洪水或强海流作用过程中，桥基迎水面和两侧土体被快速冲刷，桩基与桩周土接触面积发生改变，原有力学平衡被打破.由于这一过程多发生在恶劣气候或极端情况下，不易由岸边、桥面或水面直接观测.基床冲刷淘空造成的桥基裸露，有可能在无警告性的小破坏之前产生桥梁瞬间坍塌、崩倒.近年来发生的垮桥事故多与此相关.在构建桥梁安全预警体系中，快速有效的冲刷原位监测系统布设是关键环节.

当前桥基冲刷调查手段除传统的人工深度尺、潜水员跟踪摄影(Caccia，2007；许映梅等，2013)外，一些新监测方法应用而生.地球物理方法在这方面得到了广泛应用，比如雷达(Forde et al.，1999)、声纳测深(De Falco and Mele，2002)等，其中，雷达通过电性差异界面对电磁波的反射进行探测，已经应用于桥梁灾害监测中(郭士礼等，2012).与雷达相比，声学技术应用更加广泛，该技术主要通过声纳测深仪测量河床高度变化实现探测.邱炜等(2008)将超声波探头置于动态水面通过测量探头到桥面和水下界面的两个距离实现探测；为减小测量过程误差，吴彪(2011)将探头放置在预设的套筒中通过移动探头测量.由于这种方式直接测量参数为波的走时，界面的确定精度取决于波速精度，误差较大.但当前应用最广泛的当属光纤光栅监测技术，从20世纪90年代，该技术开始用于桥梁状态实时监测(Maaskant et al.，1997；Li et al.，2004；Glisic and Inaudi，2008).研究人员将光电探测装置(或光纤)出露水体或布设在土体中，根据光电三极管接收的沉积物反射红外线特征，通过测量水体压力、流速(熊文等，2014)或土体压力变化(潘洪亮等，2010)来实现对沉积物界面变化监测.这种手段推动了监测技术的发展，但依然是一种间接测量方法，界面位置确定精度受诸多因素影响(林詠彬等，2005；Rodrigues et al.，2010).

电极杆法是近期发展起来的一种直插式电阻率测试手段，作者所在研究团队经过近十年的研究，已形成以该技术为核心的探测体系，并在海床侵蚀监测中得到初步应用(夏欣，2009).相比光学、声学方法，该方法的优点在于：(1)设备成本低、实用性强；(2)水土界面反映明显，监测准确度高；(3)可以推算出沉积物环境信息，判定浮泥厚度.根据当前桥基冲刷监测技术需求，本文改进研制了一套可实时监测冲刷过程的电学系统，通过理论分析和模拟实验研究了系统对水土界面的反映能力和抗干扰能力，并在胶州湾大桥架设区海床动态监测中进行了成功应用.

假设水体电阻率为ρ₁，土体电阻率为ρ₂，利用极距为a的对称四极装置AMNB(A、B为供电电极，M、N为电位测量电极)沿垂直水土界面的测线，分别在界面顶部，横跨界面和界面底部供电测量(如图 1所示). 根据电流场理论，考虑界面对电场的影响，采用镜像法计算得到三种情况的测量电位差如式(1)-(3)所示.

图 1

Fig. 1

图 1 电极装置在水土中的布设方式 Fig. 1 Position of Resistivity measurement array in the water-soil medium

公示显示，实测电位差和装置离界面距离直接相关.装置离界面越远，实测电位差受界面影响越小，并趋于稳定；横跨界面时，实测值会发生突变.如沿垂直界面的测线进行连续测量，便可根据测量值的变化确定界面位置.

为实现这一测量过程，本设计将装配有多个等间距环状电极的电阻率探杆竖直贯入桥基周边的土体中，然后在主机控制下采用一次布极多次测量的方式自动选择电极进行测量(如图 2a所示).测量时首先选用最底部四个电极为工作电极，外侧两个电极供电产生电场，内侧两个电极测量电场电位差.每次测量后上移一个电极，重复上述测量过程，直到最顶端一组电极.根据理论(WON，1987)，当采用环状电极时，视电阻率计算公式为

图 2

Fig. 2

图 2 杆式电阻率测量方式及理论值 Fig. 2 Resistivity measurement pole and the theoretical value (a) 电极杆布置图; (b) 理论曲线.

整个测量完成后，以电极探杆的底端为零点，利用实测电阻率值ρ_a和测量电极环中心点位置距底端的距离h为参数绘制ρ_a-h曲线.

假设土层电阻率值为100 Ω·m，水体电阻率值为20 Ω·m，两者厚度为相对无穷大.利用电极间距为2 cm，极数为20，杆体直径为7 cm的电极杆由底端四个电极开始依次进行测量.当水土界面位置分别位于由底端算起的第7个电极、7和8极中间和第9极位置时，根据公式(4)计算得到的理论ρ_a-h曲线如图 2b所示.理论计算结果显示当测量装置离界面 4个极距以远时，实测电阻率值趋于电极所处介质的电阻率；界面位置的视电阻率测量值则发生跳跃性变化，表现为“之”字型电位异常.当界面交于电极杆不同位置时，异常点极大值位置也相应变化；可分辨的距离变化尺度为半个极距(1 cm).

设计的桥基冲刷电学监测系统分为三部分：(1)探测水土界面变化的电阻率探杆系统；(2)实现数据采集和远程传输的主控器；(3)室内数据处理，稳定性判定及发布软件平台.整体结构如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 电学监测系统构造图 Fig. 3 Configuration view of the electrical monitoring system

(1)电阻率探杆系统

电阻率探杆以钢管为承力轴，利用铜导线作为电极环固定在PVC管壁上，用绝缘防水胶布和环氧树脂将管壁与电极环隔离.在管壁上钻导线直径大小的孔将电极环连线通过管腔和传输导线相连.最后使用环氧树脂胶体对管壁孔和装置本身加以密封.电极杆长度可根据监测要求进行确定，直径通常选定为7 cm，电极环距为2 cm.现场监测时，在桥桩迎水面和两侧的水下土体中各贯入一根探杆，贯入深度大于最大侵蚀深度.然后利用钢丝将探杆和桩体固定，利用传输电缆将其连入主控器.

(2)主控器

主控器由中央控制电路、电极转换与采集电路、供电电路、远程传输电路组成.中央控制电路由中央处理器和存储器件组成，实现整个采存过程及数据传输控制.其中中央处理器(CPU)采用英国ARM公司设计的32位嵌入式处理器ARM9，两个不同类型的存储器 RAM、ROM分别和ARM9相连实现程序和采集数据存储. 电极转换与采集电路主要由开关系统、开关译码器和供电、测量电路组成，供电电路和测量电路分别通过两路导线和开关译码器相连.测量时分别通过开关译码器选择电极和供电、测量.供电电路外接太阳能电池，内接稳压装置后分别和CPU、发射机相连，给采集主机和发射机供电.远程传输电路和CPU相连.将采集数据远程传输到中控平台.主控器封装在尺寸为40 cm×40 cm×40 cm的箱体中，固定在桥桩顶端.

(3)监测数据处理及发布软件平台

该软件平台基于Microsoft Visual Studio 2010技术构建，可实现监测数据处理、成图，桥基滑动、沉降及倾覆等状态的判定及稳定性信息发布.

在3 m×2 m×1 m水槽中加入搅拌均匀的水-砂土混合物，静置5d后注入自来水形成水土界面清晰的结构层，其中砂土层厚度为50 cm，水层厚度为50 cm.采用电导率仪和Mailbox法分别测定水体电阻率为8 Ω·m，土体电阻率在18~22 Ω·m之间.测试电极杆长度为1.2 m，间隔2 cm布设50个电极环.将电阻率探杆插入土层约20 cm，并设置不同的测试状态，验证电学方法对界面的检测能力.每个测量过程，通过仪器测得的电压及电流值后根据公式(4)计算不同深度的视电阻率值，并绘制ρ_a-h曲线.

当电极探杆垂直贯入、倾斜贯入、电极环半水半土状态分布、杆面被异物包裹时测试结果如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 不同状态下实测ρa-h曲线 Fig. 4 Measured apparent resistivity at different depth when electrical probe being set at different status (a) 探杆垂直; (b) 探杆倾斜; (c) 电极环半土半泥; (d) 杆面包裹.

图 4a为电极探杆垂直贯入0.23 m和0.33 m时的实测ρ_a-h曲线.曲线显示土层视电阻率值在16~20 Ω·m之间，水体视电阻率值在7~10 Ω·m之间变化，在水土界面位置视电阻率值突然跳跃性变化.通过变化段中线位置确定的界面位置和实际水土界面基本对应，测试误差小于1 cm.

将探杆倾斜45°贯入相同深度时实测ρ_a-h曲线和垂直贯入曲线对比如图 4b所示.曲线显示，电极杆倾斜后，因分布于土体中的电极环增多，视电阻率值突变位置由正常垂直贯入的0.23 m增大到0.36 m.因此，在桥梁桩基侧面安装探杆时，须保证探杆竖直贯入并固定.实测过程，电极杆是否倾斜可由实测电阻率曲线形态判定.探杆倾斜时，界面位置附近土层电阻率先变小再发生突变，而非垂直状态的电阻率突变.

将水槽中水土界面制成45°斜坡情形，电极杆竖直贯入时，水土界面附近的电极环会部分暴露于水中，部分埋在泥砂中.实测ρ_a-h曲线如图 4c所示.曲线显示视电阻率值突然位置为出露水中第一个电极位置.

模拟杆面被水中非透水物体和透水体包裹时的ρ_a-h曲线如图 4d所示.曲线显示0.25 m处的电阻率突变位置和水土界面位置基本吻合.非透水物体包裹的0.36~0.4 m范围 视电阻率值突然变大，而被透水物体包裹时实测电阻率曲线与正常放置情况基本吻合，对测试结果未造成明显影响.

为验证系统实际监测能力，2012年9月至10月在胶州湾大桥架设区进行了原位实验.监测区水深 4~6 m，表层沉积物为淤泥质粘土.为便于回收，将主控机和长度为1 m、电极环间距为0.1 m的电阻率探杆固定在三脚架上，同时布防的还有波潮仪和声波探测仪. 装有监测系统的三脚架被船载起重机吊起后，在潜水员引导下垂直贯入海床中，入土深度在0.2 m左右.现场连续监测10 d，电阻率探杆和声波探测仪间隔1 h探测一次，波潮仪则进行连续观测.监测数据存储在主机内存卡中，采集完成后进行数据处理.现场布防与回收如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 监测系统布设与回收 Fig. 5 Monitoring system layout and recycling

将不同时刻实测数据绘制成ρ_a-h曲线，图 6为利用2012年9月28日2时至5时监测数据绘制的ρ_a-h曲线.图象显示虽然不同位置的实测ρ_a变化较大，但根据曲线整体异常特征可将电性层分为三层：顶层为海水层，电阻率在0.2 Ω·m左右；其下为未固结的淤泥层，电阻率在0.3 Ω·m左右；最下层为稳定的海床土层，电阻率为0.35 Ω·m左右.在距杆底0.2 m左右出现了ρ_a跳跃性变化，推断为海床界面位置.

图 6

Fig. 6

图 6 9月28日实测结果 Fig. 6 Measured ρa-h cave on 28 sep 2012

根据实测结果绘制不同时刻的水土界面位置，并和同一监测周期内声学方法探测得到的水土界面位置比较如图 7所示(以初始监测海床面为零点).

图 7

Fig. 7

图 7 两种方法监测的海床界面变化 Fig. 7 Seabed surface monitoring with two methods

电学监测结果显示在监测周期内监测点海床界面在2 cm区间内波动，经历了多个侵淤过程. 对比监测期的波浪条件(如图 8所示)，会发现海床侵蚀阶段和短周期高幅波作用过程对应，而淤积阶段则对应于长周期低幅波，侵淤过程和波浪作用过程对应良好，且符合波土作用规律.而声学监测结果和波浪参数的对应关系则不明显，特别在侵蚀过程测量数值起伏较大，测试结果不稳定.这与侵蚀过程中水体悬浮物增多，声波传播速度不稳定有关.

图 8

Fig. 8

图 8 监测过程的波浪参数 Fig. 8 Wave parameters of monitoring process

4.1    以垂直探杆为核心的桥基冲刷三维电学监测系统原理清晰，技术成熟，监测简单，是进行桥基冲刷过程监测的有效技术.

4.2    水土界面在探杆实测电阻率曲线上表现为电阻率值跳跃性变化，杆体布设形态变化会影响电阻率曲线形态，但并不会影响对界面的判定.

4.3    应用实例显示该系统可实现水土界面1 cm尺度内的连续监测，监测数据稳定、准确、可靠.