四川省山區(qū)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(zhì)松軟，在暴雨時(shí)導(dǎo)致山區(qū)發(fā)生超大洪水和泥石流，沖刷橋梁，加之部分地區(qū)受早期河床采砂的影響，河流環(huán)境部問(wèn)題，橋梁沖刷情況越來(lái)越嚴(yán)重。近年以來(lái)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(chǔ)受洪水的沖刷，部分橋梁發(fā)生的變形，甚至垮塌。由于洪水沖刷發(fā)生垮塌的橋梁有：綿陽(yáng)市江油盤(pán)江大橋（圖1）、成都市彭州市川西大橋（圖2）、德陽(yáng)市綿竹市綿遠(yuǎn)河大橋（圖3）和興隆拱星大橋（圖4）。因此，加強(qiáng)對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，是確保橋梁安全的必要保證。

　　地質(zhì)雷達(dá)和多波束聲納是檢測(cè)橋梁水下基礎(chǔ)技術(shù)狀況的一種全新的測(cè)試方法。為對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)外觀狀況、沖刷情況和河床地形地貌情況進(jìn)行全面檢測(cè)，常規(guī)采用探桿探測(cè)、聲吶檢測(cè)等方法。與傳統(tǒng)測(cè)試方法比較，地質(zhì)雷達(dá)法和多波束聲納測(cè)試具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、測(cè)試效率高等特點(diǎn)，目前兩種方法匯總見(jiàn)表1。本文結(jié)合實(shí)際工程檢測(cè)實(shí)例，采用地質(zhì)雷達(dá)和多波束聲納對(duì)橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試河床斷面和地基沖刷情況，分析判斷橋墩基礎(chǔ)的安全狀態(tài)。

　　2 地質(zhì)雷達(dá)和多波束測(cè)量原理

　　2.1地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試原理

　　地質(zhì)雷達(dá)（GPR）利用主頻為數(shù)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(cè)面通過(guò)天線發(fā)射器（T）發(fā)送至被檢測(cè)體，該脈沖在檢測(cè)體中傳播時(shí)，若遇到介質(zhì)界面、目的體或局部介質(zhì)不均勻體，探測(cè)脈沖能量便被部分反射或散射回探測(cè)面，為雷達(dá)天線接收器（R）接收。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁性質(zhì)及空間形態(tài)而變化，因此，根據(jù)接收到電磁波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，可推斷介質(zhì)的性質(zhì)及空間形態(tài)。

　　通常河床結(jié)構(gòu)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(shù)不同，電磁波在介質(zhì)內(nèi)部及不同介質(zhì)界面上將會(huì)產(chǎn)生直達(dá)波、反射波及透射波。各個(gè)界面的深度利用公式1即可求出，其中V既可通過(guò)理論公式(公式2)及表1計(jì)算確定，亦可通過(guò)孔取芯標(biāo)定來(lái)確定，

　　直接從雷達(dá)時(shí)間剖面上依據(jù)同相軸的連續(xù)性判讀。

　　2.2多波束測(cè)試原理

　　多波束三維聲吶成像原理是由發(fā)射換能器陣列向河床或目標(biāo)區(qū)域發(fā)射一個(gè)垂直于航跡的扇形波束，接收換能器陣列接收目標(biāo)區(qū)域回波信號(hào)，沿著與航跡垂直的方向形成幾十個(gè)或幾百個(gè)窄波束，獲得距離和相位差等關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)一步獲取水下結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)和圖像信息。距離的計(jì)算公式為：

　　3 實(shí)橋測(cè)試及分析

　　3.1工程概況

　　為了評(píng)估地質(zhì)雷達(dá)和多波束檢測(cè)橋梁下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際效果，選擇位于淮口大橋作為工程對(duì)象?；纯诖髽蛭挥诮鹛每h淮口鎮(zhèn)城區(qū)，跨越沱江，橋梁全長(zhǎng)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(hù)欄+人行道）+7.5m（行車(chē)道）+2.5m（護(hù)欄+人行道）]=12.5m。橋面采用瀝青混凝土，全橋設(shè)置12道伸縮縫，護(hù)欄為鋼筋混凝土護(hù)欄?；纯诖髽蛭挥诨纯趫?chǎng)鎮(zhèn)新、老城區(qū)的結(jié)合部，跨越沱江，也是金堂縣連接樂(lè)至等地的交通主干線?；纯诖髽蚴?973年5月建成。該橋址區(qū)域位于沱江上游，屬構(gòu)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(diǎn)，為河床相砂、卵、礫石單層構(gòu)造，橋址處河床較寬約300m。

　　3.2 雷達(dá)檢測(cè)及結(jié)果

　　本次雷達(dá)檢測(cè)采用瑞典RAMAC/GPR探地雷達(dá)X3M主機(jī)、100MHz屏蔽天線和GV采集軟件。檢測(cè)時(shí)的橋梁河床水深最大為5m左右，在開(kāi)展檢測(cè)前，檢測(cè)單位采用傳統(tǒng)的探桿檢測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定檢測(cè)用的天線及采集參數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析并結(jié)合工作要求，最后確定使用100MHz屏蔽天線進(jìn)行橋梁沖刷檢測(cè)，采集參數(shù)為時(shí)窗23ns，采樣點(diǎn)數(shù)450，采樣頻率19817MHz，1次疊加。橋梁上下游各布置一條測(cè)線，點(diǎn)距為0.05m(以測(cè)距輪進(jìn)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(guò)河床進(jìn)行剖面法(即發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式)檢測(cè)。

　　經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，100MHz天線時(shí)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(zhì)雷達(dá)側(cè)線測(cè)試河床輪廓線圖見(jiàn)圖7。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)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(chǔ)局部沖刷明顯。

　　3.3 多波束聲納檢測(cè)及結(jié)果

　　美國(guó)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(tài)羅經(jīng)傳感器為R2SONIC公司的I2NS姿態(tài)傳感器&慣導(dǎo)；中海達(dá)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(cè)大師；此次采集的數(shù)據(jù)使用caris后處理軟件進(jìn)行后期處理。后處理的目的：1、消除定位設(shè)備與多波束由于安裝位置不一致導(dǎo)致的水深點(diǎn)位置偏差；2、消除由于姿態(tài)儀與多播束安裝姿態(tài)不重合導(dǎo)致的水深點(diǎn)位置偏差；3、消除由于數(shù)據(jù)傳輸延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)位，數(shù)據(jù)錯(cuò)位同樣會(huì)造成水深點(diǎn)位置錯(cuò)誤和水深值偏差；4、聲速改正；5、潮位改正；6、刪除噪聲點(diǎn)使生成的地貌圖像更加清晰真實(shí)；7、生成不同坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成視頻或者等最終成果。

　　利用多波束探測(cè)儀，繪制該橋址附近河床三維地形圖，見(jiàn)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(gè)別橋墩附近存在局部沖刷現(xiàn)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(guò)對(duì)淮口大橋橋墩周?chē)植亢哟驳臋z測(cè)結(jié)果表明：河床底與拱腳處最大高差為10.0m，位于6#墩下游側(cè)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(shù)據(jù)分析多波束測(cè)試系統(tǒng)掃測(cè)該橋主墩底部發(fā)現(xiàn)，4#橋墩附近河床局部沖刷情況較嚴(yán)重，以該墩基礎(chǔ)為中心，在基礎(chǔ)周?chē)纬梢粋€(gè)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(jiàn)圖10。初步分析原因?yàn)椋孩?、河床輪廓線變化其部分原因是由于河床自然演變沖刷導(dǎo)致的。②、橋墩處局部沖刷嚴(yán)重，表現(xiàn)為橋墩處沖刷線相對(duì)河床輪廓線普遍降低，同時(shí)下游測(cè)沖刷深度相對(duì)上游側(cè)低。

　　4 結(jié)論

　　在本文中采用地質(zhì)雷達(dá)和多波束聲納綜合檢測(cè)橋梁水下基礎(chǔ)技術(shù)狀況，分析了檢測(cè)方法的原理，并結(jié)合的工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，可以得出：

　　(1) 相對(duì)傳統(tǒng)人工檢測(cè)橋梁基礎(chǔ)沖刷，采用地質(zhì)雷達(dá)和多波束聲納綜合檢測(cè)橋梁水下基礎(chǔ)具有精度高、影像直觀、速度快、野外工作靈活等優(yōu)點(diǎn)。

　　(2 )通過(guò)對(duì)成都金堂淮口大橋橋梁基礎(chǔ)檢測(cè)結(jié)果表明，基于地質(zhì)雷達(dá)和多波束聲納綜合檢測(cè)橋梁墩臺(tái)對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)外觀狀況、沖刷情況和河床地形地貌情況是有效可行的，對(duì)同類(lèi)橋梁基礎(chǔ)檢測(cè)具有指導(dǎo)作用。

　　作者：唐堂 劉文興 王磊四川華騰公路試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司