九江大橋坍塌落水橋段的探測及數(shù)據(jù)分析

1、九江大橋坍塌落水橋段的探測及數(shù)據(jù)分析廣東海事局海測大隊(duì) 何開全、張永昭摘 要：通過判讀旁掃聲吶聲圖、分析多波束測深系統(tǒng)水深數(shù)據(jù)，獲得事故現(xiàn)場水下地形、地貌、障礙物姿態(tài)，為下一步的探摸、打撈提供可靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：落水橋段 姿態(tài) 旁掃聲吶 多波束 數(shù)據(jù)分析 聲圖判讀1 引言隨著水下探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，水下障礙物探測技術(shù)手段也不斷改進(jìn)。多波束測深系統(tǒng)和旁掃聲吶系統(tǒng)是近年來使用比較成熟的探測裝備，但是對于一些特殊的探測要求，單一設(shè)備有其自身的局限性。這里通過九江大橋坍塌落水橋段的探測實(shí)例，介紹綜合利用多波束水深數(shù)據(jù)和旁掃聲吶聲圖，獲取更加全面的水下沉物數(shù)據(jù)，模擬沉物的形狀和姿態(tài)，得到更好的探測效果。

2、2 任務(wù)背景及探測方案“6.15船撞九江大橋事故”四部墜江沉車打撈出水后，廣東省佛開高速公路有限公司為了清理水下斷橋及修復(fù)橋梁需要，委托廣東海事局海測大隊(duì)對事故中受撞坍塌的九江大橋所在水域進(jìn)行掃測，以摸清事發(fā)水域的水下情況，以及大橋斷裂坍塌落水橋段在水下的分布狀態(tài)，為下一步的工作提供可靠的技術(shù)資料和依據(jù)。委托方對探測的精度和探明水下沉物的形狀及姿態(tài)的要求很高。由于探測水域水流湍急、水深變化明顯、水下情況復(fù)雜，探測船舶只能從橋孔逆水單方向掃測，順?biāo)较蚣翱v橫方向均不能進(jìn)行掃測。鑒此，使用單一的探測技術(shù)手段難于得到理想的探測結(jié)果，所以在探測方案上選用了SIS-1624雙頻旁掃聲吶系統(tǒng)和Reson

3、Seabat 9003多波束測深系統(tǒng)，兩種探測手段互相補(bǔ)充。3 數(shù)據(jù)分析使用SIS-1624雙頻旁掃聲吶對斷橋及其附近水域進(jìn)行了多次全覆蓋掃測。SIS-1624旁掃聲吶的TTV-196D拖魚可同時工作在110130 KHz和370390 KHz兩個頻段，包含Chirp和CW兩種聲吶。Chirp 聲吶在長距離上可以達(dá)到高分辨率成像，而CW聲吶則可在短距離上精細(xì)分辨目標(biāo)，系統(tǒng)將兩種聲吶的各自優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有效的結(jié)合。掃測過程中，使用CW聲吶、75米量程，獲得詳盡的斷橋水域聲圖。圖1-1為24號橋墩與25號橋墩之間水域水下狀況聲圖截圖，圖1-2為23號橋墩至24號橋墩之間水域聲圖截圖。船撞23號橋墩后斜插

4、于河底。使用Reson Seabat9003多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行全覆蓋水深測量。Reson Seabat 9003多波束測深系統(tǒng)換能器的波束數(shù)為40，波束間角3°，掃測角120°，測距分辨率5 cm，測深精度±4 cm，其分辨率對于進(jìn)行探測水下沉物顯得過低。為了彌補(bǔ)多波束系統(tǒng)分辨率不高的問題，采用多次重疊全覆蓋掃測，以采集到更多的水深數(shù)據(jù)。水深數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐、聲速、吃水等改正，經(jīng)處理得到事發(fā)水域水深圖。根據(jù)水深數(shù)據(jù)繪制3D地形模擬圖。25號橋墩24號橋墩B3A626號橋墩A3B2A2A1圖1-1 24號橋墩至25號橋墩之間水域聲圖沉船A422號橋墩23號橋墩B3B12

5、4號橋墩A5圖1-2 23號橋墩至24號橋墩之間水域聲圖通過判讀旁掃聲吶聲圖和分析多波束地形模擬圖，并結(jié)合水深圖，對水下物體特征及地形變化分析如下：A：橋面A1：分析聲圖1-1及多波束地形模擬圖，物體A1為26號墩處斜插入江底的橋面。橋面水上部分連接26號橋墩未坍塌橋面，斜插入水中。圖2-1為橋面A1水深截圖。圖中曲線所示為橋面A1。分析圖2-1，A1南高北低，傾斜度比較大，水深變化明顯。圖2-1 橋面A1水深圖A2：判讀聲圖1-1，物體A2為一段連續(xù)的比較完整的橋面，坍塌于25號墩與24號墩之間，A2向南距25號墩約15米處與A1連接，并發(fā)生折斷，向北距24號墩20米處發(fā)生斷裂。橋面高出河床

6、，走向?yàn)槟媳薄D2-2為橋面A2水深截圖。分析水深圖，橋面A2平躺于河床，姿態(tài)平緩，南端與橋面A1連接。A2南端最淺，最淺處水深18米，附近河床水深約22米。由南向北，河床水深逐漸加深至29米左右，橋面A2的水深以相應(yīng)趨勢加深至21.5米，橋面A2高出河床最大約7.5米。 圖2-2 橋面A2水深圖A3：判讀旁掃聲吶聲圖，24號墩、23號墩處聲圖上顯示，A3疑為坍塌的橋面，較為破碎，不連續(xù)，情況復(fù)雜。水深圖中顯示該處地形混亂，無法辨別。 A4：判讀旁掃聲吶聲圖，A4為24號墩至23號墩之間一段完整的橋面，南端與其他橋面完全斷開。其水深截圖如圖2-3。分析A4水深截圖，A4以西北端高，東南端低的姿

7、態(tài)躺在河床上，北端與另一橋面A5之間斷開，北端高出河床約6米，南端高出河床約2米。考慮橋面本身的高度以及橋面下陷，判斷A4南端與河床接觸。橋面A4在河底的走向?yàn)楸逼珫|30°。圖2-3 A4、A5水深圖A5：23號橋墩與22號橋墩之間坍塌的橋面。A5與A4在23號橋墩處斷裂，南高北低，在河底走向?yàn)楸逼?0°。橋面A5水深見圖2-3。分析水深截圖，A5南端高出河床約8米，向西北方向水深逐漸變深，與河床距離逐漸變小。A6：判讀旁掃聲吶聲圖，A6為斷橋橋面邊緣比較模糊的條狀物體，為橋面上的護(hù)欄。由于多波束分辨率的限制，多波束不能分辨出護(hù)欄。B：橋墩判讀旁掃聲吶聲圖，橋墩附近情況復(fù)

8、雜，根據(jù)聲圖色階變化及物體形狀判斷： B1：23號橋墩上游側(cè)江底呈東西向分布的長條帶狀反射物體，陰影明顯，疑是倒塌的橋樁；B2：24號墩附近，疑為倒塌的橋墩；B3：新九江大橋未被損壞橋墩。C：橋面斷口分析通過判讀旁掃聲吶聲圖和分析多波束數(shù)據(jù)，在斷橋水域坍塌的橋面共有4個斷口。斷口位置如各圖中所示。斷口1：位于26號橋墩與25號橋墩之間，橋面A1、A2之間的斷口；斷口2：位于25號橋墩與24號橋墩之間，橋面A2的北端，完全斷開；斷口3：位于24號橋墩與23號橋墩之間，橋面A4的南端，完全斷開；斷口4：位于23號橋墩附近，橋面A4與橋面A5之間的斷口。經(jīng)分析，23號橋墩處橋面坍塌后斷裂并發(fā)生移位，

9、斷口處橋面向東移動，導(dǎo)致橋面A4和A5形成約120°的角度；分析水深截圖2-3，橋面A5在斷口處水深19.5米，橋面A4在斷口處水深21.5米，橋面A5與橋面A4在斷口4處上下移位約2.0米。使用SIS-1624旁掃聲吶掃測，通過對聲圖的判讀，可直觀地反映斷橋水域水下物體姿態(tài)、目標(biāo)性質(zhì)、地形變化等。使用Reson Seabat9003多波束系統(tǒng)進(jìn)行全覆蓋掃測，根據(jù)水深數(shù)據(jù)反映出海底目標(biāo)和微地形變化。通過繪制水底地形3D圖，比較直觀地獲得水下物體的分布狀況。對旁掃聲吶發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)的大小、范圍、深度以及地形變化有了更細(xì)致的了解。旁掃聲吶聲圖于多波束數(shù)據(jù)結(jié)合分析，獲取詳盡的斷橋及其附近水域的

10、物體姿態(tài)、目標(biāo)性質(zhì)、微地形變化等數(shù)據(jù)。為后來進(jìn)行的水下探摸工作的開展提供了第一手資料，增強(qiáng)了探摸的安全性、目的性。4 水下探摸情況根據(jù)海測大隊(duì)提供的旁掃聲吶和多波束資料以及分析結(jié)果，廣東交通集團(tuán)檢測中心組織了事發(fā)水域水下探摸工作。其目的是確認(rèn)各落水橋段是否斷開，以確定清理施工使用的起重船舶或沉箱的起吊能力。由于客觀條件限制，潛水人員不能對坍塌的梁體下部進(jìn)行探摸。根據(jù)多次探摸結(jié)果，坍塌的梁體在水中的平面分布情況如圖3所示。橋面梁體22號墩沉船斷口2斷口4斷口323號墩24號墩25號墩26號墩斷口1圖3 坍塌梁體平面圖分析坍塌梁體示意圖，明確分辨的斷口有4個：（1）斷口1為倚靠在26號墩的斜插梁與水中平躺梁的交界處，之間有預(yù)應(yīng)力鋼筋連接；（2）斷口2完全斷開，附近未發(fā)現(xiàn)混凝土塊或箱梁的痕跡；（3）斷口3完全斷開，附近未發(fā)現(xiàn)混凝土塊或箱梁的痕跡；（4）斷口4處的橋面上下錯動1.3米，斷口處有大量混凝土塊；（5）斷口2和斷口3之間有較多鋼筋、鋼架等雜物，情況十分復(fù)雜。此次探摸結(jié)果表明，海測大隊(duì)根據(jù)旁掃聲吶數(shù)據(jù)和多波束數(shù)據(jù)獲取的水下情況與潛水探摸結(jié)果基本