摘 要：结合桥梁水下基础检测的实际需要，综述国内外水下基础检测技术现状。针对桥梁水下基础检测中存在的 问题， 提出采用水下机器人进行检测，其是融合专家系统与人工神经网络对桥梁水下基础进行损伤检测与诊断的新技术。评估水下机器人在我国的应用前景并展望桥梁水下基础检测技术的发展。

关键词：桥梁水下基础；无损检测；水下机器人；损伤诊断

文章编号：1009－6477（2012）02－0071－03 中图分类号：U445．55 文献标识码：B

ResearchonDetectingTechniquesforUnderwaterFoundationsofBridges HUGuoxi，MIUPinbo

随着桥梁运营时间的延长，交通量不断增加，荷 载等级逐渐提高，以及受环境条件和桥梁施工阶段留下隐患的影响，桥梁在运营过程中会出现各种各样的病害，其中包括桥梁水下基础的病害。桥梁水下基础作为桥梁结构的重要组成部分，承担着将上部结构荷载传递给地基的重要任务，其病害的发生、发展直接影响桥跨结构的实用性和耐久性，严重时还会危及桥梁运营安全。但目前对于桥梁水下基础的检测还只是停留在传统检测方法上，没有一套系统、成熟、适用于既有桥梁水下基础检测与诊断的技术。因此，本文在总结国内外水下基础检测技术的 基础上， 针对目前桥梁水下基础检测中存在的问题，提出采用水下机器人，结合专家系统与人工神经网 络对桥梁水下基础进行损伤检测与诊断的新技术，并对其在我国的应用前景进行评估。1桥梁水下基础常规检测方法1．1 超声脉冲检测法 超声波法是在桩基混凝土灌注前，沿桩的长度 方向预埋若干根平行的检测用管道，作为超声脉冲发射和接收探头的通道；管内充满清水等偶合剂，将检测探头分别在2个管子中同步上下移动，由仪器发出周期性电脉冲，逐点测出桩基沿不同深度横截面上超声脉冲穿透混凝土时的各项参数（声时、波幅、主频、波形以及频谱等），根据所测参数由相应的数据处理系统软件对各种参数进行综合判断和分析，以判断桩基混凝土各断面是否存在缺陷及缺陷 的性质、大小和位置，同时评价混凝土的总体均匀性和强度等级指标。超声脉冲检测法主要用于桩基础检测，其可对直径为0．6～1．0m桩的桩身进行完整性检测，且不受桩长的限制。近年来由于测试仪器和方法不断完善，故其应用较为广泛。江阴长江大桥所有382根钻孔灌注桩均逐根采用了超声波法进行检测，收到了较好效果。1．2钻孔取芯法 该方法直接在灌注桩上钻取圆柱形芯样，用局部区域（芯样）的混凝土强度代表桩身混凝土强度，通过取芯过程和芯样观察（包括切片），对桩身完整 性进行描述。该方法是一种半破损检测法，芯样直径一般不小于骨料zui大粒径的3倍，高径比应在 1～2范围内。采用该方法虽然可直接得到检测结果，但检测费时、费力，费用高，且不能全面诊断桩基混凝土的内部缺陷。1．3 水下目视检测法 水下目视检测法是一种纯粹的人工作业法，是由潜水员携带水下摄影机潜入水底对检测区域进行拍摄，并亲手逐个摸索检测区，切身感受是否出现裂痕或破损等病害。由于能见度的影响，与陆上目视检测法相比，水下目视检测法需要通过水下照明系统取得立体和本色图像。因此，在水深30m以内的作业区要用人工补偿（如色谱照明光）记录结构图像，在深水区则随着深度增加依次采用石英碘灯、水银蒸气灯、铊碘灯、镝碘灯与高压钠灯等进行泛光照明，以观测和记录基础表面的状态，
为是否
 
需作进一步的检测提供依据。该方法是一种zui基本 且非常重要的方法，已在杭州湾跨海大桥水下基础检测中得到应用。1．4 低应变法（反射波法） 该方法是在桩顶安放速度传感器并在桩顶施加竖向激振力，产生的弹性波沿桩身向下传播，当下行 的弹性波在桩身存在明显的波阻抗界面（如桩底、断桩、缩径、扩径或离析等部位），就会产生一个上行反射波；检测仪器将接收到的反射波进行数据处理，可识别桩身不同部位的反射信息，并根据反射波形的正负极性和幅度大小及其随时间的变化 特征， 可判断桩身的完整性和桩基混凝土的强度等级。由于该方法测试速度快，且能较为准确地判断较严重的缺陷，故常被用于带有“普查”性质的逐桩检测中。2 目前桥梁水下基础检测中存在的问题 上述几种桥梁水下基础检测方法中，每种方法 都或多或少存在着一些缺陷。超声波法虽然穿透能 力强、 检测设备简单、操作使用方便，但其检测结果易受混凝土中的钢筋和水分的影响；超声法检测无论是理论上还是在实际检测中都有很多不完善之处。钻芯法具有直观、准确、代表性强的特点，但它对结构构件有局部破损，且对于位于深水区的基础，由于取芯速度较慢，要想取出完整的芯样则非常困难。水下目视检测法不仅要耗费大量的人力、物力，而且还很容易受到环境的影响；对于水下能见度较低（尤其是水质浑浊）的区域，即使派有经验的潜水 员， 也很难保证检测结果的准确性。桥梁水下基础可分为2部分：河床以下和河床以上。对于介于河床以上与水面以下之间的桥梁基础部分， 其混凝土缺陷中的空隙常被水充满，如使用超声波法对其进行检测，则很难保证检测结果的准 确性；而对于河床以下的桥梁基础， 钻芯检测法、超声波检测法等方法又几乎不可能实现。对于既有桥 梁， 由于桩顶被承台覆盖，传统的通过分析实测桩顶加速度响应信号的特征来进行桩基检测的反射波法难以使用。此外，目前使用的桥梁损伤检测方法大多是依靠人工来完成的，对于处于深水区的桥梁基础，由于有些区域水流湍急，气候环境恶劣，人工检测很难进行。3 桥梁水下基础检测新技术 由于现有的桥梁水下基础检测方法本身存在缺 陷， 且应用这些方法时也存在诸多困难，因此可运用自动化设备的研究成果（如水下机器人）来进行桥梁水下基础检测的数据采集，并结合目前桥梁健康监测研究中较为*损伤识别技术对数据进行识别和综合诊断，从而建立一个完整的桥梁水下基础检测、 诊断与评估体系。水下机器人是集水下高技术于一体的仪器设备，它集成了动力电源、控制、推进、导航等仪器设备，还按照不同的应用目的相应配置了不同类型的探测仪器。水下机器人是人类智能和各种感官、器官在水下的延伸， 可利用水下机器人进行水下检测和研究作业，去完成人类肌体无法适应的各种水下 环境的检测、 探索和研究。目前已研制的观测型水下机器人可应用于代替潜水员观察和水下设施检测等方面。因而，在桥梁水下基础的检测过程中，可考 虑以遥控水下机器人为载体， 在机器人上配备浅剖声呐、高频成像声呐等检测传感器，使之成为一个装备有声、光、电等多种*传感器的综合体，去实现 桥梁水下基础检测的数据采集。 对于通过水下机器人采集到的数据进行识别和综合诊断，可采用工程结构健康监测研究中提出的人工神经网络与专家系统。由于人工神经网络已成功应用了滤波、 谱估计、信号检测、系统辨识、模式识别等技术，因此神经网络识别法可有效避免高噪音 干扰和模式损失等不利因素。由于桥梁水下基础损伤检测难以获得完备的检测数据， 然而利用人工神经网络法，并结合小波分析法，可提取基础损伤特征 和处理检测信号。利用有限的数据训练，神经网络法在无数学模型的情况下，可根据不完备的数据识别较好地解决非线性和不确定性引起系统的辨识问 题。目前， 基于误差反向传播算法的神经网络（BP）、径向基函数神经网络（RBF）、自组织神经网络（ART）等已应用于结构损伤识别。人工神经网络法的准确性是与训练数据集的完整程度有很大的关系，训练数据集越完整则其准确性越高。此外，桥梁水下基础的缺陷诊断与评估可考虑结合使用专家系统。如果仅有深厚的理论基础而没有丰富的专家经验，或仅有丰富的专家经验而没有深厚的理论基础，则诊断与评估结果往往会发生较大偏离。因为人工神经网络具备学习能力，但不具备解释能力；而专家系统是基于符号的推理系统，虽 具备解释功能， 但获取知识困难，因此将专家系统和27公路交通技术2012
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人工神经网络结合起来，建立损伤智能诊断系统，可 综合诊断桥梁水下基础病害。4 应用前景分析 桥梁水下基础的损伤、裂缝致使桥梁塌覆将造 成人员伤亡和巨大的经济损失，桥梁水下基础的健康状况不仅直接影响到经济效益，而且关系到人的生命安全。如2000年8月27日，位于中国台湾省连接高雄与屏东重要通道上的高屏大桥发生一起16辆 汽车坠入河中， 22人受伤的惨剧。原因是该桥基础早已裸露，台风造成河水暴涨，桥基被冲垮，导致桥 梁下陷断裂。随着各国对交通运行安全性要求的不断提高，对桥梁等基础设施建设投入不断增大，对桥梁水下基础的可靠性要求以及健康状况评价精度也越来越高，对桥梁水下基础进行定期检测与维护已成为必然的要求。因此，桥梁水下基础检测新技术具有广泛的应用前景，而加快这一技术的研究和应用具有如下重要意义： 1）可减少检测时间，节省检测费用。桥梁水下基础需要定期检测，如果每次检测都靠潜水员来完成， 则必将耗费大量的人力、财力和物力。因此，从长远角度看，利用水下机器人等*设备的检测相比人工检测更具有经济性优势。 2）可保证桥梁安全运营，增加桥梁结构的耐久性。通过对桥梁水下基础的定期检测，对病害严重的基础及时给予补救措施，可避免因裂纹和损伤的不断扩大而引起的桥梁zui终坍塌。 3）可缩小我国与国外桥梁无损检测水平的整体差距。目前我国尚未*成熟应用桥梁水下基础无损检测新技术，还需利用自身的优势，继续跟踪研究，争取获得重大的技术突破。5 结论与展望 从国内外水下基础检测技术现状看，桥梁水下基础检测新技术还不*成熟，需要不断研究和完善。鉴于其在保障桥梁结构安全运营方面具有重要的研究价值和广阔的应用前景，应从以下几方面进行研究： 1）加强桥梁水下基础检测与评估中计算机技术、信息技术、损伤识别技术以及*信号处理技术的应用研究。随着我国交通基础建设的不断发展，越来越多的运营桥梁需进行健康诊断和评估，而水下基础的检测受环境条件限制， 难以进行有效检测与评估。因此，利用计算机技术、信息技术、损伤识别技术（包括基于动力特性的损伤识别技术和人工神经网络技术）以及*信号处理技术（如小波分析技术）对桥梁水下基础进行检测与评估具有广泛的应用前景。应加强这方面的研究，不断提高桥梁水下基础检测的数字化和智能化水平。 2）加强桥梁水下基础检测与评估用检测仪器、设备和自动化检测系统（包括水下机器人）的开发和应用研究。应借鉴水下无损检测技术在海洋工程领域的研究成果， 不断开发和应用桥梁水下基础无损检测设备、仪器和自动化检测系统，进一步提高检测的准确性。