CN104343110A - 桥梁桩周土冲刷原位监测方法及系统 - Google Patents

桥梁桩周土冲刷原位监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁桩周土冲刷原位监测方法及系统，所述监测系统包括探杆和主控装置，所述探杆包括杆体和沿所述杆体长度方向间隔分布的四个电极，自上而下依次为第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和所述第四电极形成供电电极，所述第二电极和所述第三电极形成测量电极，所述第一电极与所述第二电极之间的距离等于所述第四电极与所述第三电极之间的距离；所述主控装置包括主处理器、探杆供电电路和电位测量电路，所述探杆供电电路分别与所述供电电极和所述主处理器电连接，所述电位测量电路分别与所述测量电极和所述主处理器电连接，所述主处理器控制所述探杆供电电路为所述供电电极供电，并控制所述电位测量电路测量两个所述测量电极间的电位差。应用本发明，能以简单的结构、低廉的成本实现对桥梁桩周土冲刷原位的稳定、高效监测。

Description

桥梁桩周土冲刷原位监测方法及系统
技术领域
 本发明属于桥梁基础冲刷监测技术领域，具体地说，是涉及桥梁桩周土冲刷原位监测方法及系统。
背景技术
近年来发生的多数桥梁毁坏事件中，河流冲刷桥梁桩周土造成的桩基失稳被认为是重要因素。水流将桥墩台周边的土壤冲刷淘空后，桩基受力体系被打破，有可能在无警告性的小破坏之前，即产生瞬间坍塌、崩倒的严重灾害。此类事故大都发生在恶劣气候或极端海况条件下，此时既不易由岸边或桥面观察到基床情况，也不容易在水面上进行相应探测。因而，利用原位监测手段实时监测桥梁桩周土冲刷过程，根据冲刷状况对桥梁稳定性做出判断和预警是必要的。
目前应用于桥梁桩周土冲刷过程原位实时监测的方法主要有光电法、声学法和电极探杆法。其中，电极探杆法是近年来发展起来的方法，通过在电极杆上等间距设置大量电极环，依次利用相邻四个电极环进行温纳装置测量，根据测量的电阻率变化确定水土界面位置。利用电极环电阻率变化确定水土界面位置的方法虽然监测结果比较稳定，但存在电极数量多、测试周期长、成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种桥梁桩周土冲刷原位监测系统，以简单的结构、低廉的成本实现对桥梁桩周土冲刷原位的稳定、高效监测。
为实现上述发明目的，本发明提供的监测系统采用下述技术方案予以实现：
一种桥梁桩周土冲刷原位监测系统，包括探杆和主控装置，所述探杆包括杆体和沿所述杆体长度方向间隔分布的四个电极，自上而下依次为第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和所述第四电极形成供电电极，所述第二电极和所述第三电极形成测量电极，所述第一电极与所述第二电极之间的距离等于所述第四电极与所述第三电极之间的距离；所述主控装置包括主处理器、探杆供电电路和电位测量电路，所述探杆供电电路分别与所述供电电极和所述主处理器电连接，所述电位测量电路分别与所述测量电极和所述主处理器电连接，所述主处理器控制所述探杆供电电路为所述供电电极供电，并控制所述电位测量电路测量两个所述测量电极间的电位差。
优选的，所述杆体包括绝缘管和形成在所述绝缘管内部的骨架，所述绝缘管沿其长度方向间隔形成有四个凹槽，每个所述凹槽内形成有一个所述电极。
优选的，所述骨架一端形成有锥形部，所述骨架的另一端形成有导线接插盘。
如上所述的监测系统，所述探杆优选为多个，所述主控装置还包括有电极选择电路，每个所述探杆中的供电电极通过所述电极选择电路与所述探杆供电电路电连接，每个所述探杆中的测量电极通过所述电极选择电路与所述电位测量电路电连接。
优选的，所述主控装置还包括有与所述主处理器电连接的无线数据传输电路。
优选的，所述主控装置还包括有太阳能电池板，所述探杆供电电路与所述太阳能电池板电连接。
本发明的目的之二是提供一种桥梁桩周土冲刷原位监测方法，该方法基于上述的监测系统，实现对桥梁桩周土冲刷原位准确、快捷、稳定的监测。
为实现上述发明目的，本发明提供的监测系统采用下述技术方案来实现：
一种桥梁桩周土冲刷原位监测方法，将上述的桥梁桩周土冲刷原位监测系统中的探杆布设在桥梁桩周边，所述探杆中上端的第一电极和第二电极位于水体中，所述探杆中的第三电极和第四电极位于土体中，利用所述桥梁桩周土冲刷原位监测系统中的主控装置为所述探杆的两个供电电极供电，获取所述探杆中两个测量电极间的实时电位差，将所述实时电位差与参考电位差作比较，根据所述参考电位差与参考水土界面的对应关系确定与所述实时电位差所对应的桥梁桩周土的实时水土界面。
如上所述的监测方法，所述参考电位差与所述参考水土界面的对应关系通过下述方式获取：将所述探杆布设在桥梁桩周边，所述探杆中的第一电极和第二电极位于水体中，所述探杆中的第三电极和第四电极位于土体中，利用所述桥梁桩周土冲刷原位监测系统中的主控装置为所述探杆的两个供电电极供电，获取和所述水体与所述土体间的水土界面连续下沉时不同的水土界面一一对应的所述探杆中两个测量电极间的电位差，将一一对应的水土界面作为参考水土界面，将所述参考水土界面对应的电极间的电位差作为参考电位差，保存形成一一对应的所述参考水土界面与所述参考电位差的对应关系。
如上所述的监测方法，在确定所述实时水土界面为预设冲刷报警水土界面时，所述主控装置发出报警信号。
优选的，在将所述探杆布设在桥梁桩周边时，使得所述探杆中的所述第三电极位于预设冲刷报警水土界面处。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过设计具有四个电极的探杆和相应的主控设备，通过在探杆中的两个供电电极供电的情况下监测两个测量电极间的电位差来确定桥梁桩周的水土界面，可以实现对桥梁桩周土冲刷原位的实时监测；且探杆结构简单，监测方法简便，监测过程不易受环境、沉积物的影响，监测精度高。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明桥梁桩周土冲刷原位监测系统一个实施例的结构框图；
图2是图1中探杆的一个具体结构示意图；
图3是本发明桥梁桩周土冲刷原位监测方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
请参见图1和图2所示的本发明桥梁桩周土冲刷原位监测系统的一个实施例，其中，图1是该实施例的结构框图，图2是探杆的一个具体结构示意图。
如图1所示，该实施例的桥梁桩周土冲刷原位监测系统包括有主控装置1和探杆2。其中，探杆2是插入到桥梁桩周边、与水体及土体接触的探测部件，其一个具体结构如图2所示。参见图2，该实施例中的探杆2包括有杆体和分布在杆体上的电极。具体来说，杆体包括有绝缘管21、形成在绝缘管21内部的骨架22。其中，绝缘管21采用硬度较大的绝缘材料，如硬质塑料管。骨架22作为整个探杆的支撑主体，优选采用支撑强度大的金属材料如不锈钢管材料制成。绝缘管21在沿其长度方向自下而上形成有四个环形凹槽（图中未标注），在每个凹槽内形成有一个电极，自上而下分别为电极A、电极M、电极N和电极B。而且，这四个电极均为环状电极。在这四个电极中，位于上端的电极A和位于下端的电极B为供电电极，位于中间的电极M和电极N为测量电极。而且，绝缘管21上所形成的四个环状凹槽相互平行，并能使得嵌入电极之后，电极A与电极M之间的距离HAM和电极N与电极B之间的距离HNB是相等的，从而，保证电极M和电极N之间的电位差与要监测的水土界面之间保持对应关系。
作为更优选的技术方案，骨架22的上端形成有导线接插盘25，便于电极与外部的主控装置1进行导线电连接；在骨架22的下端形成有锥形部24，该锥形部24可以方便地插入桥梁桩周的土体中，从而便于将整个探杆2插入土体中。其中，锥形部24也采用硬度大的金属材料制成，并与骨架22螺纹连接。
主控装置1作为监测系统中的数据处理及控制部件，包括有主处理器11、探杆供电电路14和电位测量电路15。其中，探杆供电电路14与主处理器11电连接，并直接或通过电极选择电路16与探杆2中的电极A和电极B这两个供电电极电连接。电位测量电路15与主处理器11电连接，并直接或通过电极选择电路16与探杆2中的电极M和电极N这两个测量电极电连接。其中，电极选择电路16是用来选择所连通的电极。具体来说，可以是选择一个探杆中的供电电极是否与探杆供电电路14连通，或者选择一个探杆中的测量电极是否与电位测量电路15连通。此外，在主控装置1连接有多个探杆的情况下，还可以通过电极选择电路16选择是哪一个探杆的电极连通。在该实施例中，主处理器11可以选择单片机等处理器来实现，电极选择电路16可以采用现有技术中的开关电路来实现，电位测量电路15可以采用现有技术中测量电位的数据采集电路来实现。
作为更优选的技术方案，主控装置1中包括有太阳能电池板12，探杆供电电路14及为主处理器11供电的主供电电路13均与太阳能电池板12电连接，利用太阳能产生的电能为系统需供电部件供电，以降低能耗。此外，主控装置1中还包括有与主处理11电连接的无线数据传输电路17，可以将采集的数据以及主处理器11处理的数据实时传输出去，例如，传输至远程监控中心或监控终端，实现远程实时监测。主控装置1也可以通过无线数据传输电路17接收外部传输的控制命令，以实现远程实时控制。
应用上述监控系统监测桥梁桩周土冲刷原位的方法可以参考图3的流程图。
如果采用图1及图2的监控系统监测桥梁桩周土，首先需要布设监控系统。在该实施例中，优选采用具有三个探杆2的监控系统，三个探杆共用一个主控装置1。将三个探杆分别设置在桥梁桩的迎水面和迎水面的两侧，每个探杆的位置满足下面的条件：将探杆2的锥形部24朝下，竖直插入到桥梁桩周边、水体下部的土体中，使得探杆上端的供电电极A和与其相邻的测量电极M均位于水体中，而下端的供电电极B和与其相邻的测量电极N均位于土体中。主控装置1设置在桥梁桩顶部的桥墩或桥体处，每个探杆中与电极电连接的导线引至导线接插盘25，并通过导线接插盘25与主控装置1引出的供电导线及测量导线对应电连接。
在实时测量之前，需要预先获得两个测量电极M、N之间的参考电位差                                               与参考水土界面的对应关系。下面，首先简要说明该实施例的监测原理及参考电位差与参考水土界面的对应关系的获取方法。
设定在探杆2安放到位后，初始状态下，水土界面O位于测量电极M和测量电极N之间，供电电极A与水土界面O处的距离为h2，测量电极M与水土界面O处的距离为h1，供电电极B与水土界面O处的距离为h2’，测量电极N与水土界面O处的距离为h1’，供电电极A和测量电极M所在的水体的电阻率为，测量电极N和供电电极B所在的土体的电阻率为。根据镜像法原理，在供电电极A和B供电时，如果水土界面O位于测量电极N上方，测量电极M和N之间的电位差满足：
如果水土界面O位于测量电极N下方，测量电极M和N之间的电位差满足：
定义初始状态下O处水土界面的初始位置为零点，控制探杆周围的水土界面不断下沉，实际水土界面相对于零点下沉的距离会不断增大。相应的，在水土界面下降至电极N位置之前，测量电极M和N之间的电位差会不断增大，在水土界面下降至电极N位置时电位差达到最大值。此后，随着水土界面的继续下沉，电位差将逐渐变小。从而，实际水土界面与两个测量电极之间电位差之间存在有一一对应的关系。将一一对应的水土界面位置作为参考水土界面，与其相对应的电位差作为参考电位差，按照一一对应的关系保存参考电位差和参考水土界面，例如，将参考水土界面与零点的距离作为横坐标，参考电位差作为纵坐标，绘制出坐标曲线而保存。
在获取了参考电位差与参考水土界面的对应关系之后，如果实时测量出测量电极之间的电位差，则参考对应关系，即可确定与实时测量的电位差所对应的实时水土界面。此外，当水土界面被冲刷至第二测量电极N时，第二测量电极N露于水体，此时获取所述探杆中所述第一测量电极M和所述第二测量电极N间的实时电位差会较水土界面位于第二测量电极N之上时发生突变，此时判定为水土界面位置已经位于冲刷预警水土界面。这也是该实施例实现桥梁桩周土冲刷原位实时监测的基本原理和思路。
如图3所示,在采用上述技术手段获取了参考电位差与参考水土界面的对应关系之后,应用图1和图2所示的监测系统监测桥梁桩周土冲刷原位的监测方法的过程具体如下:
步骤301:在桥梁桩周边布设探杆。
为提高监测精度，如前所述，该实施例采用具有三个探杆2的监测系统，三个探杆分别设置在桥梁桩的迎水面和迎水面的两侧，每个探杆的布设方法参考上面介绍监测原理及获取参考电位差与参考水土界面对应关系的过程。而且，在布设每个探杆时，水土界面初始位置所对应的探杆的位置要与获取参考电位差与参考水土界面对应关系时水土界面初始位置所对应的探杆位置对应一致，以保证利用对应关系确定实时水土界面的准确性。
步骤302：为探杆的两个供电电极供电。
开始监测时，利用主处理器11控制探杆供电电路14为探杆中的供电电极供电。对于具有多个探杆的监测系统，通过主处理器11对电极选择电路16的控制，可以选定为哪个探杆供电。而且，在供电时，通过主处理器11的控制，保证供电电极回路中的电流与获取参考电位差与参考水土界面对应关系时的电极回路电流相等。
步骤303：获取探杆中两个测量电极间的实时电位差。
主处理器11在控制探杆供电电路14为供电电极供电之后，控制电位测量电路15实时采集同探杆中两个测量电极间的电位差，并获取该实时电位差。
步骤304：将步骤303获取的实时电位差与参考电位差作比较，根据参考电位差与参考水土界面的对应关系确定实时水土界面。
由于参考电位差与参考水土界面之间存在确定的一一对应关系，对于同条件下获得的实时电位差，与必然与实时水土界面之间存在着该一一对应关系。通过将实时电位差与参考电位差作比较，并借助于该一一对应关系，即可方便得获得与该实时电位差所对应的实时水土界面。
主处理器11在分析出实时水土界面后，将相应数据保存或输出，监测人员通过读取数据，便可方便、及时地获知探杆所监测的桥梁桩周土的水土界面位置，也即桥梁桩周土的冲刷原位，实现对桥梁桩周土冲刷原位的实时监测。
此外，为及时进行预警通知，该实施例优选还包括有下述步骤：
步骤305：判断实时水土界面是否到达预设冲刷报警水土界面。若是，执行步骤306，发出报警信号；若否，转至步骤303，继续监测。
对于具有多个探杆的监测系统，在确定一个探杆监测到实时水土界面到达预设冲刷报警水土界面时，即发出报警信号。
作为优选实施方式，在将探杆布设在桥梁桩周边时，使得每个探杆中的测量电极N的位置与桥梁桩周土冲刷报警水土界面位置相对应。当水土界面被冲刷至测量电极N位置时，测量电极M和测量电极N之间的实时电位差会较水土界面位于测量电极N之上时发生突变性的骤降。利用该电位差的骤降，可以快速地判定出水土界面位置已经位于冲刷报警水土界面位置，进而快速、准确地发出报警信号。
应用图1和图2的监测系统和图3的监测方法来监测桥梁桩周土冲刷原位，每个探杆上只需设置四个电极；对于每个探杆，仅需要控制为其两个供电电极供电，然后采集其另两个测量电极的电位差；在根据电位差确定对应的水土界面时，也仅需要处理实时电位差、参考电位差及参考水土界面这三个参数。因而，监测系统结构简单，监测方法简便，监测结果准确，监测成本低。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种桥梁桩周土冲刷原位监测系统，其特征在于，所述监测系统包括探杆和主控装置，所述探杆包括杆体和沿所述杆体长度方向间隔分布的四个电极，自上而下依次为第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和所述第四电极形成供电电极，所述第二电极和所述第三电极形成测量电极，所述第一电极与所述第二电极之间的距离等于所述第四电极与所述第三电极之间的距离；所述主控装置包括主处理器、探杆供电电路和电位测量电路，所述探杆供电电路分别与所述供电电极和所述主处理器电连接，所述电位测量电路分别与所述测量电极和所述主处理器电连接，所述主处理器控制所述探杆供电电路为所述供电电极供电，并控制所述电位测量电路测量两个所述测量电极间的电位差。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述杆体包括绝缘管和形成在所述绝缘管内部的骨架，所述绝缘管沿其长度方向间隔形成有四个凹槽，每个所述凹槽内形成有一个所述电极。
3. 根据权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述骨架一端形成有锥形部，所述骨架的另一端形成有导线接插盘。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的监测系统，其特征在于，所述探杆为多个，所述主控装置还包括有电极选择电路，每个所述探杆中的供电电极通过所述电极选择电路与所述探杆供电电路电连接，每个所述探杆中的测量电极通过所述电极选择电路与所述电位测量电路电连接。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的监测系统，其特征在于，所述主控装置还包括有与所述主处理器电连接的无线数据传输电路。
6. 根据权利要求1至3中任一项所述的监测系统，其特征在于，所述主控装置还包括有太阳能电池板，所述探杆供电电路与所述太阳能电池板电连接。
7. 一种桥梁桩周土冲刷原位监测方法，其特征在于，将上述权利要求1至6中任一项所述的桥梁桩周土冲刷原位监测系统中的探杆布设在桥梁桩周边，所述探杆中的第一电极和第二电极位于水体中，所述探杆中的第三电极和第四电极位于土体中，利用所述桥梁桩周土冲刷原位监测系统中的主控装置为所述探杆的两个供电电极供电，获取所述探杆中两个测量电极间的实时电位差，将所述实时电位差与参考电位差作比较，根据所述参考电位差与参考水土界面的对应关系确定与所述实时电位差所对应的桥梁桩周土的实时水土界面。
8. 根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述参考电位差与所述参考水土界面的对应关系通过下述方式获取：将所述探杆布设在桥梁桩周边，所述探杆中的第一电极和第二电极位于水体中，所述探杆中的第三电极和第四电极位于土体中，利用所述桥梁桩周土冲刷原位监测系统中的主控装置为所述探杆的两个供电电极供电，获取和所述水体与所述土体间的水土界面连续下沉时不同的水土界面一一对应的所述探杆中两个测量电极间的电位差，将一一对应的水土界面作为参考水土界面，将所述参考水土界面对应的电极间的电位差作为参考电位差，保存形成一一对应的所述参考水土界面与所述参考电位差的对应关系。
9. 根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，在确定所述实时水土界面为预设冲刷报警水土界面时，所述主控装置发出报警信号。
10. 根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，在将所述探杆布设在桥梁桩周边时，使得所述探杆中的所述第三电极位于预设冲刷报警水土界面处。
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