CN116497767B - 面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，具有冲刷与磨蚀防护、自主发电，智能监测冲刷深度和远程监控桥墩运营状态等功能。装置包括三棱锥桩架体系牺牲桩群、发电系统和智能监测照明系统；其中桩架体系牺牲桩群为主体部分，根据水力条件对三根方形截面柱体在河床面上的相对位置进行布置，然后三根方形截面柱体向上延伸汇集于水面以上，组成三棱锥框架防护体系，加强防护体系稳定性；发电系统多个通过水流进行发电的叶片式水流发电机，为用电模块供电；智能监测照明系统包括三棱锥体牺牲桩锥顶的警示照明监控装置，牺牲桩近河床面的局部冲刷深度照明灯与监测局部冲刷深度摄像头。

Description

面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，特别是涉及面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置。

背景技术

西部地区千沟万壑、地势艰险，这些地形地貌特点导致桥梁在交通线路中愈发重要。横断山区地形起伏明显，岭谷高差可达5000米以上，区域内河流水系发达、河谷狭窄，水力梯度极大，沿河流地形地质条件变化大，地层垂直变化大，差异性强，极易发生山洪灾害。山洪灾害作为全球重大自然灾害之一，更容易对桥梁结构造成破坏。桥梁作为交通路网中的控制性工程，一旦发生破坏会产生巨大影响，冲刷与磨蚀撞击作为桥梁结构失效的关键因素之一愈发引起人们的广泛关注。由于横断山区的复杂环境，主流的防护措施易受到急流中的外物磨蚀撞击、河床整体下切引起的位置改变等因素的影响导致防护效果大打折扣。因此，提出一种针对桥墩局部冲刷与磨蚀撞击的联合防护装置具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种主动对上流高速水流进行阻碍，降低桥墩附近水流强度，达到减小桥墩局部冲刷深度效果的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，其装置包括三棱锥桩架体系牺牲桩群，三棱锥桩架体系牺牲桩群包括多个三棱锥桩架，每个三棱锥桩架均包括三根竖直设置的牺牲桩，三根牺牲桩设置于顺水流方向桥墩结构的前方；三根牺牲桩俯视投影的中心连线呈三角形结构，三根牺牲桩的底部均与河床固定连接，三根牺牲桩的顶部均向上延伸至水面以上并汇集于一点形成三棱锥形结构。

本发明的基本原理为：本发明中的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，通过在桥墩结构的前方设置三棱锥桩架体系牺牲桩群，桩架体系牺牲桩群在桥墩结构前对水流产生屏蔽效应，减小水流到达保护桥墩的流速，降低马蹄涡与加速水流的强度，减小冲刷效应。

三棱锥桩架的顶部为三棱锥形结构，三棱锥作为四面体具有极强的稳定性，针对山区急流带来的漂浮物撞击具有较好的防护效果，减小目标桥墩遭受磨蚀作用，保护核心区域混凝土，可以防止上游急流带来的外物撞击，减小磨蚀作用，并且多根牺牲桩可以阻碍上游水流到达桥墩的速度以及对目标桥墩进行泥沙回填，减小桥墩局部冲刷。

进一步地，作为三根牺牲桩的具体实施方式，三根牺牲桩的横截面均呈方形结构，三根牺牲桩包括一根前端牺牲桩和两根后端牺牲桩；

两根后端牺牲桩沿水流方向对称布置于桥墩结构的前方；

前端牺牲桩设置于两根后端牺牲桩的正前方，前端牺牲桩的角边正对水流方向；

前端牺牲桩和两根后端牺牲桩三根牺牲桩俯视投影的中心连线呈正三角形结构，三棱锥形结构的俯视投影位于正三角形形心处。

上述技术方案中，三根牺牲桩在河床以下为竖直状态保持桩基础稳定，然后根据水力条件对河床面上的相对位置进行布置，前端牺牲桩选择用角边正对水流方向，将最强的水流分成两股，减小水流强度；两根后端牺牲桩继续产生屏蔽效应，对水流强度进行进一步削弱；三根牺牲桩会同时阻碍水流行径，发生冲刷，三根牺牲桩周围的泥沙会被输运至下游，并在目标桥墩处沉积产生泥沙回填现象。

进一步地，作为单个三棱锥桩架的一种具体设置方式，桥墩结构的直径为D，一根前端牺牲桩和两根后端牺牲桩的横截面的边长为0.25D，前端牺牲桩与桥墩结构之间的间距为2D~3D，两根后端牺牲桩与桥墩结构之间的间距为0.5D~1D，三棱锥形结构顶部超出水面的长度为0.25D~0.5D。

本发明装置使用时，需要将装置布置于保护桥墩结构的顺水流方向正前方，并根据水力条件的不同调整装置与桥墩结构之间的距离，每个三棱锥桩架底部三角形的大小形状以及三棱锥形结构的出水高度。通过这些设置可以对桥梁的冲刷与撞击磨蚀减控发挥至最大限度。

进一步地，面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置还包括警示照明监控装置和用于为警示照明监控装置供电的发电系统；

警示照明监控装置包括设置于三棱锥形结构顶部的灯柱，灯柱的顶部安装有无线信号连接器、监控摄像头、监控照明灯和监控保护罩；

监控摄像头和监控照明灯通过无线信号连接器连接终端控制台。

上述技术方案中，灯柱伸出水面在夜间通过终端控制台进行控制点亮，提醒来往船只避免撞击；监控照明灯增加画面能见度，监控摄像头对桥墩附近运营状态进行监控，监控摄像头采集的视频或者图像信息通过无线信号连接器与终端控制台进行交互传输。

进一步地，作为发电系统的具体设置方式，前端牺牲桩上等间距开设有多个透水孔，发电系统包括安装与多个透水孔内的多个叶片式水流发电机，多个叶片式水流发电机均与警示照明监控装置电性连接。

上述技术方案中，前端牺牲桩受到最强的水流作用，将透水孔设置在前端牺牲桩上，实现最大效率的发电功能，在发电时，水流会流入透水孔经过叶片式水流发电机，水流驱动叶片式水流发电机进行发电，为整个智智能牺牲桩架装置供能。

进一步地，面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置还包括多个与发电系统电性连接的监测冲刷深度设备，多个监测冲刷深度设备分别设置于两根后端牺牲桩上，每个监测冲刷深度设备均包括一块安装板，安装板与后端牺牲桩的侧壁固定连接，安装板的下端面固定设置有与发电系统电性连接的深度照明灯和深度摄像头，深度照明灯和深度摄像头的照射方向均竖直向下。

进一步地，深度照明灯和深度摄像头均通过无线信号连接器与终端控制台电性连接。

上述技术方案中，深度摄像头用于对冲刷深度进行实时监控，并通过无线信号连接器与终端控制台电线连接，将深度摄像头采集的冲刷深度信息反馈给桥梁管理部门，而由于河床底部缺少光线，泥沙输运导致视线不清晰，深度摄像头对河床底部进行照明，增加深度摄像头的能见度，使得深度摄像头拍摄更加清晰。

进一步地，发电系统还包括充电电池，多个叶片式水流发电机与充电电池电性连接；警示照明监控装置和多个监测冲刷深度设备分别均与充电电池电性连接，充电电池上包裹有防水层。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，通过在桥墩结构的前方设置三棱锥桩架以水流产生屏蔽效应，减小水流到达保护桥墩的流速，降低马蹄涡与加速水流的强度，减小冲刷效应。

2、本发明提供的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，三棱锥桩架体系牺牲桩群会在桥墩结构前产生冲刷，冲刷输运的泥沙会回填至后面的桥墩，对桥墩处的冲刷坑进行泥沙回填，减小冲刷效应。

3、本发明提供的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，三棱锥桩架具有极强的稳定性，可以防止上游急流带来的外物撞击，减小磨蚀作用。

4、本发明提供的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，在前端牺牲桩上设置有发电系统，利用前端牺牲桩对水流的阻碍作用进行水流发电，通过水流驱动叶片式水流发电机进行发电，为整个智能牺牲桩架装置中的用电装置进行供电。

5、本发明提供的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，通过设置有警示照明监控装置，不仅可以桥墩运营状态进行实时监控，还可以通过点亮灯柱提醒来往船只避免撞击桥墩结构。

6、本发明提供的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，通过在两根后端牺牲桩上设置监测冲刷深度设备，对冲刷深度进行实时监控，并通过无线信号连接器与终端控制台电线连接，将深度摄像头采集的冲刷深度信息反馈给桥梁管理部门，便于桥梁管理部门对桥墩的冲刷深度进行实时监控。

附图说明

图1为面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置的安装结构示意图。

图2为三棱锥桩架设置在桥墩结构前方的结构示意图。

图3为叶片式水流发电机设置在前端牺牲桩上的结构示意图。

图4为监测冲刷深度设备设置在后端牺牲桩上的结构示意图。

图5为警示照明监控装置的结构示意图。

图6为前端牺牲桩和两根后端牺牲桩的俯视投影结构示意图。

其中，1、三棱锥桩架；2、牺牲桩；201、前端牺牲桩；202、后端牺牲桩；3、三棱锥形结构；4、警示照明监控装置；401、灯柱；402、无线信号连接器；403、监控摄像头；404、监控照明灯；405、监控保护罩；5、发电系统；501、叶片式水流发电机；6、透水孔；7、监测冲刷深度设备；701、安装板；702、深度照明灯；703、深度摄像头；8、桥墩结构。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1~图2所示，本发明提供了面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，其装置包括三棱锥桩架体系牺牲桩群，三棱锥桩架体系牺牲桩群包括多个三棱锥桩架，每个三棱锥桩架均包括三根竖直设置的牺牲桩2，三根牺牲桩2设置于顺水流方向桥墩结构8的前方；三根牺牲桩2俯视投影的中心连线呈三角形结构，三根牺牲桩2的底部均与河床固定连接，三根牺牲桩2的顶部均向上延伸至水面以上并汇集于一点形成三棱锥形结构3。

本发明中的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，通过在桥墩结构8的前方设置三棱锥桩架体系牺牲桩群，桩架体系牺牲桩群在桥墩结构8前对水流产生屏蔽效应，减小水流到达保护桥墩的流速，降低马蹄涡与加速水流的强度，减小冲刷效应。

三棱锥桩架的顶部为三棱锥形结构3，三棱锥作为四面体具有极强的稳定性，针对山区急流带来的漂浮物撞击具有较好的防护效果，减小目标桥墩遭受磨蚀作用，保护核心区域混凝土，可以防止上游急流带来的外物撞击，减小磨蚀作用，并且多根牺牲桩2可以阻碍上游水流到达桥墩的速度以及对目标桥墩进行泥沙回填，减小桥墩局部冲刷。

优选但布局局限地，如图2和图6所示，作为三根牺牲桩2的具体实施方式，三根牺牲桩2的横截面均呈方形结构，三根牺牲桩2包括一根前端牺牲桩201和两根后端牺牲桩202；两根后端牺牲桩202沿水流方向对称布置于桥墩结构8的前方；前端牺牲桩201设置于两根后端牺牲桩202的正前方，前端牺牲桩201的角边正对水流方向；前端牺牲桩201和两根后端牺牲桩202三根牺牲桩俯视投影的中心连线呈正三角形结构，三棱锥形结构3的俯视投影位于正三角形形心处。

上述技术方案中，三根牺牲桩2在河床以下为竖直状态保持桩基础稳定，然后根据水力条件对河床面上的相对位置进行布置，前端牺牲桩201选择用角边正对水流方向，将最强的水流分成两股，减小水流强度；两根后端牺牲桩202继续产生屏蔽效应，对水流强度进行进一步削弱；三根牺牲桩2会同时阻碍水流行径，发生冲刷，三根牺牲桩2周围的泥沙会被输运至下游，并在目标桥墩处沉积产生泥沙回填现象。

具体地，如图2所示，作为单个三棱锥桩架的一种具体设置方式，桥墩结构8的直径为D，一根前端牺牲桩201和两根后端牺牲桩202的横截面的边长为0.25D，前端牺牲桩201与桥墩结构8之间的间距为2D~3D，两根后端牺牲桩202与桥墩结构8之间的间距为0.5D~1D，三棱锥形结构3顶部超出水面的长度为0.25D~0.5D。

本发明装置使用时，需要将装置布置于保护桥墩结构8的顺水流方向正前方，并根据水力条件的不同调整装置与桥墩结构8之间的距离，每个三棱锥桩架底部三角形的大小形状以及三棱锥形结构3的出水高度。通过这些设置可以对桥梁的冲刷与撞击磨蚀减控发挥至最大限度。

如图2、图3和图5所示，面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置还包括警示照明监控装置4和用于为警示照明监控装置4供电的发电系统5；警示照明监控装置4包括设置于三棱锥形结构3顶部的灯柱401，灯柱401的顶部安装有无线信号连接器402、监控摄像头403、监控照明灯404和监控保护罩405；监控摄像头403和监控照明灯404通过无线信号连接器402连接终端控制台。

灯柱401伸出水面在夜间通过终端控制台进行控制点亮，提醒来往船只避免撞击；监控照明灯404增加画面能见度，监控摄像头403对桥墩附近运营状态进行监控，监控摄像头403采集的视频或者图像信息通过无线信号连接器402与终端控制台进行交互传输。

在本实施例中上述部件的选型和其内部结构均为现有技术，在此不具体参数每个部件的工作原理和部件之间的具体连接关系。

而作为发电系统5的具体设置方式，前端牺牲桩201上等间距开设有多个透水孔6，发电系统5包括安装与多个透水孔6内的多个叶片式水流发电机501，多个叶片式水流发电机501均与警示照明监控装置4电性连接。

前端牺牲桩201受到最强的水流作用，将透水孔6设置在前端牺牲桩201上，实现最大效率的发电功能，在发电时，水流会流入透水孔6经过叶片式水流发电机501，水流驱动叶片式水流发电机501进行发电，为整个智智能牺牲桩架装置供能。

发电系统5还可以包括充电电池，多个叶片式水流发电机501与充电电池电性连接；警示照明监控装置4和多个监测冲刷深度设备7分别均与充电电池电性连接，充电电池上包裹有防水层。充电电池可以对多个叶片式水流发电机501发出的电能进行储存，并在使用时，将电能供给至警示照明监控装置4和多个监测冲刷深度设备7；防水层可以避免水渗入充电电池中。

优选但不局限地，面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置还包括多个与发电系统5电性连接的监测冲刷深度设备7，如图4所示，多个监测冲刷深度设备7分别设置于两根后端牺牲桩202上，每个监测冲刷深度设备7均包括一块安装板701，安装板701与后端牺牲桩202的侧壁固定连接，安装板701的下端面固定设置有与发电系统5电性连接的深度照明灯702和深度摄像头703，深度照明灯702和深度摄像头703的照射方向均竖直向下。

深度照明灯702和深度摄像头703可以通过是无线信号连接器402与终端控制台电性连接，也可以是监测冲刷深度设备7中自带有与终端控制台电性连接的通讯模块。

深度摄像头703用于对冲刷深度进行实时监控，并通过无线信号连接器402与终端控制台电线连接，将深度摄像头703采集的冲刷深度信息反馈给桥梁管理部门，而由于河床底部缺少光线，泥沙输运导致视线不清晰，深度摄像头703对河床底部进行照明，增加深度摄像头703的能见度，使得深度摄像头703拍摄更加清晰。

在本实施例中上述部件的选型和其内部结构均为现有技术，在此不具体参数每个部件的工作原理和部件之间的具体连接关系。

Claims (4)

1.面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，其特征在于，包括三棱锥桩架体系牺牲桩群，所述三棱锥桩架体系牺牲桩群包括多个三棱锥桩架，每个所述三棱锥桩架均包括三根竖直设置的牺牲桩，三根所述牺牲桩设置于顺水流方向桥墩结构的前方；三根牺牲桩俯视投影的中心连线呈三角形结构，三根牺牲桩的底部均与河床固定连接，三根牺牲桩的顶部均向上延伸至水面以上并汇集于一点形成三棱锥形结构；

三根所述牺牲桩的横截面均呈方形结构，三根牺牲桩包括一根前端牺牲桩和两根后端牺牲桩；

两根所述后端牺牲桩沿水流方向对称布置于桥墩结构的前方；

所述前端牺牲桩设置于两根后端牺牲桩的正前方，前端牺牲桩的角边正对水流方向；

前端牺牲桩和两根后端牺牲桩三根牺牲桩俯视投影的中心连线呈正三角形结构，三棱锥形结构的俯视投影位于正三角形形心处；

智能牺牲桩架装置还包括警示照明监控装置和用于为所述警示照明监控装置供电的发电系统；

警示照明监控装置包括设置于所述三棱锥形结构顶部的灯柱，所述灯柱的顶部安装有无线信号连接器、监控摄像头、监控照明灯和监控保护罩；

所述监控摄像头和监控照明灯通过所述无线信号连接器连接终端控制台；

所述前端牺牲桩上等间距开设有多个透水孔，所述发电系统包括安装与多个所述透水孔内的多个叶片式水流发电机，多个所述叶片式水流发电机均与所述警示照明监控装置电性连接；

智能牺牲桩架装置还包括多个与所述发电系统电性连接的监测冲刷深度设备，多个所述监测冲刷深度设备分别设置于两根所述后端牺牲桩上，每个所述监测冲刷深度设备均包括一块安装板，所述安装板与后端牺牲桩的侧壁固定连接，安装板的下端面固定设置有与发电系统电性连接的深度照明灯和深度摄像头，所述深度照明灯和深度摄像头的照射方向均竖直向下。

2.根据权利要求1所述的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，其特征在于，所述桥墩结构的直径为D，所述一根前端牺牲桩和两根后端牺牲桩的横截面的边长为0.25D，前端牺牲桩与桥墩结构之间的间距为2D~3D，两根后端牺牲桩与桥墩结构之间的间距为0.5D~1D，所述三棱锥形结构顶部超出水面的长度为0.25D~0.5D。

3.根据权利要求2所述的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，其特征在于，所述深度照明灯和深度摄像头均通过所述无线信号连接器与终端控制台电性连接。

4.根据权利要求1所述的面向山区桥墩冲刷与磨蚀联合防护的智能牺牲桩架装置，其特征在于，所述发电系统还包括充电电池，多个所述叶片式水流发电机与所述充电电池电性连接；所述警示照明监控装置和多个监测冲刷深度设备分别均与充电电池电性连接，充电电池上包裹有防水层。