns，采样点数450，采样频率19817MHz，1次叠加。桥梁上下游各布置一条测线，点距为0.05m(以测距轮进行控制)，天线距固定为0.1m。采集天线放置在橡皮艇中(图8)，并以匀速通过河床进行剖面法(即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式)检测。
经过现场检测，100MHz天线时间剖面图上可清晰地分辨出水面与河床沉降层的反射波同相轴和河床沉积层与河床基岩间的反射图像，桥梁地质雷达侧线测试河床轮廓线图见图7。通过地质雷达测试的河床轮廓线图可以得出，桥梁河床断面起伏变化较大，河流中部的4#桥墩~6#桥墩基础局部冲刷明显。
3.3 多波束声纳检测及结果
美国R2SONIC公司的第五代宽带高分辨率浅水多波束声呐探头SONIC2020；姿态罗经传感器为R2SONIC公司的I2NS姿态传感器&惯导；中海达RTK F61；AML公司表面声速探头MicroX和声速剖面探头Minos；采集软件为杭州边界电子的海测大师；此次采集的数据使用caris后处理软件进行后期处理。后处理的目的：1、消除定位设备与多波束由于安装位置不一致导致的水深点位置偏差；2、消除由于姿态仪与多播束安装姿态不重合导致的水深点位置偏差；3、消除由于数据传输延迟导致的数据错位，数据错位同样会造成水深点位置错误和水深值偏差；4、声速改正；5、潮位改正；6、删除噪声点使生成的地貌图像更加清晰真实；7、生成不同坐标系下的三维点云数据，生成视频或者等最终成果。
利用多波束探测仪，绘制该桥址附近河床三维地形图，见图7。由图7可看出：北面河床整体高于南面河床，下游河床局部较低，个别桥墩附近存在局部冲刷现象。特别是3#桥墩、4#桥墩、5#桥墩和6#桥墩局部冲刷明显。通过对淮口大桥桥墩周围局部河床的检测结果表明：河床底与拱脚处最大高差为10.0m，位于6#墩下游侧处；河床断面各墩上下游差值最大为1.1m，位于6#墩附近处。
桥墩附近河床三维数据分析多波束测试系统扫测该桥主墩底部发现，4#桥墩附近河床局部冲刷情况较严重，以该墩基础为中心，在基础周围形成一个圆形冲刷坑，冲刷坑半径为3.5 m，较周边河床该冲刷坑最大深度为1.6m，冲刷坑面积约为5.6m2，见图10。初步分析原因为：①、河床轮廓线变化其部分原因是由于河床自然演变冲刷导致的。②、桥墩处局部冲刷严重，表现为桥墩处冲刷线相对河床轮廓线普遍降低，同时下游测冲刷深度相对上游侧低。
4 结论
在本文中采用地质雷达和多波束声纳综合检测桥梁水下基础技术状况，分析了检测方法的原理，并结合的工程实例进行验证，可以得出：
(1) 相对传统人工检测桥梁基础冲刷，采用地质雷达和多波束声纳综合检测桥梁水下基础具有精度高、影像直观、速度快、野外工作灵活等优点。
(2 )通过对成都金堂淮口大桥桥梁基础检测结果表明，基于地质雷达和多波束声纳综合检测桥梁墩台对桥梁水下基础外观状况、冲刷情况和河床地形地貌情况是有效可行的，对同类桥梁基础检测具有指导作用。
作者：唐堂 刘文兴 王磊四川华腾公路试验检测有限责任公司
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