Brian Devlin检查不同类型的冲刷,什么是冲刷临界桥梁,传统的桥梁冲刷检测方法和辅助桥梁冲刷评价的现代成像工具
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作者:Brian Devlin,C苦干的工程师,米CEI柯林斯工程师总监

本文是Brian Devlin的演讲预览,定于星期二下午6:30举行,12月9日在克莱德路22号(由结构和施工部组织)。见爱尔兰工程师网站有关事件的更多细节。

在讨论冲刷的影响和避免冲刷的方法之前,了解冲刷过程是很重要的。冲刷发生在河道中的水流速度足够大以拾取底部物质并将其输送到下游时。水速越大,可以移动的材料的重量越大。桥上发生的总冲刷可由三个部分组成:长期河道退化,收缩冲刷和局部冲刷。

退化是指由于人为或自然原因造成的河床长期下降或冲刷。这些长期变化通常发生在河流或小溪的整个宽度上,并且可能延伸到水道的长河段。这些变化可能是由于水道的自然趋势,也可能是对水道或分水岭的人为修改的结果。例如,分水岭的城市化或疏浚水道区域可能导致下游退化。

一般来说,桥梁工程师将不能影响或控制桥梁现场以外的因素,但是工程师需要认识到,过去表现令人满意的桥梁可能由于桥外环境的原因和变化而受到退化的危险。此外,如果在一个桥上发生退化,同一水道上的其他桥梁也可能受到影响或受到影响。

收缩冲刷涉及从河床或河岸上移除跨越桥附近所有或大部分河道宽度的材料。最常见的收缩冲刷类型是由于航道中的底部结构元件使航道横截面减小,或者通过侵占桥台和引堤进入天然水道开口。

由于水路流量的减少,通过桥梁的流速相应增加,然后它把通道底部和岸边材料带走。除了桥墩和桥台,河道或泛滥平原的碎片堆积和植被生长也可通过减少可用的水道开口引起收缩冲刷。

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图1:圆柱形码头的冲刷

局部冲刷通常限于与单个子结构单元相邻的通道的一小部分。当水在码头或桥台的上游面上“堆积”时,马蹄形涡旋形成于桥梁基础单元周围。这些旋涡的作用从邻近地基的河流或河床中去除材料。

如果远离桥梁的泥沙输运速率大于进入该区域的输运速率,将会出现冲刷坑。冲刷孔通常在基础单元的上游鼻子处最深,并且沿侧面延伸一定的距离。在元件的下游端,其中水速通常较小,有时可以沉积被输送的材料。影响局部冲刷深度的因素是下部结构单元的宽度,流速,流动相对于子结构单元的角度,单元的形状,以及任何碎片堆积的存在。

关于局部冲刷,码头越宽,冲刷孔越深,通常就会发展。如果墩不沿水流方向定向,则墩的有效宽度也会增加,或者如果码头有碎片堆积。子结构单元空气动力学的程度也极大地影响在桥墩上游端头形成的涡流速度,反过来,潜在冲刷深度。例如,方形鼻形码头的冲刷深度比圆形鼻形码头大约10%,比锥形鼻形码头大约20%。

冲刷检测与监测


严重的冲刷状况通常可以通过水下检查或许多顶部监测方法中的任何一种来识别。最大的冲刷发生,然而,在最大流量期间,当速度最大时。随着水流减少和速度下降,冲刷孔可以部分或完全填满。因此,在较低流速期间的检查可能不指示在较高流速期间发生的真正的最大冲刷深度。

因此,进行冲刷现场检查的最佳时间是在最大流量期间,但在高流量期间进行冲刷深度测量,尽管通常可能,可能并不总是实用的。

水深探测是冲刷调查人员最基本的工具。在水深5米或更小时,沟道底部构造通常可以通过利用长渐变极测深来确定。回波测深仪也可以用来从桥梁上部结构获取测深,但当实际情况时,应使用船只允许在桥的上游和下游进行探测,以及周围的下部结构单元。

全面评估桥梁的冲刷活动,通常在每个子结构单元周围进行探测,沿着桥的上游和下游面,沿着桥梁上游和下游长达60米的线路。

在高流量期间,即使在3m/s或更高的速度下,一个训练有素、经验丰富的船员是可能的,装备适当的船,以及适当的测深设备,用于在桥梁及其下部结构单元周围进行测深。关怀与技巧,然而,必须用于防止探空船与基础元件碰撞,水的湍流会在一定程度上降低测深数据的质量。

虽然评估最大冲刷深度的最佳时间是在洪水事件期间,由于存在困难和可能的危险,这并非总能实现。如前所述,然而,冲刷孔可以完全填充一旦流下沉和冲刷调查可以更容易地发生。

确定在峰值流期间出现的冲刷孔的最大深度的一种方法是使用底部剖面测量设备来评估存在于底部结构单元周围的不同土层材料。冲刷凹坑内的填充材料通常比原始床材料密度要小,利用探地雷达可以探测到新铺设的航道底部地层与原地地层的差异。这些专门方法的适用性,然而,取决于桥址条件和河床材料的性质。

在洪水事件中,桥梁仍然在服役,这总是存在一种风险因素。然而,创新的高分辨率声成像技术可以减少桥梁关闭过于保守的两种情况,以及桥梁保持开放供使用的地方,也许是不明智的,因为工程师潜水员无法安全地进入水中以确定地基的完整性。水声成像可以在任何时间增强条件评估观测,但它的真正价值往往在洪水事件中得到证明。

在过去的二十年中,水声成像技术被用来补充各种水下结构的潜水检查,并在潜水员调查不安全的紧急情况下实施。在范围和分辨率方面的最新进展现在为基础设施所有者提供了确保其桥梁安全的各种工具。

即使在能见度为零的最浑浊的水域,声纳可以提供水深数据和高质量的图像。水声图像质量不同,分辨率,以及取决于特定声纳装置的尺寸透视图(二维或三维)。

多波束条带声纳


多波束条带声纳波束布置允许用每个声纳脉冲对非常薄的横截面进行详细映射。大多数系统是船上安装的,并且需要船的前进来推进发送/接收信号的位置。工作频率通常在0.7MHz和1.8MHz之间。其他多波束条带系统以极低的频率用于底部剖面应用。

多波束声纳系统的功能类似于单波束回波测深仪,只是它们具有多个声纳波束同时作用,从而能够在较短的时间内实现更密集的数据覆盖。这种类型的系统使用扇形声束阵列,这些声束通常提供接近100%的海床或通道底部的覆盖率。例如,典型的多波束测量可能具有扇形阵列,其能够具有七倍于水深的“条带宽度”。这意味着如果水深为30米,可以获得高达210m宽的条带的测深数据。

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图2:维诺纳大桥的三维声学图像,薇诺娜明尼苏达美国展示暴露有桩的受损桥墩

对于垂直成像应用,同样的理论也适用,但是条带宽度取决于传感器和墩面之间的距离。另一种形式的多波束声纳是三维机械扫描声纳,它本质上是一个装有机械步进电机的多波束声纳单元。在执行扫描时,声纳需要保持静止。固定部署通常通过稳定的杆/塔或锚固良好的三脚架来实现。

多波束条带声纳的主要优点是能够快速获得大量的三维数据。多波束条带声纳产生三维静止图像,通常称为点云。对于桥梁检查应用,三维数据的生产将允许检查员记录和评估剥落深度和基础破坏。通过使用多个或重叠的传递,声纳操作员能够获得更大的数据密度和100%的底部覆盖面积。

多波束条带声呐的主要局限在于产生的海量数据需要花费大量的时间进行后处理。现场操作和数据后处理都需要大量的培训和技能。

多波束声纳,由于它涉及桥梁冲刷检查,应该在三脚架上降低到通道底部,以允许它平滑地将数据从通道转换到桥支撑的垂直面。在熟练的操作者手中,多波束条带声呐能够进行高质量的测量。还应当指出,对于底部地形相对简单的浅水航道,多波束系统是一个较差的选择。然而,在具有某些环境特征的地区(例如。更深的水,复杂的海底地形,能见度有限,强电流,多波束测量提供了许多独特的优点。

扇形扫描声纳


二维成像声纳系统具有长方形,扇形梁它们基本上通过记录从锥角的宽维度返回的全部范围并在二维图上绘制来工作。声呐单元无法区分返回来自宽锥角的哪一部分,但它可以判断一个回波是否从多于一个距离返回。扇形扫描声纳是洪水期间最常用的二维水下成像设备。

扫描声纳的工作方式与侧扫声纳相似,换能器在水中发射扇形声脉冲;然而,与侧扫声纳不同,这需要血管运动以形成图像,如果换能器在头部机械转动时保持静止,扫描声纳工作得最好。

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图3:查理蒙特桥墩的二维声学图像,Moy有限公司。蒂龙露出底座

声学图像被记录在由ping生成的一系列“切片”中,在每个换能器旋转之后。扫描声纳工作频率通常在330kHz和2.25MHz之间,具有用于信道底部和675kHz的结构成像的公共频率(阿瑟顿,2011)。

扫描声纳的主要优点是能够产生从通道底部延伸到水面的水下结构的通道底部和垂直分量的详细图像。扫描声纳也可以在潜水操作之前和期间使用,以指导水下检查员发现潜在的缺陷,以及指导检查员了解潜在的水下危险。垂直结构表面的扇区扫描通常不需要地理参照,从而简化了过程。

由于范围有限以及声纳头需要位于稳定的安装位置,扫描声呐的主要限制是固定装置需要较长的时间才能获得。此外,使用扫描声纳开发高度详细的图像严重依赖于声纳定位和稳定性。

结论


水声成像在工程潜水员无法进入水域的洪水期间进行紧急桥梁检查时,被认为是非常有价值的。然而,确定用于单个站点的最合适的设备常常存在挑战。使用适当的设备,通常用于桥梁检查的是扇形扫描声纳或某种类型的多波束声纳,质量,高清晰度图像通常是可能的。

在某些情况下,环境条件,物质属性,或者几何配置可以防止图像的最高质量,虽然操作员的技能通常是一个主要因素。取决于许多因素,通常最好将声学技术局限于二维图像的扇形扫描声纳和三维图像的多波束声纳。也,建议成像操作人员在桥梁检查和声纳成像方面进行正式培训。

关于水下成像的详细指南,与水下检查相比,在许多桥梁评估手册中并不常见。然而,越来越多的出版物指出,当工程师潜水员的不安全条件存在时,声成像可以在某种程度上被使用。由于声纳设备种类繁多,分辨率和范围各不相同,桥主提供性能规范非常重要。

感谢中欧柯林斯工程师有限公司

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作者:Brian Devlin,特许工程师,CEI Collins Engineers董事总经理本文是Brian Devlin演讲的预览,定于星期二下午6:30举行,12月9日在克莱德路22号(由结构和施工部组织)。更多细节请参见爱尔兰工程师网站…