CN103438871A - 一种高速水流环境下桥墩冲刷监测***及实现方法 - Google Patents
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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***。***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***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***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***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
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***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***方面的研究很少。目前桥梁冲刷监测***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***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***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***。
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***,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***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***,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。
一种高速水流环境下桥墩冲刷监测***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 ***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***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***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***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***。
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,field programmable gate array)、信号调理电路44、数字采集***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***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***。
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***,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***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***,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***,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***,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。
4.一种高速水流环境下桥墩冲刷监测***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。
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |