蔡林桓

（武漢長江航道救助打撈局，湖北 武漢430014）

1 緒論

1.1 引言

近年來我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度迅猛，橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著非常重要的作用。橋墩基礎(chǔ)是橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，與橋梁結(jié)構(gòu)耐久性直接相關(guān)，水下橋墩基礎(chǔ)屬隱蔽工程，容易受到水流沖刷、漂流大塊石或過往船只的碰撞等不確定因素影響，由于水流的長期沖刷可能會導(dǎo)致橋梁橋墩周圍泥沙被掏空或樁基外露，從而產(chǎn)生安全隱患，因此需探明橋梁墩柱的水下狀況，為橋梁的運(yùn)營提供依據(jù)。本文依托某工程為研究背景，基于Blue View 5000 型三維成像聲吶技術(shù)，探尋三維成像聲吶在橋梁墩柱結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用。

2 三維成像聲吶

Blue View 5000 型三維成像聲吶系統(tǒng)又可以稱為水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)，每次發(fā)射上百個波束形成一個扇面，通過云臺的水平旋轉(zhuǎn)（Pan）和傾斜變化（Tilt）實(shí)現(xiàn)空間場內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。Blue View 5000 聲吶可用于水底地形，水下建筑、結(jié)構(gòu)的高分圖像生成，該設(shè)備設(shè)計(jì)緊湊，體積小便于在各種平臺上安裝，且操作簡便，一鍵成像，可根據(jù)需求生成扇形掃描或者球面掃描的水下三維點(diǎn)云圖像。

2.1 三維成像聲吶的系統(tǒng)組成

三維成像聲吶系統(tǒng)（BV5000）主要由軟件和硬件兩個部分組成。硬件部分主要由數(shù)據(jù)傳輸線纜、甲板單元、云臺、換能器四個部分組成，主要硬件展示如圖1。而軟件主要使用儀器開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供的BlueViewer 和Proscan 和leica 的Cyclone 點(diǎn)云處理軟件。

圖1 BV5000 硬件示意圖

2.2 三維成像聲吶的工作原理

三維成像聲吶系統(tǒng)（BV5000）主要依據(jù)聲學(xué)測距的方式水下目標(biāo)到聲吶的距離。在BV5000 工作時(shí)，首先由水聲換能器發(fā)射一組聲波，產(chǎn)生一個固定方向角的扇形掃描區(qū)域或者球形掃描區(qū)域，當(dāng)聲波到達(dá)目標(biāo)后發(fā)生反射，返回的信號被換能器接收，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕男问綄⑿畔鹘o甲板單元和控制終端。終端對接收的信號進(jìn)行處理和分析還原出反射目標(biāo)的相對空間坐標(biāo)，然后在顯示器上通過點(diǎn)云圖像來反應(yīng)。BV5000 在45°-360°的掃描區(qū)域均勻發(fā)射256 個波束，然后通過云臺在水中的旋轉(zhuǎn)來獲取待掃測區(qū)域的三維點(diǎn)云圖像。

表1 三維成像聲吶相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2.3 檢測方式

本次橋墩掃測的總方案為：通過三維圖像聲吶對涉水墩臺水下部分進(jìn)行多站掃測，對掃測圖像進(jìn)行拼接分析，獲得水下墩柱形態(tài)及沖刷情況。

BV5000 聲吶系統(tǒng)有效探測范圍為30 m，為獲得結(jié)構(gòu)物體或整個區(qū)域內(nèi)的三維圖像，通常需設(shè)立多個掃描測站，從不同的方位進(jìn)行觀測，獲取若干幅掃描圖像，然后經(jīng)過拼接形成一個完整的目標(biāo)物。一般根據(jù)檢測目的、目標(biāo)物形狀、尺寸設(shè)置一個或多個測站，最后通過數(shù)據(jù)處理完成圖形的拼接。

對橋墩區(qū)域附近的水流的流速及流向等數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集，結(jié)合作業(yè)點(diǎn)位布置聲吶平臺，以不危害橋墩安全為首要原則，保持足夠的距離，或靠近柔性接觸，根據(jù)各個墩臺的形態(tài)特點(diǎn)，以及三維成像聲吶的掃測原理，在每個橋墩周圍布設(shè)4 個掃測點(diǎn)，掃測點(diǎn)示意圖如下。

圖2 三維圖像聲納測點(diǎn)布置示意

三維成像聲吶系統(tǒng)對橋梁橋墩進(jìn)行全方位的檢測，通過遠(yuǎn)程控制軟件來控制其開始掃測。根據(jù)點(diǎn)位情況的不同，掃測時(shí)選擇不同的角度，確保不能遺漏任何目標(biāo)

物[6]-[7]。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某大橋全長7370m，中心里程為k32+821，以(60+100+60)m，連續(xù)梁上跨在建漢鄂快速通道。漢鄂快速通道該段設(shè)計(jì)為橋梁，道路與線路大里程夾角為28.6°道路設(shè)計(jì)寬度26m，路面設(shè)計(jì)標(biāo)高22.5m。箱梁橫截面為單箱室直腹板，箱梁頂板寬12.2m，厚48 cm，底板寬6.0m，底板厚由跨中的38 cm 按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁部的97.6 cm，中支點(diǎn)處加厚到140cm，腹板厚分別為45，60，90，100 cm；端支座處及邊跨直線段和跨中心處梁高為4.53 m，中支點(diǎn)截面中心處梁高6.83m，梁高按圓曲線變化，圓曲線半徑R-488．546 m；全橋共設(shè)5 道橫隔梁，分別設(shè)于中支點(diǎn)、端支點(diǎn)、和中間跨跨中截面，中支點(diǎn)處設(shè)置厚2.5m 的橫隔梁、邊支點(diǎn)處設(shè)1.45m 厚的端隔梁、跨中合龍段設(shè)厚0.4m 的中橫隔梁，橫隔梁設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。本項(xiàng)目針對涉水的3 座橋墩，對其進(jìn)行檢測，查明其結(jié)構(gòu)病害和破損情況。

3.2 橋梁墩柱結(jié)構(gòu)檢測流程

三維圖像聲吶對橋梁墩柱結(jié)構(gòu)檢測流程如圖3所示：

圖3 水下墩柱掃測流程

首先，施工前需要對三維成像聲吶進(jìn)行調(diào)試確保設(shè)備在施工現(xiàn)場能夠正常工作，根據(jù)橋墩形狀設(shè)計(jì)聲吶布設(shè)點(diǎn)位，具體方案如圖3，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的方案將三維圖像聲吶放入水中，待儀器穩(wěn)定后開始掃測，三維圖像聲吶可以當(dāng)場進(jìn)行簡單判讀，檢查墩臺水下部分有沒有出現(xiàn)破損情況，如果發(fā)現(xiàn)有該情況，則記錄位置，大概尺寸等相關(guān)數(shù)據(jù)，后期定量分析進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接建模，是數(shù)據(jù)處理最煩瑣、難度最大的過程。首先要根據(jù)各個測站的位置，尋找相鄰測站的同名目標(biāo)。同名目標(biāo)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)量決定了拼接建模的精度和效果。選定同名目標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇清晰、完整的目標(biāo)，并進(jìn)行準(zhǔn)確的框選。數(shù)據(jù)處理拼接軟件會根據(jù)同名目標(biāo)采用最小二乘法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)誤差分配，形成兩站間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接建模。

最后采用三維軟件中量具對結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行測量，與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行校核，以確保正確判斷樁基縮徑病害。

3.3 橋梁墩柱結(jié)構(gòu)水下檢測

通過對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接建模后形成的效果圖如下：

圖4 三維圖像聲吶掃測效果圖

從圖5可以看出三維成像聲吶生成的點(diǎn)云圖像，通過高層分層設(shè)色的方法，可以清晰地反應(yīng)橋梁橋墩、承臺在水下的具體狀況，以及橋墩附近河床的是否存在沖刷或淤積現(xiàn)象。

圖5 某涉水橋墩三維點(diǎn)云圖（側(cè)視圖+俯視圖）

3.4 三維成像聲吶檢測結(jié)果分析

通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，三維圖像聲吶在橋墩檢測中可以達(dá)到如下效果：

（1）能夠反映橋梁墩柱在水下的真實(shí)結(jié)構(gòu)，能夠查明墩以及承臺外露部分結(jié)構(gòu)是否完整，有無混凝土破損。

（2）能夠?qū)Χ找约俺信_外露部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量尺寸，如出現(xiàn)大面積混凝土破損能夠進(jìn)行定位，并進(jìn)行尺寸量測。

（3）能夠?qū)蚨崭浇哟驳匦芜M(jìn)行探測，查明有無局部沖刷、淤積等現(xiàn)象。

圖6 三維成像聲吶墩柱水上水下效果結(jié)合圖

4 總結(jié)

綜上，三維成像聲吶系統(tǒng)能夠直觀的獲取水下橋墩的結(jié)構(gòu)，高分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)清晰直觀，具有可量測性，能夠很好地解決涉水橋墩處于水下，隱蔽難以探查的難點(diǎn)，同時(shí)能夠?qū)蚨崭浇哟驳匦芜M(jìn)行探測，查明有無局部沖刷、淤積等現(xiàn)象，為橋梁運(yùn)營維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。