桥梁基础冲刷监测技术综述*

宋 刚，梁 杨，黄建云

1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067

2.重庆市市政设施运行保障中心，重庆 400015

3.宁夏交投高速公路管理有限公司，宁夏 银川 750000

基础冲刷严重影响着桥梁结构的安全性，而且由于水流的冲刷都在水下，一般很难及时发现，桥梁基础冲刷破坏往往在没有预警的情况下突然发生。例如，2002年6月9日，陕西西安灞河暴发洪水，将陇海线灞河桥1～5号墩冲垮，第1～6孔梁坠落，造成陇海线双线中断行车14.5h。2013年7月9日，四川省绵阳市江油盘江大桥在暴雨洪水中垮塌，当时经过大桥的车辆共16辆，成功脱险10辆、坠河6辆，共接到失踪人员报告12起，核实失踪人员7人、确认遇难人员5人。2018年7月27日晚，四川岷江大桥受洪水影响发生垮塌。易仁彦等[1]收集了中国2000—2014年间桥梁在运营阶段发生的106起坍塌事故，发现高达30%的事故是由冲刷造成的。如何防止和监测桥梁基础冲刷是当下迫切需要解决的问题。

目前桥梁基础冲刷研究主要集中在三个方面：冲刷机理、冲刷防护措施和冲刷探测技术。桥梁基础冲刷监测技术方面，目前的冲刷监测方法主要有铅锤测探、人工锥探、蛙人下潜等传统的探测技术以及声呐、光纤光栅传感器等新兴技术。传统的铅锤测探、人工锥探、蛙人下潜等探测技术存在人力物力耗费大、探测结果易受测量人员经验影响等缺点，特别是水下作业对测量人员的安全造成了很大威胁。因此，发展新兴探测技术极为重要，为此文章主要对基础冲刷监测新兴技术进行综述。

1 声呐技术

声呐探测充分利用了声波在水中的传播和反射特性，是基础冲刷探测的一种重要方法。杨建明等[2]详细阐述了三维多波束实时声呐系统与传统水下声呐探测方法的区别，并采用3D Echoscope三维多波束实时声呐观测系统对某铁路桥基础及周围河床被冲蚀的程度进行了探明。角度响应对回波强度影响较大，为此，赵建虎等[3]提出了一种利用底质回波强度特征的AR聚类改正方法，借助多波束声呐回波强度数据实施非监督底质分类，研究每类底质的AR特征，形成每种底质的AR曲线簇，从观测的回波强度序列中减去对应底质的AR值，并将其归一化到平均强度，最终实现了回波强度中AR影响的消除，取得了高质量的多波束声呐图像。为掌握苏通大桥主塔墩基础冲刷防护工程实际抛投防护材料的效果，周丰年等[4]采用多波束测深系统以每7d一次的频度对核心防护区和永久防护区进行地形扫测，获得了测区内不同时期的冲淤变化。水下声呐传感器的安装固定比较困难，为此，杨书仁等[5]提出了一种用于探测水下结构损伤、基础及河床冲刷的声呐探测平台，它包括支架系统、提升系统、不锈钢管。不锈钢管的下端均与声呐仪保护架相连接；钢绳从提升系统之间穿过后向下延伸，再依次穿过圆形钢板、方形钢板与声呐仪保护架相连接。该平台结构简单、造价较低，使用起来安全方便。

声呐探测技术的特点为分辨率高、工作稳定、能大范围测量、可以三维成像，适用于非连续监测，是现行行业标准《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T 1037—2016）的推荐方法，但其测量结果易受水中悬浮泥沙影响，洪水期无法检测，不能实时监测泥沙回淤过程。

2 磁测技术

磁测技术是一种非接触式监测技术，不受水流、岩石、淤泥等影响，维护简便、适用性强。周智等[6]提出一种基于磁法勘探的冲刷监测方法，在结构基础易冲刷区域预先布设或与防护抛石一起抛掷磁法冲刷传感器，采用磁力仪探测磁法冲刷传感器位置改变信息，实时监测结构基础冲刷状态。江胜华等[7]对磁场梯度反演磁性标签石块三维位移场算法进行了研究，通过运动自由度缩减的方式避免了基于优化搜索的磁场梯度反演中的非线性和不适定性问题。Tang F J等[8-9]以磁场理论为基础，推导了磁铁方向未知型智能岩石和磁铁方向已知型智能岩石的磁场分布，提出了背景磁场下两种智能岩石的定位算法。

磁测技术的特点为适应性强、维护简便，传感器可以粗放布设，但冲刷测量精度受地球背景磁场影响，磁场梯度方程反演定位困难。

3 光纤光栅监测技术

光纤光栅由于精度高，且封装后能防水、耐腐蚀，长期性能比较好，不但能传感，而且也能用于传输数据，利于组网和实时监测，已经被广泛应用于结构的健康监测。Zhou Z等[10]提出了一种用于桥墩和桥台基础冲刷监测的光纤光栅传感系统，该系统引入一种均匀强度的纤维增强复合材料（FRP）梁，在梁中性轴两侧安装FBG传感器，测量动水压力作用下的梁的拉伸应变和压缩应变。试验结果表明，该系统对水流变化敏感，能有效地监测冲刷过程，且不受周围静水压力和土壤压力的影响。潘洪亮等[11]提出了一种通过监测桩基附近土压力大小进而分析桩基冲刷状态的FBG冲刷传感器，光栅的封装采用经过结构优化设计的GFRP悬臂梁，在土层接触不同栓杆时，通过监测悬臂梁变形可以识别传感器工作状态的变化，进而通过试验证明该冲刷传感器空间分辨率可达0.1m。熊文等[12]提出基于露出河床的布拉格光栅传感器的不同相对位置以及对水流力和结构弯曲的波长变化来实现桥墩冲刷动态监测。

光纤光栅监测技术的特点为可自动化和实时在线，静水环境和洪水环境下的冲刷监测均适用，但需要开挖河床，传感器安装及后期维护困难。

4 动力识别技术

基础冲刷会导致桥梁动力特性发生变化，近年来有学者提出通过测试桥梁振动信号实现对基础冲刷深度的识别。姚锦宝等[13]以城鸡线2K+614m桥5号桥墩为研究对象，通过开挖不同厚度桥墩基础周边覆盖层土体模拟基础受冲刷程度，运用冲击振动试验法进行桥墩自振特性测试，分析了桥梁基础受冲刷对桥墩自振特性的影响。熊文等[14]为快速评估运营阶段桥梁基础冲刷状态，提出了一种基于实测模态与模型更新的冲刷动力识别方法，并在杭州湾大桥桥塔冲刷检测中进行了应用。

基于动力识别的基础冲刷技术避免了水下安装监测设备，实施简单，但是在实际工程应用中，桥梁振动响应信号中不可避免地含有各种干扰噪声，传统的结构性能识别技术抗噪声干扰能力差，因而桥梁微振动信号的处理和分析是该方法推广应用的难点。

5 结束语

声呐探测技术作为现行规范推荐的基础冲刷监测技术，相对比较成熟，但长期监测需要在桥梁墩台预埋安装件，对于运营期桥梁来说实施困难，因此研发简便易实施的声呐安装装备并提高恶劣环境下声呐探头的寿命，值得进一步研究。磁测技术和基于动力识别技术的基础冲刷监测方法能够在恶劣的环境下使用，维护简单，可以长期实时监测，推广应用前景广阔，其识别算法还需要进一步研究。光纤光栅传感技术用于基础冲刷，长期稳定性好，但目前仅见于文献，需要经过实际工程对其进行检验。