CN109975811A - 一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，包括飘浮本体、控制模块、测杆、配重模块和测距仪；飘浮本体的头部和尾部之间具有一垂直方向贯通的腔室，尾部为敞口结构并与腔室连通；腔室的形状与桥墩的截面相匹配，飘浮本体在水面漂浮时，尾部朝向并逐渐接近桥墩，以将桥墩圈入所述腔室；测杆被构造为具有依次连接的第一水平套管、垂直套管、第二水平套管，一端固定于所述飘浮本体的头部，另一端用于连接测深换能器；测杆内穿设有用于连接控制模块和测深换能器的线缆。进一步本发明还提出一种基于上述监测平台的监测方法。通过本发明可解决高承台桥墩的声波阻挡和机电装置在涉水环境中容易损坏的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测技术。
背景技术
桥墩冲刷是桥梁水毁的主要原因之一，是桥梁建设、运行必不可少的关注因素。桥墩冲刷一般有两种主要形式：桥墩束窄水流，增加桥墩之间的单宽流量所引起的桥下河 道全断面冲刷，称一般冲刷；桥墩阻水改变水流结构，水流在桥墩周围产生强烈涡流而 引起的桥墩周围河床一定范围内的冲刷，称局部冲刷。局部冲刷在一般冲刷基础上完成， 是两种冲刷综合作用的结果，一定程度上会削弱桥墩基础的稳固性，可能诱发桥墩因受 力不均而产生下沉、倾斜等不稳定现象，不仅会增大桥墩基础日常维护加固费用，严重 时还可能引发工程质量问题或工程事故。
冲坑深度和形态是桥墩局部冲刷的两个典型的特征要素，影响因素众多，与桥墩形 状、桥墩布置、河床形态、来流强度以及床沙粒径等密切相关，十分复杂，与之相关的 冲刷机理、分析方法、原位监测及防护处理等都是当前研究的热点，其中原位监测作为 一项基础性工作，可以较为准确的提供桥墩冲刷现状，为桥梁施工和运行提供安全监测， 为桥梁基础结构或防护设计的改进和提高积累资料，同时为桥墩冲刷问题的机理分析、 经验公式推导、数值计算、物理模型试验等提供参考数据，重中之重，成为研究桥墩冲 刷不可或缺的技术手段。目前，原位观测一般分为人工定期观测和在线实时观测两种， 人工定期观测又以船载多波束的测量方式最为盛行，R2Sonic2024、Reson7125等是常用 的多波束型号，多波束的优势在于可以较为精准的获取桥墩周边水下地形地貌，但是缺 点是仪器设备精贵，单次监测的费用高，受往来通航船舶的影响，作业存在一定的安全 风险，因而难以及时更新桥墩冲刷状况，不能形成桥墩局部冲刷的实时风险预警。
回声探测是桥墩局部冲刷监测最常用的一类技术，一般将超声波、雷达等回声测深 装置的换能器固定安装在水面以下的墩身上，换能器发射某一频率的声波，声波经过水体的传播到达冲坑的水沙交界面后反射，反射波被换能器接收，之后根据声波的传播速 度和回波时间来计算监测位置处的冲刷深度。回声探测方法具有设备成本低、精度较高、 可操作性好、对冲坑变化过程动态监测方便等优点，但同时其只能单点测量，且“桥墩 周边复杂流态的声波传输干扰”、“高承台的声波传输遮挡”等因素会对其测量产生较大的 影响。其中，流态的影响因素一般通过增强换能器抗干扰能力、增加数值滤波、以及适 当的调整探测仪的测点位置(例如是迎水面还是背水面测量)等处理；“高承台的声波 传输遮挡”是决定回声探测仪安装方式的关键影响因素，“高承台”一般是指水深较大的河 道，为便于施工，桥墩承台顶高程高于河底高程，如图2所示的长江某桥梁桥墩的立面 图，承台顶高程-7m，低于该江段历史最低水位，长年淹没于水下。这种情况下，如果 按照图1所示的桥墩侧壁安装回声探测仪的方法，声波遇到承台就已经发生了反射。
综上可见，现有技术中，现有的监测平台也均未考虑承台遮蔽的影响，使用范围受限，且大多监测装置需要采用水下固定安装的方式，且运用机电装置进行驱动，但由于 涉水环境恶劣，机电装置存在损坏的风险极高，导致监测平台的稳定性也较差。
发明内容
为解决高承台桥墩的声波阻挡和机电装置在涉水环境中容易损坏的技术问题，本发 明提出一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台及方法，具体技术方案包括：
方案一：一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，包括飘浮本体、控制模块、测杆、配重模块和测距仪；所述飘浮本体被构造为具有头部、尾部，以及位 于头部和尾部之间且垂直方向贯通的腔室，所述尾部为敞口结构并与所述腔室连通；所 述腔室的形状与桥墩的截面相匹配，所述飘浮本体在水面漂浮时，尾部朝向并逐渐接近 桥墩，以将桥墩圈入所述腔室；所述测杆被构造为具有依次连接的第一水平套管、垂直 套管、第二水平套管，所述第一水平套管的另一端固定于所述飘浮本体的头部，所述第 二水平套管的另一端用于连接测深换能器；所述测杆内穿设有用于连接控制模块和测深 换能器的线缆；所述控制模块布置在飘浮本体上，用于采集测深换能器数据以及为测深 换能器供电；所述配重模块布置在飘浮本体的尾部，用于保证飘浮本体的整体平衡；所 述测距仪布置在桥墩的顶部，用于测量飘浮本体顶部的高程。
作为一种优选方案，所述飘浮本体的尾部配置有至少一根用于增强飘浮本体刚性的 连接绳。
作为一种优选方案，所述腔室的内壁布置有多块缓冲橡胶。
作为一种优选方案，所述第一水平套管、垂直杆和第二水平套管均由多根铝合金套 管单元两两拼接而成。
作为一种优选方案，相邻套管单元之间通过丝扣管件连接。
作为一种优选方案，所述第一水平套管、垂直杆和第二水平套管均为可伸缩套管。
作为一种优选方案，所述配重模块为配重沙袋。
方案二：一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测方法，采用方案一所述 的适合单向水流的桥墩局部冲刷在线监测平台，将测深换能器置于待测桥墩迎水面进行 测试，且通过所述测杆使测深换能器偏离桥墩高承台的距离确保测深换能器的测量声波 不受桥墩边壁的影响。
作为一种优选方案，所述测深换能器选用HD-310单频测深仪或TOSDN HXF-260单频测深仪。
有益效果：
(1)本发明所提出的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，作为桥墩冲刷坑在线监测 设备的一个通用载体，可以方便搭载适宜不同水环境的测深仪，并能通过调整测杆的长度解决高承台桥墩的声波阻挡问题。
(2)本发明所提出的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，不涉及复杂的动力机构，制作成本低，方便检修设备，又易于安装，整套系统的可维护性非常高。
附图说明
图1回声探测仪的冲坑测深监测示意图；
图2高承台桥墩结构实例图；
图3测深仪安装平面布置图；
图4钢浮箱尺寸示意图；
图5钢浮箱与测杆连接示意图；
图6测杆连接与线缆连接示意图；
图7测深换能器安装示意图：(a)倾斜安装时发射波束示意图，(b)声波的散射形态示意图；
图8测深仪安装立面示意图；
图9回声探测仪的平面测点布置示意图：(a)1号墩测点布置示意，(b)2号墩测 点布置示意(3号墩同2号墩)。
具体实施方式
结合图2至图8所示，针对存在“高承台遮挡”影响因素的桥墩，实施例1公开一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台(简称在线监测平台)，其主要包括 钢浮箱1、测杆2、控制柜4、配重沙袋5和激光测距仪6。
如图3所示，钢浮箱1的外形类似于扳手的开口部分，其头部为圆弧形，尾部为敞口结构，中间具有一个垂直方向贯通的腔室，腔室的大小形状和所要依附的桥墩相匹配，能将桥墩圈在腔室内，腔室内壁与桥墩壁面具有一定间隙，使得钢浮箱1可以随着水位 的变动而上下沉浮。在钢浮箱1内壁设有多块缓冲橡胶7，浮箱1和桥墩之间用缓冲橡 胶隔离，使船和桥墩边壁隔离开，起到缓冲、减磨、保护的作用。钢浮箱1的尾部设有 一根连接绳8，用于拉紧钢浮箱1的尾部，一方面用于增强钢浮箱1的刚性，另一方面 也可以起到固定作用，防止在测量过程中，钢浮箱1受水流影响漂浮并脱离桥墩。
如图4所示，钢浮箱1的长度为1.5L米，宽度为D+0.44+1+1米，厚度为0.6米， 其中，L代表桥墩顺水流直线段的长度，D代表桥墩迎水面的宽度。缓冲橡胶7的尺寸 可根据钢浮箱1的尺寸设计为长40cm，宽60cm，厚20cm，可通过绳索挂在钢浮箱1 内壁，或其它方式固定于钢浮箱1内壁，间隔排列。
如图5所示，测杆2通过螺栓方式固定在钢浮箱1头部中间位置。测杆2由水平管 和垂向管组成，形成近似的反向“Z”字形结构，具体由水平管21、垂直管22和水平管 23依次串接而成。如图6所示，为方便携带，两根水平管和一根垂向管均由单根不超过 1m的铝合金管两两连接而成，相同方向的相邻铝合金管可通过丝扣管件连接，不同方 向的铝合金管可通过90°弯头丝扣管件连接。水平管21的自由端(测杆2首端)通过螺 栓固定在钢浮箱1头部的螺孔10处，水平管23的自由端(测杆2末端)通过螺栓与测 深换能器3连接。作为另一实施例，还可将水平管和垂直管设计成可伸缩结构。测杆2 的长度(主要取决于水平杆23的长度)和高度(垂直杆22的长度)应按照测深换能器 3的散射角度和斜装角度确定，本实施例中，需要满足测深换能器3偏离桥墩承台至少 3m。
测杆2内部穿设有连接换能器7和控制柜4的线缆9，通过该线缆，控制柜4可与 测深换能器3数据连接，采集测深换能器3数据，并为测深换能器3供电。测深换能器3入水的深度一般应大于3m，以避免表层流或其他杂物的干扰，同时也避免测杆2干 扰周边小型船舶的通行安全。配重沙袋5固定在钢浮箱1的尾部，主要起到平衡钢浮箱 2的重心的作用，防止加装测杆2后，翘起不稳。激光测距仪6安装在桥墩上，用于测 量钢浮箱1顶部的高程，以进一步计算桥墩冲刷坑底部的高程。
需要测试时，可通过拖船或其它设备将装备好的钢浮箱1运到测量现场，卡入桥墩即可。为了避免桥墩边壁的干扰影响，河底处的声波应偏离壁面一定的安全距离。对于 散射角度约8°的换能器，当换能器距离河床50m时，散射半径是6.96m，按照图7所示， 斜装角度5°时，所计算的偏离距离是4.37m，声波必然会直接触碰到桥墩边壁，为此， 参照图8，换能器偏离桥墩承台位置3m，3+4.37＝7.37m，大于6.96m的散射半径，以避 开桥墩边壁的影响。表1给出了换能器距离河床不同深度时对应的偏离距离，相应的可 得到换能器偏离桥墩承台的合适位置。
表1 换能器散射角度和偏离距离计算
| 换能器距离河床(m) | 散射角度(°) | 散射半径(m) | 斜装角度(°) | 偏离距离(m) |
| 10 | 8 | 1.39 | 5 | 0.87 |
| 20 | 8 | 2.78 | 5 | 1.75 |
| 30 | 8 | 4.18 | 5 | 2.62 |
| 40 | 8 | 5.57 | 5 | 3.50 |
| 50 | 8 | 6.96 | 5 | 4.37 |
进一步的，通过测深仪测量的水深以及激光测距仪测量的钢浮箱顶部高程等参数， 可以换算出桥墩冲刷坑底部的高程，具体计算公式如下：
桥墩冲刷坑底部的高程＝钢浮箱顶部的高程-换能器声波发射面距离钢浮箱顶部的垂直距离-换能器测量水深*COS(斜装角度)。
计算得到的桥墩冲刷坑底部的高程数值作为桥墩局部冲刷在线监测的结果，是衡量 冲刷严重程度的关键参数。由此可见，通过该平台，可实现具有高承台桥墩局部冲刷的在线监测。
进一步的，针对实施例1所述的适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台， 实施例2公开了一种测深仪优选案例，并说明了在线监测平台测深仪迎水面安装的原因， 包括：
结合图9所示，测试选定桥墩编号分别为1、2和3号，测点位置如图9(a)和图 9(b)所示。测试设备采用机动船船舷固定安装的方式，包括SDE-18S单频测深仪、ATLAS DESO 35双频测深仪、HD-310单频测深仪、TOSDN HXF-260单频测深仪等相关仪器；换 能器均至于水面以下50cm的地方；测量结果与R2Sonic2024多波束结果对比，显示：
a)1号桥墩测量期间水面到坑底的水深小于6m，Sontek Flowtracker ADV流速测量 结果显示：1号桥墩两侧绕流表面流速约0.2m/s，流态较为稳定。各型设备受墩壁和流态的干扰影响较小，换能器波束不论是垂直向下发射或者是偏离墩壁倾斜向下一定的角度(≤15°，图7)发射，都具有较好的测试结果，即便是贴近墩壁安装(2号测点)，也 得到了较为理想的数据。
b)2号桥墩测量期间水面到坑底的水深34～39m。2号桥墩流速较大，桥墩两侧绕流表面流速约1.3m/s。此时适宜于测深仪的最佳安装位置是桥墩迎水面的6号点，即便 是倾斜5°发射，尽管时有杂波干扰，但通过定义测深阈值和对回波数据的滤波处理，可 以得到与多波束接近的理想结果。
c)对于3号桥墩，测量期的冲坑水深一般超过50m，桥墩两侧绕流表面流速约2m/s，是该大桥桥墩冲刷的主要风险位置，测试结果显示，桥墩迎水面的6号点依然是测深仪 的最佳安装位置。
d)几种类型的测深设备中，HD-310单频测深仪、TOSDN HXF-260单频测深仪均具有较强的捕捉水底强回波的能力，测量结果与多波束实测结果相近。
综上可见，通过本发明所述的适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台具 有可搭载的适宜单频测深仪，测深换能器在监测平台迎水面布置时因所受的桥墩绕流干 扰小，也是适宜的，另外，由于桥墩冲刷坑一般具有迎水面深、背水侧浅的普遍规律， 测深换能器也适合安装在监测平台的迎水面。
最后，需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，其特征在于，包括飘浮本体、控制模块、测杆、配重模块和测距仪；所述飘浮本体被构造为具有头部、尾部，以及位于头部和尾部之间且垂直方向贯通的腔室，所述尾部为敞口结构并与所述腔室连通；所述腔室的形状与桥墩的截面相匹配，所述飘浮本体在水面漂浮时，尾部朝向并逐渐接近桥墩，以将桥墩圈入所述腔室；所述测杆被构造为具有依次连接的第一水平套管、垂直套管、第二水平套管，所述第一水平套管的另一端固定于所述飘浮本体的头部，所述第二水平套管的另一端用于连接测深换能器；所述测杆内穿设有用于连接控制模块和测深换能器的线缆；所述控制模块布置在飘浮本体上，用于采集测深换能器数据以及为测深换能器供电；所述配重模块布置在飘浮本体的尾部，用于保证飘浮本体的整体平衡；所述测距仪布置在桥墩的顶部，用于测量飘浮本体顶部的高程。
2.如权利要求1所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，其特征在于，所述飘浮本体的尾部配置有至少一根用于增强飘浮本体刚性的连接绳。
3.如权利要求1所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，其特征在于，所述腔室的内壁布置有多块缓冲橡胶。
4.如权利要求1所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，其特征在于，所述第一水平套管、垂直杆和第二水平套管均由多根铝合金套管单元两两拼接而成。
5.如权利要求4所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，其特征在于，相邻套管单元之间通过丝扣管件连接。
6.如权利要求1所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，其特征在于，所述第一水平套管、垂直杆和第二水平套管均为可伸缩套管。
7.如权利要求1所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测平台，所述配重模块为配重沙袋。
8.一种适合单向水流的高承台桥墩局部冲刷在线监测方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任意一项所述的适合单向水流的桥墩局部冲刷在线监测平台，将测深换能器置于待测桥墩的迎水面进行测试，且通过所述测杆使测深换能器偏离桥墩高承台的距离确保测深换能器的测量声波不受桥墩边壁的影响。
9.如权利要求8所述的高承台桥墩局部冲刷在线监测方法，其特征在于，所述测深换能器选用HD-310单频测深仪或TOSDN HXF-260单频测深仪。
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