安徽铜陵长江大桥3号桥墩抛护工程监测分析

(1.长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京 210011；2.长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局, 上海 200136)

1 研究背景

铜陵长江公路大桥于1991年12月开工建设，1995年12月26日建成通车，是当时世界上同类型第三的跨径桥梁，属国家“八五”计划的重点工程，至今已运营了20多年。该大桥位于长江下游安徽省境内的铜陵河段羊山矶矶头下游 600 m处。铜陵大桥的建成对于贯通淮北、江淮和皖南之间的交通联系，缓解大江南北交通运输紧张状况起到了不可估量的作用。

铜陵长江公路大桥建成以来，一方面由于相继历经“95”、“98”和“99”等大洪水作用，加之上游水库陆续建成后清水下泄，另一方面由于大桥北侧桥墩所处岩基埋深较深，抗冲能力有限，致使大桥北侧桥墩附近河床产生强烈的局部冲刷。根据大桥建成以后历年桥址水下地形测量资料分析，除3号桥墩冲刷相对较大外，其他桥墩的局部冲淤变化较为稳定。

局部冲刷引起的桥墩水毁具有突发性和灾难性[1]，往往会给人民生命财产造成重大损失。为预防长江突发性异常洪水对主桥3号桥墩局部河床冲刷可能产生的不利影响，确保大桥桥墩的长久安全，及时了解3号桥墩附近加固工程的实施情况和抛护效果，分别运用多波束与单波束测深系统进行抛护工程监测，并进行对比分析研究。

2 防护工程设计与施工

2.1 平面布置

桥墩护底抗冲措施是利用抛石、砂枕、沙袋、软体排等结构对桥梁基础及周围进行防护[2]。防护工程规模为对主三号桥墩钢围堰外围30～40 m的范围进行防护，防护平台顶高程-28.00 m，防护总面积 8 197.90 m2，分为精抛区和粗抛区两个防护区域。精抛区域采用水上吊放、水下到位脱钩的施工方法，范围是垂直桥轴线方向桥墩钢围堰外上游5 m，下游25 m，沿着桥轴线方向桥墩钢围堰外东西两侧各5 m，形成一个沿着及垂直桥轴线尺寸为 34.8 m×54.8 m 的矩形区域，防护面积1 424.00 m2(未含桥墩面积)。粗抛区域采用水上抛投、自然落水施工方法，位于整个防护范围内精抛区域的外围，防护面积 6 773.90 m2(见图1)。

图1 3号桥墩防护平面布置

2.2 设计抛投量

工程在实施前对主桥3号桥墩附近河床进行了水下测量，并根据地形测量结果对桥墩的防护范围及防护结构进行了设计计算。“砂枕层+级配碎石层+护面块石层”各阶段的抛护量见表1。

表1 防护工程设计抛护量

3 抛护前后河床监测

3.1 多波束扫测特点

目前，水下防护工程地形测量多采用单波束声纳测量技术，该技术是按照一定距离间隔布设测线获取断面数据，之后将断面数据绘制成图，并按照直线插补法生成等值线图，该法并不能完全真实反映地形变化。另外，由于单波束测量在桥墩位置施测难度较大，GNSS信号常有丢失，测深点分布不均匀，局部区域测点较少，难以满足桥墩防护冲刷监测的需要。

多波束测深系统不仅克服了单波束测量产生的问题，同时具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高等优点[3]，该系统把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，得到高精度的三维地形图，比较可靠地描绘出水底地形的三维特征。

多波束测深系统具有一定复杂性，对仪器的安装、校准要求比较高，因此在测前一定要做好各种参数的校准工作，以免影响测深精度。此次多波束测深前进行了认真细致的参数校准和调试，并在测量过程中采用单波束回声仪同步对比施测，确保了测深精度。

3.2 多波束应用

获取该监测数据采用的是RESON SeaBat7125多波束测深系统。该系统由高分辨率声纳系统、声速探头、水下声纳传感器、全套数据采集软件包PDS2000组成；其中400 kHz声纳传感器每次可同时采集512个水深信号；最大发射开角165°；最大频率达50±1Hz。

内业的数据处理采用PDS2000和Caris7.1后处理软件包，对海量的多波束数据进行清理和剔除错误，并根据给定参数进行原始数据的校正，进而对数据进行计算、描述和制图。

按照多波束测深系统操作规程，对系统连接设备进行了安装检查，并联机测试。对系统参数进行标定，标定主要用于校正声纳头以及光纤罗经和运动传感器的安装偏差(横摇偏差roll、纵摇偏差pitch、艏向偏差yaw)，以确保竖直方向水深测量的精度[4]。整个数据采集过程中，GPS卫星信号及数传信号较好，河床扫测条带回波信号呈像清晰，系统通过外接表面声速仪(RESON SVP 70)可实时改正换能器表面声速，修正波束指向角度，提高精度。输入GPS 1PPS信号使得各设备精确同步UTC时间，避免因时间延迟降低测量精度。水下扫测点距平均约0.3 m。扫测范围覆盖了测区范围，测点重复度良好。

3.3 多波束测量精度检校

为验证多波束测深系统的准确性与稳定性，在多波束系统扫测的同时，采用单波束测深仪进行对比施测。测深系统采用中海达HD310型回声测深仪，平面定位采用中海达V30 GPS，基准台架设在“TQ07”，为D级GPS控制点，数据采集软件为中海达导航软件，参数设置为采用RTK固定解的解算模式，由软件控制同步采集定位坐标与水深数据。单波束测深前对平面定位系统、测深系统、导航参数等均进行了严密的比测与率定。

将多波束测深数据生成5 m点位格网模型，并输出点位成果。采用按距离加权的方式将单波束水深测点值内插至多波束格网模型上，比较每个测点的残差值，并进行精度统计。通过对测深点高程的比较，多波束测深与单频测深值吻合的较好，高程较差中误差为12 cm。部分区域成果比对见图2。

(蓝色为多波束所测高程、红色为单波束所测高程)图2 监测区域部分高程对比

3.4 多波束测量成果比对

从多波束施测的抛石前与抛石后的数据看，3号桥墩附近粗抛区床面在抛石前最低-30.2 m，抛石前最高-20.6 m，抛石后最低-26.0 m，抛石后最高-17.2 m，粗抛区床面抛护厚度范围在 0.3～7.0 m之间。精抛区床面抛石前最低-32.3 m，抛石前最高高程-21.1 m，抛石后最低-27.0 m，抛石后最高-19.7 m，精抛区较抛石前河床面增高约2.0～3.0 m，详见图3。

图3 抛护前后桥墩河床变化

4 抛护量计算与分析

桥墩混凝土抛石量采用surfer11软件并运用梯形法则和辛普森的3/8法则进行计算，并对两种计算方法进行误差比较。计算步骤如下：对测图中水下地形高程点进行矩形网格加密(加密方法为克里格，加密间距为 1.2 m×1.2 m)；将加密后的地形散点作为计算下表面，上表面设置常数Z=0，即计算水位 0 m以下的河床槽蓄量。采用梯形法则和辛普森的3/8法则。

桥墩抛护量的计算范围是桥墩位置上下游各40 m及桥墩左右侧20～40 m范围，扣除桥墩面积后，实际计算地形投影后的面积为 8 197.90 m2，分为精抛区和粗抛区两个防护区域，精抛区域防护面积为 1 424.00 m2，粗抛区域防护面积为 6 773.90 m2。

4.1 总抛投量计算

两种计算方法的偏差为0.13%～0.23‰，计算精度在允许范围内。将两种方法计算结果的均值作为抛护量计算的依据。根据计算结果，3号桥墩防护工程(砂枕+级配碎石+护面块石)的抛护总量为30 599 m3，其中精抛区的抛护量为4 016.6 m3，粗抛区的抛护量为26 582.4 m3(见表2)。

表2 防护区与精抛区抛护量计算

注：防护区包括粗抛区与精抛区。

整个防护区的河床平均增高厚度约 3.7 m，平均高程为-21.7 m。精抛区河床平均增高厚度约2.8 m，平均高程为-24.4 m。粗抛区河床平均增高厚度约 3.9 m，平均高程为-21.1 m。抛护工程后河床的平均高程均大于原设计河床高程-28.0 m，计算结果详见表3。3号桥墩位置抛护厚度3D曲面示意见图4。

表3 3号桥墩位置河床工程前后对比

图4 桥墩抛护厚度3D示意

4.2 级配碎石+护面块石抛护量计算

在完成砂枕抛护后，级配碎石抛护前进行一次多波束地形测量。表4为3号桥墩位置混凝土抛护量计算表，两种计算方法的偏差为 0.07‰～0.15‰，计算精度在允许范围内。

表4 级配碎石+护面块石抛护量计算

注：防护区包括粗抛区与精抛区。

依据多波束施测的抛石后与抛石前水下地形图比较，该次计算范围(粗抛区与精抛区)的抛石量为25 424 m3，桥墩位置河床的平均增高厚度约3.1 m，抛护后河床面平均高程为-21.7 m。其中，精抛区域抛护量为6 018 m3，精抛区河床的平均增高厚度约 4.2 m，工程后精抛区域河床面平均高程在-24.4 m。

5 结 语

铜陵长江大桥3号桥墩抛护工程采用“砂枕层+级配碎石层+护面块石层”3层防护体系，综合运用GNSS与多波束测深系统对桥墩附近河床开展抛护前后的三维监测，抛护后工程防护区域河床平均增高厚度约3.7 m，大于设计抛护厚度，达到了3号桥墩抛护加固的设计要求。

多波束测深系统具有高分辨率、高精度、全覆盖等特点[4]，可以精确、高效、快捷、实时直观地展示桥墩基础结构和河床型态，运用surfer软件能够较为精确的计算工程实际抛护量，快速测定和检验抛护工程前后桥墩附近河床的变化和效果，大大提高了工作效率，该技术方法可为今后类似水下工程的维护性监测提供参考，具有一定的推广和应用价值。