CN103438871B - 一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能在高速水流环境下长期稳定工作，而且安装简单方便、经济实用的高精度、高效率桥墩实时冲刷监测系统。系统由测深仪阵列、流速仪、信号处理机、电子舱、冲刷数据处理、预警和评估系统组成；测深仪先用反射杆法测量声速，根据测得声速计算冲刷深度；信号处理机控制测深仪阵列中测深换能器声信号的发射与接收，根据采集的数据计算水深；测流仪对水流状态进行测量；数据处理、预警和评估系统分析不同时段数据变化情况并建立模型，对桥梁冲刷进行预测。该系统测量精度好、测量效率高、结构紧凑，能够长期稳定可靠地运行，可维护性好。

Description

一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统及实现方法

技术领域

本发明属于桥梁监测及安全预警技术领域，具体涉及一种实时监测水流对桥墩冲刷影响的系统及实现方法。

背景技术

冲刷是导致桥梁损毁的一个重要原因，世界各国每年都有许多桥梁因洪水的冲刷而毁坏。据数据统计，美国垮塌的1000座桥梁中，60％都是由洪水冲刷桥墩引起的。我国现有大量的桥梁具有安全隐患，在洪水期间易遭受破坏。2010年，四川省崇州市老定江桥发生垮塌，宝成铁路线跨石亭江大桥两个桥墩被冲毁，都是由于山洪不断冲刷，造成桥基悬空桥面跨塌。

通过实时监视桥梁水下冲刷深度变化和桥墩所受波流力，建立预测模型对桥梁健康状况进行预测，是桥梁监测及安全预警的发展趋势。我国在桥梁冲刷数值模拟和水力计算方面的研究很多，但在冲刷监测系统方面的研究很少。目前桥梁冲刷监测系统多用在河流中，实现方法主要有两种：一种是在桥墩附近临时固定或水下焊接监测设备，测量桥墩冲刷深度及河床断面，监视河床变化趋势，对冲刷情况进行预报；另一种是将流速剖面仪和GPS定位系统安装在船上，采用移动式测量方法，对水流和和河床的变化进行监测。前一种方法适用于水流速度不高的环境，施工难度大；后一种方法成本较高，而且不能做到实时监测。可见已有桥墩冲刷监测系统在实施过程与监测效果方面都存在着许多不足之处。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺点和不足，提供一种能在高速水流环境下长期稳定工作，而且安装简单方便、经济实用的高精度、高效率桥墩实时冲刷监测系统。

为解决以上技术问题，本发明是以下技术方案实现的：

一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统，包括湿端和干端两部分，其特征在于：湿端由测深仪阵列和流速仪组成，安装在桥墩上，采用导流罩保护，安装深度位于最低水位以下至少2米，干端由信号处理机、电子舱、冲刷数据处理、预警和评估系统组成，干端和湿端通过水密电缆相连，湿端负责数据的采集工作，干端控制湿端信号的发射与接收，并将实时采集的深度和流速数据通过光缆传输给冲刷数据处理、预警和评估系统，分析不同时段数据变化情况并建立模型，对桥梁冲刷进行预测；

所述测深仪由测深换能器和导流罩及安装结构件组成，测深换能器发射声脉冲，根据海底反射回波与发射时间的时延乘以声速计算冲刷深度，声速采用反射杆法测量，测深仪正下方距离水底一定距离固定一反射杆，在测深仪的回波信号中，反射杆会产生固定位置的声反射突出，测量声反射突出与发射声脉冲间的时延，根据测深仪与反射杆之间距离即可计算平均声速，利用平均声速计算桥墩各点冲刷深度；

所述流速仪由测流换能器和导流罩及安装结构件组成，安装位置垂直于涨潮方向，测流换能器发射一对宽带脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来测量海流的速度；

所述信号处理机集成了测深换能器收发电路和数字控制处理模块，主要完成测深换能器的发射控制、功率放大以及接收信号的预处理、信号处理等功能，通过数字控制处理模块同时控制多个测深仪信号的发射与采集，并将采集数据进行计算处理得到冲刷深度；

所述电子舱集成了测流换能器发射电路、接收电路和信号处理板，发射电路和接收电路控制测流换能器信号的发射接收，信号处理板计算流速、流向等信息并通过以太网口、串口和上位机间进行通信。

作为进一步方案，所述流速仪安装保护框以减少泥沙冲刷的影响，流速仪中测流换能器采用牺牲阳极保护法防海水腐蚀。

作为进一步方案，所述测深仪和所述流速仪水下安装件表面涂防腐蚀漆，延长使用寿命。

一种如上所述的高速水流环境下桥墩冲刷监测系统的实现方法，其特征在于：在桥墩钢围堰下水前，在钢围堰外壁焊接预埋钢板，钢围堰内部预埋钢管走电缆线，钢围堰下水后，由潜水员潜入水中将测深仪或流速仪安装到预埋钢板上，每个桥墩安装多个测深仪对桥墩附近海床多个点深度进行测量，安装一个流速仪对水流状态进行测量；单桥墩检测时，从涨潮方向开始，分别间隔45°、60°、75°、75°、60°、45°各安装一个测深仪；双桥墩检测时，两个桥墩对称布置，每个桥墩迎潮方向和上下90°方向各安装一个测深仪；单桥墩和双桥墩均安装一个流速仪，位置垂直于涨潮方向，测深仪和流速仪安装深度保证位于最低水位以下至少2米。

本发明专利的有益效果有：

1、测深仪、流速仪结构适合潜水员水下安装，且能在高速水流环境中长期工作。

2、测深仪和流速仪采用导流罩保护，通过选用合理的导流罩外形结构，有效避免了水流冲击时产生振动而影响测试结果。

3、采用反射杆法测量水中声速，根据测得声速计算冲刷深度，避免声速受泥沙、水温、盐度等因素影响，提高深度测量精度。

4.信号处理机通过控制多个测深仪信号的发射与采集，实现了短时间内依次测得不同部位的水深数据，提高了测量效率。

5、湿端结构制造简单、安装方便；干端结构紧凑、可靠性高。

附图说明：

图1系统总体结构框图；

图2测深仪结构图；

图3流速仪结构图；

图4信号处理机结构框图；

图5单桥墩测深仪、流速仪布置图；

图6双桥墩测深仪、流速仪布置图；

图7反射杆测量法示意图；

附图标记说明：六角螺栓1、弹簧垫圈2、内六角螺钉3、左导流罩4、测深换能器5、右导流罩6、弹簧垫圈7、盘头螺钉8、弹簧垫圈9、六角螺母10、圆柱销11、锁紧螺钉12、活结螺栓13、卡扣14、安装板15、吊环16、预埋钢板17、平垫圈18、螺母19、测流换能器20、保护框21、导流板22、上盖板23、圆柱销24、固定螺钉25、活结螺栓26、卡扣27、安装板28、吊环螺钉29、预埋钢板30、弹性垫圈31、内六角螺栓32、弹性垫圈33、六角螺栓34、腐蚀块35、下盖板36、防松螺栓37、平垫圈38、螺母39、测深仪阵列40、收发电路41、数字控制处理模块42、工控机43、信号调理电路44、数字采集系统45、测深仪46、流速仪47、钢围堰48、桥墩49、反射杆50。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明专利作进一步说明：

参见图1，桥墩冲刷监测系统分为湿端和干端两部分。湿端由测深仪阵列和流速仪组成；干端由信号处理机、电子舱、冲刷数据处理、预警和评估系统组成；干端和湿端通过水密电缆相连，信号处理机、电子舱计算得到的深度和流速等数据通过光缆传输给冲刷数据处理、预警和评估系统。

所述测深仪结构参见图2，先将左导流罩4、测深换能器5、右导流罩6用六角螺栓1、弹簧垫圈9、六角螺母10进行组装，测深换能器5置于左右导流罩的圆形卡槽内，电缆线置于导线槽内部；再将盘头螺钉8、弹簧垫圈7拧到测深换能器5的螺纹孔内，防止换能器转动。组装好的零件与安装板15用内六角螺钉3、弹簧垫圈2进行组装，安装板15四角装卡扣14并用圆柱销11焊接固定，卡扣14槽内用锁紧螺钉12固定活结螺栓13,安装板15上部安装吊环螺钉16。整体组装好后吊入水中，由潜水员挂到预埋钢板17上，扳动活结螺栓13旋转90°，拧紧螺母19。

所述流速仪结构参见图3，先将测流换能器20、保护框21、导流板22用弹簧垫圈31、内六角螺栓32进行组装；上盖板23与下盖板36分别与导流板22焊接，腐蚀块35通过防松螺栓37与下盖板36固定。组装好的零件用六角螺栓34、弹簧垫圈33与安装板28进行组装，安装板28上安装卡扣27、活结螺栓26、固定螺钉25、圆柱销24、吊环螺钉29的方法与测深仪类似。组装好的整体吊入水中，潜水员水下安装步骤与测深仪相同。

所述信号处理机组成参见图4，它包括收发电路41、数字控制处理模块42和工控机43，数字控制处理模块42由FPGA(可编程逻辑门阵列，fieldprogrammablegatearray)、信号调理电路44、数字采集系统B6、SDRAM存储器、DSP处理模块组成。测深仪阵列40由多个测深仪组成，每个测深仪对应收发电路41中一个收发电路模块，短时间内FPGA依次对每个测深换能器产生信号频率为200kHz的正反两路填充脉冲信号，通过收发电路41中收发电路模块进行功率放大，再由测深仪把电信号转换为声信号发射到水下，发射的声波遇水底界面时反射回来，测深仪接收反射的回波信号并将其转换为电信号送入收发电路41中的接收模块，接着送入信号调理电路44中进行处理，再将信号送至数字采集系统45，采集的数据由FPGA依次转入SDRAM中存储。待数据采集完成后送入DSP处理模块进行计算估计，依次获取探测范围内各个位置的水深数据。工控机43用来启动数字控制处理模块42工作，设置参数并实时显示观测的深度信息，还可进行各种存储操作。

所述电子舱内部集成了测流换能器发射电路、接收电路和信号处理板。发射电路和接收电路控制测流换能器信号的发射接收，信号处理板采集数据，对采集数据进行处理计算得到流速、流向等信息，通过以太网口传输到冲刷数据处理、预警和评估系统。

参见图5、图6，测深仪46和流速仪47沿桥墩钢围堰周围布置，为保证检测时有一定的覆盖率。单桥墩检测时，从涨潮方向开始，分别间隔45°、60°、75°、75°、60°、45°各安装一个测深仪46；双桥墩检测时，两个桥墩对称布置，每个桥墩迎潮方向和上下90°方向各安装一个测深仪46；单桥墩和双桥墩均安装一个流速仪47，位置垂直于涨潮方向，测深仪和流速仪安装深度应保证位于最低水位以下2米。

参见图7，测深仪46安装在桥墩49上，测深仪46正下方距离海底一定距离固定一反射杆50。在测深仪46的回波信号中，反射杆50会产生固定位置的声反射突出。测量声反射突出与发射声脉冲间的时延，根据测深仪46与反射杆50之间距离即可计算平均声速，利用平均声速计算冲刷深度。冲刷深度测量精度取决于时延差测量精度，时延差测量取决于信号带宽，本发明中采用宽带发射测深换能器，要求测深换能器3dB发射响应带宽应超过100kHz。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统，包括湿端和干端两部分，其特征在于：湿端由测深仪阵列和流速仪组成，安装在桥墩上，采用导流罩保护，安装深度位于最低水位以下至少2米，干端由信号处理机、电子舱、冲刷数据处理、预警和评估系统组成，干端和湿端通过水密电缆相连，湿端负责数据的采集工作，干端控制湿端信号的发射与接收，并将实时采集的深度和流速数据通过光缆传输给冲刷数据处理、预警和评估系统，分析不同时段数据变化情况并建立模型，对桥梁冲刷进行预测；

所述测深仪由测深换能器和导流罩及安装结构件组成，测深换能器发射声脉冲，根据海底反射回波与发射时间的时延乘以声速计算冲刷深度，声速采用反射杆法测量，测深仪正下方距离水底一定距离固定一反射杆，在测深仪的回波信号中，反射杆会产生固定位置的声反射突出，测量声反射突出与发射声脉冲间的时延，根据测深仪与反射杆之间距离即可计算平均声速，利用平均声速计算桥墩各点冲刷深度；

所述流速仪由测流换能器和导流罩及安装结构件组成，安装位置垂直于涨潮方向，测流换能器发射一对宽带脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来测量海流的速度；

所述信号处理机集成了测深换能器收发电路和数字控制处理模块，主要完成测深换能器的发射控制、功率放大以及接收信号的预处理、信号处理等功能，通过数字控制处理模块同时控制多个测深仪信号的发射与采集，并将采集数据进行计算处理得到冲刷深度；

所述电子舱集成了测流换能器发射电路、接收电路和信号处理板，发射电路和接收电路控制测流换能器信号的发射接收，信号处理板计算流速、流向等信息并通过以太网口、串口和上位机间进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统，其特征在于：所述流速仪安装保护框以减少泥沙冲刷的影响，流速仪中测流换能器采用牺牲阳极保护法防海水腐蚀。

3.根据权利要求1或2所述的一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统，其特征在于：所述测深仪和所述流速仪水下安装件表面涂防腐蚀漆，延长使用寿命。

4.一种如权利要求1所述的高速水流环境下桥墩冲刷监测系统的实现方法，其特征在于：在桥墩钢围堰下水前，在钢围堰外壁焊接预埋钢板，钢围堰内部预埋钢管走电缆线，钢围堰下水后，由潜水员潜入水中将测深仪或流速仪安装到预埋钢板上，每个桥墩安装多个测深仪对桥墩附近海床多个点深度进行测量，安装一个流速仪对水流状态进行测量；单桥墩检测时，从涨潮方向开始，分别间隔45°、60°、75°、75°、60°、45°各安装一个测深仪；双桥墩检测时，两个桥墩对称布置，每个桥墩迎潮方向和上下90°方向各安装一个测深仪；单桥墩和双桥墩均安装一个流速仪，位置垂直于涨潮方向，测深仪和流速仪安装深度保证位于最低水位以下至少2米。