桥涵水文桥墩冲刷的检测监测和防护

桥涵水文桥墩冲刷的检测监测和防护桥涵水文第二次研讨会--桥墩冲刷检测、监测和防护专题姓专学完成日桥涵水文第二次研讨会--桥墩冲刷检测、监测和防护专题摘要：桥墩冲刷是造成桥梁毁坏的主要原因之一，研究桥墩冲刷的监测、检测和防护十分必要。为此，在三个部分分别简要分析了常用的手段方法和一些新兴的方向，并结合具体事例予以说明，其中监测手段主要介绍了超声监测、时域反射系统和光纤布拉格光栅传感器监测；检测部分主要介绍了潜水、摄像和水下机器人检测；防护方面主要介绍了主动防护法中的防护板、阻砂槛和被动防护的抛石防护法及其改进。冲刷是水流对河床的冲蚀淘刷过程,是组成河床的泥沙颗粒被水流冲走,致使河底高程降低或河岸后退的过程。冲刷是导致桥梁水毁的一个重要原因,世界各国每年都有许多桥梁因洪水的冲刷而毁坏。桥梁冲刷分为挟带泥沙行进而引起的河床冲刷。流入桥孔，在桥孔稍下游处，形成收缩断面。该断面处流速梯度很大，床面切应力剧增，引起强烈的河床泥沙运动，床面发生明显冲刷。桥墩局部冲刷：局部冲刷是水流在受到阻拦时，其结构发生急剧变化。水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近的漩涡剧烈淘刷迎水端和周围的泥沙，剧烈淘刷桥墩迎水端和周围的泥沙，形成局部冲刷坑。随着冲刷坑的不断加深和扩大，坑底流速逐渐降低，水流挟沙能力随之减弱，当趋向输沙平衡时，冲刷随即停止，局部冲刷坑达到最深。冲刷坑外缘与桥墩前端坑底的最大高差，就是最大局部冲刷深度。为了防治桥墩在冲刷下稳定性受损，研究桥墩冲刷的检测、监测和防护具有重大意义。本文除了对现在应用的或者理论成熟的冲刷进行介绍以外，也介绍了新兴理论、方法(例如基于结构动力分析的桥梁冲刷分析、水下机器人进行桥墩冲刷检测等等)，以期了解更多关于桥墩冲刷检测、监测和防护的前沿知识。在介绍桥墩冲刷的监测之前，先对监测和检测的概念加以区分。监测和检测两者看似差不多，但还是有区别的。检测一般只物探检测，用声波、雷达等信号对结构和岩体进行探测，是周期性的或不定期的；监测一般做为长期状态动态监测，一般在结构内部埋设仪器进行长期实时监测。当然，基于这种分析，很多监测技术方法、手段自然可以应用到检测中。冲刷深度是冲刷影响桥梁安全的最重要因素,冲刷深度的监测对于桥梁的安全至关重要。目前已有桥梁冲刷的监测方法在实施过程与监测效果都存在着相应特点、优势和不足之处，该部分主要介绍超声波监测、时域反射系统和利用光纤布拉格光栅传感器监测。基于GPRS的桥梁冲刷监测系统、桥梁基础冲刷过程原位电学监测等新型方法，该部分不做重利用超声波的一些有利特性,可以设计出基于超声感应原理的冲刷监测系统。超声波拥有良好的传播性能,具有非常好的方向性,可以在声阻抗不同的两种介质的界面上发生反射。其优点十分明显：超声波具有良好的穿透性和良好的界面反射效应。而且声呐设备具有易于安装，技术成熟的优势。根据选择的声纳频率不同，可以得到不同精度的测量结果 (最高精度可精确至及以上)。但是使用声纳技术监测冲刷深度也有一些缺点：除了超声波在水中传播有削减、声纳设备并价格较高等常规特点，超声监测用于桥墩冲刷本身也有一些难以克服的缺点(该部分最后会作详细说明)。以下将简要介绍常用的声呐监测设备：图1是常用的移动式双探头式监测方法。发射端探头和接收端探头并排放置在水面处,探头的发射面和接收面要放置于水面之下。工作时,声呐探头超声波从发射端探头发出,遇到水于河床底部界面,会在界面处发生反射,反射回来的超声波能够被接收端探头接收。用发射信号和接收信号之间的时间差的与声波在水中的波速相乘,即可以求得河床的深度。当装置在水面上拖行时,可以将行驶路线上的河床深度测出来。图图2所示的是固定式的超声波监测方法。这种方法通常使用一个探头,这种探头既能发射信号,又能接收信号。超声探头向前发射超声波,超声波在水中向前传播,会在河床底部发生反射,反射信号可以被发射探头接收。用发射信号和接基基于以上两种方法原理,不难看出超声方法监测冲刷的核心在于利用发射信号与接信号的时间差来直接反映河床深度的变化。但是这种方法的缺点也是显而易见的:1、移动式监测方法只适用于日常的河床位置的变化,不适用于洪水图2：固定式声纳期间的冲刷监测。当水位稳定、流速稳定时,这种方法可以算是一种比较监测方法好的一般冲刷的监测方法,但是对于洪水期间的河床变化未能为力,也不能有效用于桥墩附近局部冲刷的监测。而局部冲刷对桥梁安全威胁最大,并且最大冲刷深度一般发生在洪水期间,因此这种方法的有效性大打折扣。对于固定式的监测方法,由于要求能够在洪水期间工作,而洪水中往往夹杂着石块、漂浮物等,这些随着流水高速流动的杂物具有相当大的冲击力,一对超声探头造成损坏。2、超声波在水中传播时会有衰减,尤其是在洪水期间,水的含沙量很高,而且水中中夹杂着大量的气泡和多种杂物,超声波能够在这种水流状态下传输的距离大大减小,严重的制约了监测的效果。3、超声波可以在界面处发生反射,但是洪水期间,河床底部的泥沙在不断的运动,有大量的泥沙被洪水带走,又有大量的泥沙从上游流入并沉积。在这种河床剧烈变化的环境中,河床与水的界面将变得模糊,使得超声波没有清晰的反射界面,反射的超声波强度大大减弱,这部分反射波在复杂的水流中继续衰减,实际到达接收端的信号强度非常微弱,使得检测结果难以辨别和解读。由于以上存在的种种缺陷,目前应用于桥梁冲刷监测中的超声波技术并没有取得令人满意的效果。即使最来有学者开发出了一些的改良技术,但是并没有从根本上克服上述缺陷,其效果仍然值得商榷。.时域反射系统时域反射系统(TimeDomainReflectometry简称TDR)用于桥梁冲刷的监测．该系统的原理是操作装置通过传输线以一定的速度发出一个脉冲，脉冲沿着传输线进行传播直到其末端，除非中间有断口，这些断口是由于空气和水或水和沉积物的入侵造成的，这样一部分信号就会被反射回来．通过研究这些信号的返回时间，就可以计算出不连续点的位和桥梁冲刷数据，并对严重冲刷情况予以预警．即便是高能水流状态..光纤布拉格光栅传感器(FBG)监测随着光电学和光纤通信技术的发展，光纤传感器被越来越多地应用到结构健康检测的工程实际之中，其中使用频率最高的一种即是光纤布拉格光栅传感器(fiberBragggrating简称FBG)。该传感器能感知应变下，这种仪器也能提供实时的动态冲於数据。但是尚未在我国找到实际和温度的变化，并由此改变自身反射光波波长，当光束传播到光纤布拉格光栅时，光纤就会反射一种特定波长的光波，通过对变化的反射波长的采集即可实现对待测物理量的监测。该方法主要有以下优点：(1)光纤光栅传感技术在±木结构健康监测领域具有很好的应用前景，相比于传统的机械电子类传感元件具有多方面的优点；(2)分布式光纤光栅传感技术相比于传统的点式应变传感技术存在巨大优势，其既可很好的反映结构的整体模态信息且对结构的局部信息也非常敏感；(3)长标距FBG传感器的封装方法具有很好的实用性，其不仅对传感器工作环境给予保证而且对传感器的基本性能影响不大，对其在实际工程中的应用给予可靠的保证。经相关实验验证，这两种传感器在洪水期间依然有效，而且这种传明，采用光栅传感器在桥梁冲刷实时监控领域中有进一步应用的潜力。2.2.桥梁冲刷的检测该部分将详细介绍了水下基础检测的三种不同方法(水下摄像、水下机器人、潜水)，分析了各自优缺点和适用范围。水下摄像与潜水检测方法在工程实践中应用较多，其中水下机器人监测方法是新型检测方与时域反射系统一样，该方法也只停留在理论研究阶段，尚未在我国找法，有关实例证明了方法的可行性。此外还有基于动力特性识别的桥墩冲刷状态分析等新兴方法(基于结构自振频率与振型，对其合理筛选后两种模型转换得到能反映桥梁状态的结构柔度矩阵，基于该结构柔度矩阵得到反映关注方向结构刚度的“计算结构位移差”)，只在此对原理简要说.潜水监测检测时，由潜水员手持带照明设备的水下摄像器材下潜作业，携带小块磁铁、铲刀、钢尺、引水定位砣绳及探照灯，并配合实时监控录像系统来获取水下结构物的影像资料，潜水员与水面监控人员实时通讯联系，以保证检查摄录影像的质量和结构物缺陷的各个细节及遇到突发事潜水检测的优点在于对基础附近的水质要求较低(无论清水、混水均可)，在检测区域内不留死角，且在检测的同时，可以对一些缺陷进行及时修补。缺点是检测速度慢、检测费用高以及潜水员人身安全威胁较大，特别是在深水、湍急河流以及桥下有沉船等情况下，潜水员容易出现安全事故。从理论上讲，只要潜水深度在生命安全范围内(一般不超过60m)，潜水检测基础均能实施。因此，除了坐落于大江大河上的桥梁以及跨海大桥外(一般水深均较深)，潜水检测对于一般的大桥、特大桥基础均能实现检测任务。(1)检测范围：墩台水面线至河床位置。移动路线：从水面线起，按潜水员距离基础60cm内的俯仰视角范围 (约)，大致等分为若干个此深度范围的区域，在每个深度区域内，潜水员360度检查并拍摄该深度区域的基础表面，从而完整的反映结构物在水下的病害情况。(2)病害定位：如在某一位置发现病害后，由潜水员根据深度表或携带的标尺，判断病害所在的深度，并在该位置释放浮标，水面人员根据预定坐标和水流影响，大致判定浮标相对基础所在方向，并结合深度来确定病害具体位置，在立柱水位线上对应位置进行标识，在记录纸上位示意图。(3)截图和录像：对无病害的桩截图2-3张；对有病害的基础除进行正常截图外，病害部位应从不同角度进行截图，图片能够完全反映病害的类型及病害的严重程度。对水下检测的影像资料进行后期处理，并对缺陷处的描述进行录音解说，最终整合到相应视频文件中去。.水下摄像检测组合式水下摄像检测仪由水下摄像头、水下照明器、传输电缆、监视器、配音系统、专用吊放设备(作为摄像镜头的上下移动装置)以及驳船(作为作业平台使用)组合而成。检测时，将工作船用绳索与被检测墩台固定在一起，在基础上方水面将各拍摄点做好标记。采用专用吊放设备把摄像头固定在欲检测部位起始原点上，竖向垂直拍摄,拍摄过程中要求镜头与目标物表面要保持20~30cm左右的距离(以能看清目标物为准)，并尽量使移动平稳、匀速。完成一次竖向垂直拍摄后，沿基础表面平移或环绕规定的间距再反组合式水下摄像检测仪作业方法的优点在于检测速度快、成本低，并且检测人员作业较安全，缺点是对检测的环境要求比较高，即只有在水质比较清、基础表面无水草等微生物附着且基础在水中部分深度不超过5m的环境下，检测的效果会比较好。因此，它比较适合检测山区桥梁以及平原地区中、小跨径的桥梁基础，而不使用于平原地区的大跨径桥梁以及跨海大桥的基础检测。(1)入水：首先将(1)入水：首先将ROV摆到船舷以外，监控员认为满足条件后，通现场检测时具体工作流程如下：.新型水下机器人检测作业方法水下遥控机器人(英文缩写ROV)潜水有多种，通常可分为小型观察型和作业型两种。检测人员应根据不同检测环境以及检测目选择合适的，ROV垂直下水，到达预定水深后停止下图5：水下机器人在水中桥墩基础检测(2)游动：释放缰绳，ROV在操作员的控制下靠自身的推进系统上下、左右、前后自由游动。(3)定位：ROV自身携带有水下定位系统及声纳扫测系统。(4)监控与作业：ROV水下就位后，依靠自身配置的水下监控摄像机从不同的角度实时监控水下情况，并通过ROV水下操作系统完成各种(5)出水：ROV水下完成作业后，不存在如同潜水员一样水下减压，随时可以撤离。其他程序与组合式水下摄像仪检测方法相同。水下机器人检测作业的优点在于能深水检测，这是组合式水下摄像仪检测以及潜水检测无法比拟的优势；缺点是目前水下机器人的推进器动力还不足，一般水下检查作业型的抗水能力是2~4节。因此，检查型的水下机器人目前适合于流速较低跨海桥梁以及库区桥梁的基础检测，对于流速较大的桥梁基础尚不能完成检测任务。目前，已有水下机器人在三峡水利枢纽导流底孔封堵检修门水下清理工程和在较深的水库中使用水下机器人在桥墩冲刷监测的应用案例。3.桥梁冲刷的预防与保护桥墩冲刷的防护分为主动防护和被动防护两种思路：(1)减弱下降流和马蹄涡的侵蚀力。一般通过增大桩基部或在底床周围建造护圈来实现，减弱马蹄涡的影响，一般称为主动防护。可设置减速不冲防护，这类防护工程措施主要包括护圈防护、开缝防护以及墩前排桩防护等，或者通过调治构造物,使水流轴线方向偏离桥梁墩台,或减低防护处所的流速,甚至促使其淤积,从而起到安全保护作用。(2)提高床沙的抗侵蚀能力。可通过在桩基部铺设石块或颗粒材料保护层来实现，称为被动防护。其中实体抗冲防护主要有抛石防护、混凝土铰链排防护、扩大桥墩基础防护、护脚和沉箱防护、填充混凝土模于取材方便，工艺简单，操作实施灵活性大，实际应用最多，也是研究此外，在桥梁设计建造的初期,应选择根据当地的桥涵水文资料选取合适的桥位与桥墩布置形式(桥孔);对于已有的易受冲刷桥梁,应该采取适当的措施防止冲刷的产生和发展,尽可能降低桥梁的冲刷带来的危害。在该部分中，将简要介绍被动防护的抛石防护法、主动防护法的防护板和阻砂槛的设置。合理选择桥位与桥孔及附属构造物桥位即桥梁的建造地址,是指桥梁轴线所在位置。选择适当的桥位可以有效减小由于河道本身造成的桥梁的冲刷。桥位的选择需要考虑的因素有很多,包括桥梁的设计功能条件、水文条件、地形地貌、地质条件、通航方面等。桥位的选择和桥孔的设计必须保证在交通正常运行的状态下顺畅的通过洪水和凌汛,并与附近地区环境保护及引道路基、路面排水、堤防设施等想配套。在满足上述功能要求的前提下,一般应选在河道顺直、稳定、较窄、河槽明显的河段,桥轴线宜与中、高水位的水流正交,避开险滩、浅湾、急弯、汇流口、急流河段。桥孔的选择则应根据设计洪水量和设计水位来计算确定。在确定桥梁孔径、和桥面高度等信息之后,还应考虑尽量降低因水流作用带来的不良影响。选择桥孔时应避免压缩河道,桥头河滩路堤应与洪水主流方向正交。对于变迁性河段,桥孔布设应根据洪水主流总趋势确定。对于弯曲河段,必须要考虑河湾的凹岸冲刷。桥梁的调冶构造物时桥梁工程的重要组成部分。适当的选择桥梁调冶构造物可以有效的预防冲刷。常用的调冶构造物有导流堤、丁坝等,其作用是调节、引导水流均匀顺畅地通过桥孔,防止桥下断面和上下游附近的河床、河岸发生不利变形,同时可以使桥梁墩台免受集中冲刷。以上部分是桥梁设计时应该考虑的重要内容,是桥梁冲刷安全性的基础。合理选择桥位与桥孔,并设置合适的附属构造物,对于桥梁的安全具有非常重要的意义。抛石防护法(被动防护)对于抛石防护法，在实际案例中已经有所应用(例如乌龙江大桥冲刷防护、郑焦铁路黄河大桥冲刷防护实例等)。在具体事例中，需要根据具体的水文情况，考虑、计算分析所使用石块的粒径、形状质量等。抛石是应用最为广泛的防护形式之一，其特点在于取材方便，工艺简单，操作实施灵活性大。抛石一方面增加了泥沙卷扬起动所需要的水流作用力，另一方面其粗糙的石块在一定程度上减缓了底层水流速度。但所以，尽管采用抛石方法简单方便，但当缺少抛石的石材或石材粒径不能满足要求，以及有环境保护或美观要求的地方不宜采用抛石防式与抛石法的防护机理类似，都是阻挡下降水流带来的冲刷以及降低前进水流携走泥沙的能力。另一种比较创新的方法是桥墩下游设置阻沙槛。这类防护方法中,另一种比较创新的方法是桥墩下游设置阻沙槛。这类防护方法中,比较常见的做法是在桥的上游处设置保护设施或者改变桥迎水面的几何形状。与其他方法相比,本方法选择在下游处设置阻沙槛,可以避免由于一设置河床抗冲刷保护层或阻沙槛(主动防护)这种方法通过对桥墩周边的水流施加人为作用,改变水流的流动状态或路径,从而实现弱化水流冲刷作用的目的。本着这一原理,目前有不少的方法：第一种是设置防护板。从护板防护法的原理图5中可以看出,护板将水流分为两部分,并将桥墩周围的下降流与下部的马蹄形漩涡隔离开来,这样可以大大降低下降流的水流强度,同时对马地形漩涡也起着抑制作用。下降流与马蹄形漩涡正是冲刷坑形成的主要原因,通过对下降流和马蹄形漩涡的抑制,可以有效的抑制冲刷坑的形成。护板防护法的效果取决于护板的尺寸和设置位置,通过合理设计护板尺寸和安装位置,可以有效起到防止冲刷的作用。般冲刷和局部冲刷导致的床位下降,同时可以降低桥墩受冲工程上现行的防护方式多以被动防护为主，其中抛石防护最为常见。如前文所述，该类方法虽然操作简便，但由于被动防护只是机械地提高墩周土体的抗冲能力，不能从冲刷产生的原因入手，经常需要进行修缮维护，代价高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用变化较大时，抛石很容易流失，造成严重的经济损失。相反，主动防护着眼于冲刷的根源，从扰动水流结构入手，降低来流的作用，从而起到很好的防护效果，虽然一次性投入可能较被动防护要多，但从长远角度来看，修缮维护的人力和财力会被显着降低，应是未来局部冲刷防护的发展方向。在一般的桥梁建设中，通常仅采用某一种冲刷防护方式。但在一些较大规模的桥梁工程中，有时需要兼用主动与被动防护，以达到良好的效果，苏通大桥