PAGE橋涵水文第二次研討會--橋墩沖刷檢測、監測和防護專題姓 名：****升專 業：道路橋梁與渡河工程學 號：21715202完成日期：2017.12.20橋涵水文第二次研討會--橋墩沖刷檢測、監測和防護專題摘要：橋墩沖刷是造成橋梁毀壞的主要原因之一，研究橋墩沖刷的監測、檢測和防護十分必要。為此，在三個部分分別簡要分析了常用的手段方法和一些新興的方向，并結合具體事例予以說明，其中監測手段主要介紹了超聲監測、時域反射系統和光纖布拉格光柵傳感器監測；檢測部分主要介紹了潛水、攝像和水下機器人檢測；防護方面主要介紹了主動防護法中的防護板、阻砂檻和被動防護的拋石防護法及其改進。關鍵詞：橋墩沖刷、監測、檢測、防護。0引言沖刷是水流對河床的沖蝕淘刷過程,是組成河床的泥沙顆粒被水流沖走,致使河底高程降低或河岸后退的過程。沖刷是導致橋梁水毀的一個重要原因,世界各國每年都有許多橋梁因洪水的沖刷而毀壞。橋梁沖刷分為三類：自然演變沖刷、一般沖刷和橋墩局部沖刷。自然演變沖刷：指的是在不受水工建筑物影響的情況下，由于水流挾帶泥沙行進而引起的河床沖刷。一般沖刷：建橋后，橋孔壓縮水流，致使橋孔上游水流急劇集中流入橋孔，在橋孔稍下游處，形成收縮斷面。該斷面處流速梯度很大，床面切應力劇增，引起強烈的河床泥沙運動，床面發生明顯沖刷。橋墩局部沖刷：局部沖刷是水流在受到阻攔時，其結構發生急劇變化。水流的繞流使流線急劇彎曲，床面附近的漩渦劇烈淘刷迎水端和周圍的泥沙，劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍的泥沙，形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴大，坑底流速逐漸降低，水流挾沙能力隨之減弱，當趨向輸沙平衡時，沖刷隨即停止，局部沖刷坑達到最深。沖刷坑外緣與橋墩前端坑底的最大高差，就是最大局部沖刷深度。為了防治橋墩在沖刷下穩定性受損，研究橋墩沖刷的檢測、監測和防護具有重大意義。本文除了對現在應用的或者理論成熟的沖刷進行介紹以外，也介紹了新興理論、方法（例如基于結構動力分析的橋梁沖刷分析、水下機器人進行橋墩沖刷檢測等等），以期了解更多關效果仍然值得商榷。1.2.時域反射系統時域反射系統(TimeDomainReflectometry簡稱TDR)用于橋梁沖刷的監測．該系統的原理是操作裝置通過傳輸線以一定的速度發出一個脈沖，脈沖沿著傳輸線進行傳播直到其末端，除非中間有斷口，這些斷口是由于空氣和水或水和沉積物的入侵造成的，這樣一部分信號就會被反射回來．通過研究這些信號的返回時間，就可以計算出不連續點的位置．圖3是TDR的實驗裝置．目前相關研究表明TDR可以準確提供輸沙和橋梁沖刷數據，并對嚴重沖刷情況予以預警．即便是高能水流狀態下，這種儀器也能提供實時的動態沖於數據。但是尚未在我國找到實際應用案例。圖圖3：TDR實驗裝置1.3.光纖布拉格光柵傳感器（FBG）監測隨著光電學和光纖通信技術的發展，光纖傳感器被越來越多地應用到結構健康檢測的工程實際之中，其中使用頻率最高的一種即是光纖布拉格光柵傳感器(fiberBragggrating簡稱FBG)。該傳感器能感知應變和溫度的變化，并由此改變自身反射光波波長，當光束傳播到光纖布拉格光柵時，光纖就會反射一種特定波長的光波，通過對變化的反射波長的采集即可實現對待測物理量的監測。該方法主要有以下優點：（1）光纖光柵傳感技術在±木結構健康監測領域具有很好的應用前景，相比于傳統的機械電子類傳感元件具有多方面的優點；（2）分布式光纖光柵傳感技術相比于傳統的點式應變傳感技術存在巨大優勢，其既可很好的反映結構的整體模態信息且對結構的局部信息也非常敏感；（3）長標距FBG傳感器的封裝方法具有很好的實用性，其不僅對傳感器工作環境給予保證而且對傳感器的基本性能影響不大，對其在實際工程中的應用給予可靠的保證。經相關實驗驗證，這兩種傳感器在洪水期間依然有效，而且這種傳感器可以測量水位、沖刷深度、沉積物高度等一系列問題．實驗結果表明，采用光柵傳感器在橋梁沖刷實時監控領域中有進一步應用的潛力。與時域反射系統一樣，該方法也只停留在理論研究階段，尚未在我國找到實際應用案例。圖圖4：應用FBG進行橋墩沖刷監測的兩種模型橋梁沖刷的檢測該部分將詳細介紹了水下基礎檢測的三種不同方法（水下攝像、水下機器人、潛水），分析了各自優缺點和適用范圍。水下攝像與潛水檢測方法在工程實踐中應用較多，其中水下機器人監測方法是新型檢測方法，有關實例證明了方法的可行性。此外還有基于動力特性識別的橋墩沖刷狀態分析等新興方法（基于結構自振頻率與振型，對其合理篩選后轉換得到能反映橋梁狀態的結構柔度矩陣，基于該結構柔度矩陣得到反映關注方向結構剛度的“計算結構位移差”），只在此對原理簡要說明。2.1.潛水監測檢測時，由潛水員手持帶照明設備的水下攝像器材下潛作業，攜帶小塊磁鐵、鏟刀、鋼尺、引水定位砣繩及探照燈，并配合實時監控錄像系統來獲取水下結構物的影像資料，潛水員與水面監控人員實時通訊聯系，以保證檢查攝錄影像的質量和結構物缺陷的各個細節及遇到突發事件的反應能力。圖圖4：利用潛水作業方法進行水中橋墩基礎檢測潛水檢測的優點在于對基礎附近的水質要求較低（無論清水、混水均可），在檢測區域內不留死角，且在檢測的同時，可以對一些缺陷進行及時修補。缺點是檢測速度慢、檢測費用高以及潛水員人身安全威脅較大，特別是在深水、湍急河流以及橋下有沉船等情況下，潛水員容易出現安全事故。從理論上講，只要潛水深度在生命安全范圍內（一般不超過60m），潛水檢測基礎均能實施。因此，除了坐落于大江大河上的橋梁以及跨海大橋外（一般水深均較深），潛水檢測對于一般的大橋、特大橋基礎均能實現檢測任務。（1）檢測范圍：墩臺水面線至河床位置。移動路線：從水面線起，按潛水員距離基礎60cm內的俯仰視角范圍（約1.5m），大致等分為若干個此深度范圍的區域，在每個深度區域內，潛水員360度檢查并拍攝該深度區域的基礎表面，從而完整的反映結構物在水下的病害情況。（2）病害定位：如在某一位置發現病害后，由潛水員根據深度表或攜帶的標尺，判斷病害所在的深度，并在該位置釋放浮標，水面人員根據預定坐標和水流影響，大致判定浮標相對基礎所在方向，并結合深度來確定病害具體位置，在立柱水位線上對應位置進行標識，在記錄紙上記錄病害發生的樁號、高度、徑向位置、錄像文件編號并繪制病害方位示意圖。（3）截圖和錄像：對無病害的樁截圖2-3張；對有病害的基礎除進行正常截圖外，病害部位應從不同角度進行截圖，圖片能夠完全反映病害的類型及病害的嚴重程度。對水下檢測的影像資料進行后期處理，并對缺陷處的描述進行錄音解說，最終整合到相應視頻文件中去。2.2.水下攝像檢測組合式水下攝像檢測儀由水下攝像頭、水下照明器、傳輸電纜、監視器、配音系統、專用吊放設備(作為攝像鏡頭的上下移動裝置)以及駁船(作為作業平臺使用)組合而成。檢測時，將工作船用繩索與被檢測墩臺固定在一起，在基礎上方水面將各拍攝點做好標記。采用專用吊放設備把攝像頭固定在欲檢測部位起始原點上，豎向垂直拍攝,拍攝過程中要求鏡頭與目標物表面要保持20～30cm左右的距離(以能看清目標物為準)，并盡量使移動平穩、勻速。完成一次豎向垂直拍攝后，沿基礎表面平移或環繞規定的間距再反向繼續拍攝。在拍攝過程中，做好記錄和描述。組合式水下攝像檢測儀作業方法的優點在于檢測速度快、成本低，并且檢測人員作業較安全，缺點是對檢測的環境要求比較高，即只有在水質比較清、基礎表面無水草等微生物附著且基礎在水中部分深度不超過5m的環境下，檢測的效果會比較好。因此，它比較適合檢測山區橋梁以及平原地區中、小跨徑的橋梁基礎，而不使用于平原地區的大跨徑橋梁以及跨海大橋的基礎檢測。2.3.新型水下機器人檢測作業方法水下遙控機器人(英文縮寫ROV)潛水有多種，通常可分為小型觀察型和作業型兩種。檢測人員應根據不同檢測環境以及檢測目選擇合適的水下機器人。圖圖5：水下機器人在水中橋墩基礎檢測現場檢測時具體工作流程如下：（1）入水：首先將ROV擺到船舷以外，監控員認為滿足條件后，通知絞盤操作員開始下放臍帶，ROV垂直下水，到達預定水深后停止下放。（2）游動：釋放韁繩，ROV在操作員的控制下靠自身的推進系統上下、左右、前后自由游動。（3）定位：ROV自身攜帶有水下定位系統及聲納掃測系統。（4）監控與作業：ROV水下就位后，依靠自身配置的水下監控攝像機從不同的角度實時監控水下情況，并通過ROV水下操作系統完成各種動作。（5）出水：ROV水下完成作業后，不存在如同潛水員一樣水下減壓，隨時可以撤離。其他程序與組合式水下攝像儀檢測方法相同。水下機器人檢測作業的優點在于能深水檢測，這是組合式水下攝像儀檢測以及潛水檢測無法比擬的優勢；缺點是目前水下機器人的推進器動力還不足，一般水下檢查作業型的抗水能力是2～4節。因此，檢查型的水下機器人目前適合于流速較低跨海橋梁以及庫區橋梁的基礎檢測，對于流速較大的橋梁基礎尚不能完成檢測任務。目前，已有水下機器人在三峽水利樞紐導流底孔封堵檢修門水下清理工程和在較深的水庫中使用水下機器人在橋墩沖刷監測的應用案例。3.橋梁沖刷的預防與保護橋墩沖刷的防護分為主動防護和被動防護兩種思路：（1）減弱下降流和馬蹄渦的侵蝕力。一般通過增大樁基部或在底床周圍建造護圈來實現，減弱馬蹄渦的影響，一般稱為主動防護。可設置減速不沖防護，這類防護工程措施主要包括護圈防護、開縫防護以及墩前排樁防護等，或者通過調治構造物,使水流軸線方向偏離橋梁墩臺,或減低防護處所的流速,甚至促使其淤積,從而起到安全保護作用。（2）提高床沙的抗侵蝕能力。可通過在樁基部鋪設石塊或顆粒材料保護層來實現，稱為被動防護。其中實體抗沖防護主要有拋石防護、混凝土鉸鏈排防護、擴大橋墩基礎防護、護腳和沉箱防護、填充混凝土模袋防護等。其中，拋石防護是應用最為廣泛的防護形式之一，其特點在于取材方便，工藝簡單，操作實施靈活性大，實際應用最多，也是研究熱點之一。此外，在橋梁設計建造的初期,應選擇根據當地的橋涵水文資料選取合適的橋位與橋墩布置形式(橋孔);對于已有的易受沖刷橋梁,應該采取適當的措施防止沖刷的產生和發展,盡可能降低橋梁的沖刷帶來的危害。在該部分中，將簡要介紹被動防護的拋石防護法、主動防護法的防護板和阻砂檻的設置。3.1合理選擇橋位與橋孔及附屬構造物橋位即橋梁的建造地址,是指橋梁軸線所在位置。選擇適當的橋位可以有效減小由于河道本身造成的橋梁的沖刷。橋位的選擇需要考慮的因素有很多,包括橋梁的設計功能條件、水文條件、地形地貌、地質條件、通航方面等。橋位的選擇和橋孔的設計必須保證在交通正常運行的狀態下順暢的通過洪水和凌汛,并與附近地區環境保護及引道路基、路面排水、堤防設施等想配套。在滿足上述功能要求的前提下,一般應選在河道順直、穩定、較窄、河槽明顯的河段,橋軸線宜與中、高水位的水流正交,避開險灘、淺灣、急彎、匯流口、急流河段。橋孔的選擇則應根據設計洪水量和設計水位來計算確定。在確定橋梁孔徑、和橋面高度等信息之后,還應考慮盡量降低因水流作用帶來的不良影響。選擇橋孔時應避免壓縮河道,橋頭河灘路堤應與洪水主流方向正交。對于變遷性河段,橋孔布設應根據洪水主流總趨勢確定。對于彎曲河段,必須要考慮河灣的凹岸沖刷。橋梁的調冶構造物時橋梁工程的重要組成部分。適當的選擇橋梁調冶構造物可以有效的預防沖刷。常用的調冶構造物有導流堤、丁壩等,其作用是調節、引導水流均勻順暢地通過橋孔,防止橋下斷面和上下游附近的河床、河岸發生不利變形,同時可以使橋梁墩臺免受集中沖刷。以上部分是橋梁設計時應該考慮的重要內容,是橋梁沖刷安全性的基礎。合理選擇橋位與橋孔,并設置合適的附屬構造物,對于橋梁的安全具有非常重要的意義。3.2拋石防護法（被動防護）對于拋石防護法，在實際案例中已經有所應用（例如烏龍江大橋沖刷防護、鄭焦鐵路黃河大橋沖刷防護實例等）。在具體事例中，需要根據具體的水文情況，考慮、計算分析所使用石塊的粒徑、形狀質量等。拋石是應用最為廣泛的防護形式之一，其特點在于取材方便，工藝簡單，操作實施靈活性大。拋石一方面增加了泥沙卷揚起動所需要的水流作用力，另一方面其粗糙的石塊在一定程度上減緩了底層水流速度。但是，拋石防護的整體性較差，運行維護費用和工作量較大，當拋石相對位置發生了變化時，就失去了防護作用。所以，盡管采用拋石方法簡單方便，但當缺少拋石的石材或石材粒徑不能滿足要求，以及有環境保護或美觀要求的地方不宜采用拋石防護。此時，可采用一些能適當替代拋石的方法，較為常用的有混凝土鉸鏈防護，混凝土硬殼單元體防護，以及混凝土石籠防護，這三種防護方式與拋石法的防護機理類似，都是阻擋下降水流帶來的沖刷以及降低前進水流攜走泥沙的能力。3.3設置河床抗沖刷保護層或阻沙檻（主動防護）這種方法通過對橋墩周邊的水流施加人為作用,改變水流的流動狀態或路徑,從而實現弱化水流沖刷作用的目的。本著這一原理,目前有不少學者提出了不同的方法：第一種是設置防護板。從護板防護法的原理圖5中可以看出,護板將水流分為兩部分,并將橋墩周圍的下降流與下部的馬蹄形漩渦隔離開來,這樣可以大大降低下降流的水流強度,同時對馬地形漩渦也起著抑制作用。下降流與馬蹄形漩渦正是沖刷坑形成的主要原因,通過對下降流和馬蹄形漩渦的抑制,可以有效的抑制沖刷坑的形成。護板防護法的效果取決于護板的尺寸和設置位置,通過合理設計護板尺寸和安裝位置,可以有效的起到防止沖刷的作用。圖圖5：護板防護法原理圖另一種比較創新的方法是橋墩下游設置阻沙檻。這類防護方法中,比較常見的做法是在橋的上游處設置保護設施或者改變橋迎水面的幾何形狀。與其他方法相比,本方法選擇在下游處設置阻沙檻,可以避免由于一般沖刷和局部沖刷導致的床位下降,同時可以降低橋墩受沖刷的程度。圖圖6：阻砂檻設置示意圖工程上現行的防護方式多以被動防護為主，其中拋石防護最為常見。如前文所述，該類方法雖然操作簡便，但由于被動防護只是機械地提高墩周土體的抗沖能力，不能從沖刷產生的原因入手，經常需要進行修繕維護，代價高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用變化較大時，拋石很容易流失，造成嚴重的經濟損失。相反，主動防護著眼于沖刷的根源，從擾動水流結構入手，降低來流的作用，從而起到很好的防護效果，雖然一次性投入可能較被動防護要多，但從長遠角度來看，修繕維護的人力和財力會被顯著降低，應是未來局部沖刷防護的發展方向。在一般的橋梁建設中，通常僅采用某一種沖刷防護方式。但在一些較大規模的橋梁工程中，有時需要兼用主動與被動防護，以達到良好的防沖效果，蘇通大橋的綜合防護就是很好的范例。4.參考文獻與資料薛小華.橋墩沖刷的試驗研究[D].武漢大學,2005.詹義正,王軍,談廣鳴,舒彩文,李薇,鄧彩云.橋墩局部沖刷的試驗研究[J].武漢大學學報(工學版),2006(05).詹磊,董耀華,惠曉曉.橋墩局部沖刷研究綜述