CN107702639A - 基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法 - Google Patents
基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法，本发明是一种能够穿透岩石、土体、淤泥和水流的非接触式监测技术，具有隐蔽性好、适应性强、不易受干扰、布设方便、测量简便、可在桥梁工程运营的同时进行监测、不影响交通等优点，满足桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求，解决了复杂水环境下桥墩冲刷监测和预警问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法。
背景技术
传统的桥梁冲刷深度测量主要依靠人工检测，但水上作业严重威胁着检测人员的生命安全，且测量的准确性通常依赖检测人员的操作经验。近二十年以来，桥梁冲刷监测逐渐受到国内外研究人员和学者的重视，目前正在使用和逐渐发展的冲刷监测方法大致有声呐、雷达、超声波等检测方法，及电磁波时域反射(Time Domain Reflectometry,TDR)、光纤光栅等在线监测方法。声纳、雷达可确定泥沙淤积和冲刷的深度，探测装置较易安装，一般用于洪水过后的冲刷检查，但声纳和雷达的信号质量非常容易受泥沙颗粒或者水草等物的影响，在洪水期间，水流中含有大量泥沙和其他悬浊物时，监测的信号严重衰减，对于超声波存在同样的缺点；另一方面，声纳和雷达信号的测试、编译非常复杂，需要熟练的专业操作人员。TDR应用于桥梁冲刷监测时，通过冲刷导致相应部位的电缆变形甚至破坏，从而感知冲刷，但容易造成信号失真，影响测量结果。将光纤光栅与特定的悬臂梁或其他杆件组合，布置在桥墩附近的河床，光纤光栅虽然直接或者间接地感知泥沙冲刷引起的土压力变化，但这种方法难以在恶劣服役环境下操作，并在定量方面存在困难。水下浮标和磁性定位环等作为一种冲刷监测技术，由于其监测到相应位置的冲刷后即告失效，缺乏一个长期有效、主动的服役周期。
综上，桥梁冲刷的机理十分复杂，随着水文现象的变化，其对桥梁的破坏呈现突发性和偶然性，极易造成危及生命财产的破坏，桥梁服役期间的冲刷分析需要依靠测试手段，但目前还没有可靠的在线冲刷监测系统和方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法，能够可靠的对复杂水环境下桥墩冲刷进行监测和预警。
就监测系统而言，包括冲刷传感石块、全张量磁场梯度仪和数据处理系统；所述冲刷传感石块位于桥墩前侧的河床并可发射磁场；所述全张量磁场梯度仪位于桥墩前侧水面上，测量冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量；所述数据处理系统将全张量磁场梯度仪测得的磁场梯度张量计算成桥墩冲刷深度并对桥墩进行安全评价和预警。
进一步地，所述冲刷传感石块包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、万向支架、高阻尼橡胶隔震层、工程塑料防渗层和高耐久性轻质混凝土外壳，所述钕铁硼永磁铁位于万向支架的中心。
进一步地，所述全张量磁场梯度仪包括四个三轴磁场传感器、微处理器、无线通讯模块和工程塑料外壳；所述四个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，且四个三轴磁场传感器在同一个平面上，该平面为三轴磁场传感器的x轴和y轴形成的平面上；所述全张量磁场梯度仪的原点o在四个三轴磁场传感器的形心，全张量磁场梯度仪的x、y和z轴分别与四个三轴磁场传感器x、y和z轴一致；全张量磁场梯度仪的z轴方向向上。
就监测方法而言，包括如下步骤：
S1)在桥墩前侧距离水面1米处，选择1个参考点，考虑到水位变化，不同时间的参考点设置位置不同，记录参考点至桥面的距离，在参考点处布置全张量磁场梯度仪；
S2)计算冲刷传感石块在参考点处的磁感应强度沿着x轴方向的变化率：
BxA和BxB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从A到B为x轴正方向；ByA和ByB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；BzA和BzB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器的形心在x方向的之间的距离，为0.5米；
S3)计算冲刷传感石块在参考点处的磁感应强度沿着y轴方向的变化率：
BxC和BxD分别为C和D处的x方向的磁感应强度，C、D分别为两个三轴磁场传感器，从C到D为y轴正方向；ByC和ByD分别为C和D处的y方向的磁感应强度；BzC和BzD分别为C和D处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器的形心在y方向的之间的距离，为0.5米；
S4)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CX：
S5)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CY：
S6)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CXY：
S7)计算冲刷传感石块至参考点的距离：
式中，μ0为介质磁导率，m为冲刷传感石块的磁矩，在桥墩前侧抛掷冲刷传感石块前测定其磁矩，r为冲刷传感石块至参考点的距离；
S8)计算冲刷深度hsc
根据式(1)-式(6)及计算出的kXY计算任意时刻冲刷传感石块至参考点之间的距离r，任意时刻参考点至桥面的距离为L，则冲刷深度hsc为
hsc＝(r+L)-(r0+L0) (7)
式中，r0为冲刷传感石块至参考点之间的初始距离，在抛掷冲刷传感器石块时由式(1)-式(6)计算得到；L0为参考点至桥面的初始距离，与r0对应。根据冲刷深度hsc与极限冲刷深度hsclim对比，进行桥墩冲刷预警。
本发明的有益效果：
本监测系统及监测方法采用磁测技术，是一种能够能够穿透岩石、土体、淤泥和水流的非接触式监测技术，具有隐蔽性好、适应性强、不易受干扰、布设方便、测量简便、可在桥梁工程运营的同时进行监测、不影响交通等优点，满足桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求，解决了复杂水环境下桥墩冲刷监测和预警问题。
附图说明
图1是本发明的基于磁场的桥墩冲刷监测系统的结构框图；
图2是本发明的冲刷传感石块的结构框图；
图3是本发明的全张量磁场梯度仪的示意图；
图4是本发明的全张量磁场梯度仪中四个三轴磁场传感器的空间分布示意图；
附图标记：1-桥墩、2-河床、3-冲刷传感石块、4-全张量磁场梯度仪、5-钕铁硼永磁铁、6-万向支架、7-高阻尼橡胶隔震层、8-工程塑料防渗层、9-高耐久性轻质混凝土外壳、10-三轴磁场传感器、11-无线通讯模块、12-微处理器、13-电源、14-工程塑料封装外壳。
具体实施方式
实施例1
本实施例为一种监测系统，如图1所示，该监测系统包括冲刷传感石块3、全张量磁场梯度仪4和数据处理系统(图中未示出)；所述冲刷传感石块3位于桥墩1前侧的河床2，冲刷传感石块3是一种磁场发射元件，因此可以发射磁场；所述全张量磁场梯度仪4位于桥墩1前侧水面上的某一参考点上，全张量磁场梯度仪4用于测量冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量；所述数据处理系统根据磁场梯度张量计算冲刷传感石块至参考点处的距离，然后计算桥墩冲刷深度，在此基础上，与极限冲刷深度比较，对桥墩进行安全评价，并进行预警。
如图2所示，冲刷传感石块包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁5、万向支架6、高阻尼橡胶隔震层7、工程塑料防渗层8和高耐久性轻质混凝土外壳9，所述钕铁硼永磁铁位于万向支架的中心。钕铁硼永磁铁的其磁性稳定、在自然界几乎不减退而达到长期服役的目标，当然也可以使用其他磁场发射元件来代替钕铁硼永磁铁，高阻尼橡胶隔震层可以防止水下的铁硼永磁铁在长期的水流冲击震动荷载和其他撞击作用下失去磁性；工程塑料防渗层具有电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击、防渗的优点，可在水流、泥沙中服役，增强钕铁硼永磁铁使用的耐久性；高耐久性混凝土外壳可以在水下、淤泥等恶劣环境下长期服役；万向支架可以使得钕铁硼永磁铁的磁偶极子轴向方向始终竖直向上。钕铁硼永磁铁与万向支架的几何关系及配置，见文献(江胜华，武立群，侯建国，何英明.基于磁性标签石块的桥墩局部冲刷监测方法.重庆大学学报，2016，39(1)：88-97)。
如图3所示，全张量磁场梯度仪包括四个三轴磁场传感器10、微处理器12、无线通讯模块11、电源13和工程塑料外壳14；四个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，且四个三轴磁场传感器在同一个平面上，该平面为三轴磁场传感器的x轴和y轴形成的平面上；全张量磁场梯度仪的原点o在四个三轴磁场传感器的形心，全张量磁场梯度仪的x、y和z轴分别与四个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致；全张量磁场梯度仪的z轴方向向上。使用全张量磁场梯度仪监测时，微处理器12控制四个三轴磁场传感器10测得磁感应强度，然后微处理器12将缓存的磁场数据通过无线通讯模块11通过网络传输至数据控制系统。
本发明的监测系统具有隐蔽性好、容易布设、适应性强、不易受干扰等优点，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷监测，不影响交通，且具有操作简单、性能稳定等突出优点。
实施例2
本实施例为一种监测方法，包括如下步骤：
S1)在桥墩前侧距离水面1米处，选择1个参考点，考虑到水位变化，不同时间的参考点设置位置不同，记录参考点至桥面的距离，在参考点处布置全张量磁场梯度仪；
S2)计算冲刷传感石块在参考点处的磁感应强度沿着x轴方向的变化率：
BxA和BxB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从B到A为x轴正方向；ByA和ByB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；BzA和BzB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器的形心在x方向的之间的距离，为0.5米；
S3)计算冲刷传感石块在参考点处的磁感应强度沿着y轴方向的变化率：
BxC和BxD分别为C和D处的x方向的磁感应强度，C、D分别为两个三轴磁场传感器，从C到D为y轴正方向；ByC和ByD分别为C和D处的y方向的磁感应强度；BzC和BzD分别为C和D处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器的形心在y方向的之间的距离，为0.5米；
S4)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CX：
S5)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CY：
S6)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CXY：
S7)计算冲刷传感石块至参考点的距离：
式中，μ0为介质磁导率，m为冲刷传感石块的磁矩，在桥墩前侧抛掷冲刷传感石块前测定其磁矩，r为冲刷传感石块至参考点的距离；
S8)计算冲刷深度hsc
根据式(1)-式(6)及计算出的kXY计算任意时刻冲刷传感石块至参考点之间的距离r，任意时刻参考点至桥面的距离为L，则冲刷深度hsc为
hsc＝(r+L)-(r0+L0) (7)
式中，r0为冲刷传感石块至参考点之间的初始距离，在抛掷冲刷传感器石块时由式(1)-式(6)计算得到；L0为参考点至桥面的初始距离，与r0对应。根据冲刷深度hsc与极限冲刷深度hsclim对比，进行桥墩冲刷预警。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法，其特征在于：包括冲刷传感石块、全张量磁场梯度仪和数据处理系统；所述冲刷传感石块位于桥墩前侧的河床并可发射磁场；所述全张量磁场梯度仪位于桥墩前侧水面上，测量冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量；所述数据处理系统将全张量磁场梯度仪测得的磁场梯度张量计算成桥墩冲刷深度并对桥墩进行安全评价和预警。
2.根据权利要求1所述的基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法，其特征在于：所述冲刷传感石块包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、万向支架、高阻尼橡胶隔震层、工程塑料防渗层和高耐久性轻质混凝土外壳，所述钕铁硼永磁铁位于万向支架的中心。
3.根据权利要求2所述的基于磁场的桥墩冲刷监测系统及监测方法，其特征在于：所述全张量磁场梯度仪包括四个三轴磁场传感器、微处理器、无线通讯模块和工程塑料外壳；所述四个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，且四个三轴磁场传感器在同一个平面上，该平面为三轴磁场传感器的x轴和y轴形成的平面上；所述全张量磁场梯度仪的原点o在四个三轴磁场传感器的形心，全张量磁场梯度仪的x、y和z轴分别与四个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致；全张量磁场梯度仪的z轴方向向上。
4.一种基于磁场的桥墩冲刷监测系统，其特征在于：包括如下步骤：
S1)在桥墩前侧距离水面1米处，选择1个参考点，考虑到水位变化，不同时间的参考点设置位置不同，记录参考点至桥面的距离，在参考点处布置全张量磁场梯度仪；
S2)计算冲刷传感石块在参考点处的磁感应强度沿着x轴方向的变化率：
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BxA和BxB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从A到B为x轴正方向；ByA和ByB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；BzA和BzB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器的形心在x方向的之间的距离，为0.5米；
S3)计算冲刷传感石块在参考点处的磁感应强度沿着y轴方向的变化率：
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BxC和BxD分别为C和D处的x方向的磁感应强度，C、D分别为两个三轴磁场传感器，从C到D为y轴正方向；ByC和ByD分别为C和D处的y方向的磁感应强度；BzC和BzD分别为C和D处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器的形心在y方向的之间的距离，为0.5米；
S4)计算冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度张量的局部模量CX：
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式中，μ0为介质磁导率，m为冲刷传感石块的磁矩，在桥墩前侧抛掷冲刷传感石块前测定其磁矩，r为冲刷传感石块至参考点的距离；
S8)计算冲刷深度hsc
根据式(1)-式(6)计算任意时刻冲刷传感石块至参考点之间的距离r，任意时刻参考点至桥面的距离为L，则冲刷深度hsc为
hsc＝(r+L)-(r0+L0) (7)
式中，r0为冲刷传感石块至参考点之间的初始距离，在抛掷冲刷传感器石块时由式(1)-式(6)计算得到；L0为参考点至桥面的初始距离，与r0对应。根据冲刷深度hsc与极限冲刷深度hsclim对比，进行桥墩冲刷预警。
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