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

姓名：****升

专业：道路桥梁与渡河工程

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完成日期：

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。

关键词：桥墩冲刷、监测、检测、防护。

0引言

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。桥梁冲刷分为三类：自然演变冲刷、一般冲刷和桥墩局部冲刷。

自然演变冲刷：指的是在不受水工建筑物影响的情况下，由于水流挟带泥沙行进而引起的河床冲刷。

一般冲刷：建桥后，桥孔压缩水流，致使桥孔上游水流急剧集中流入桥孔，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。

1桥梁冲刷的监测

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，该部分不做重点介绍。

1.1．超声波监测

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,深度的变化反映了河床的变化。

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

图2：固定式声纳监测方法