TW201443316A - 用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其主要包括：重力偵測桿、重力偵測套管、滑套、電阻尺、動力機構、控制器單元及計時器單元等。其中，重力偵測套管可滑動套設在重力偵測桿外側，而滑套導引重力偵測桿和重力偵測套管的滑動；控制器單元控制動力機構以作動重力偵測套管上下抽動，而計時器單元則控制重力偵測套管上下抽動的時間和頻率，電阻尺將重力偵測桿及重力偵測套管對應的滑動深度輸出一量測信號。據此，控制器單元將電阻尺之量測信號比較分析，經由重力偵測桿之位移量可測得河床的沖刷深度，且藉由重力偵測套管之位移量可測得回淤的深度等。

Description

用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置

本發明係有關用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，特別地是指一種能同時測得河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置。

一座橋樑斷面可能遭受之總沖刷深度，例如第1圖所示，包括一般沖刷(General Scour)及局部化沖刷(Localized Sour)所造成。一般沖刷係指河床全面性的下降，其成因主要為自然或人為因素，使河川泥砂運移喪失平衡所致；局部化沖刷再區分成(1)束縮沖刷(Contraction Scour)，係指因設置橋樑造成通水斷面減小增加流速而導致之河床沖刷行為；(2)橋墩及橋台之局部沖刷(Local Scour)，則指洪水流經橋墩或橋台周圍時，橋基周圍底床受到渦流侵蝕所導致之橋墩或橋台周圍淘刷現象，危及原本裸露之橋基，甚至橋樑傾斜、倒塌，造成交通中斷，對人民生命安全及財產造成莫大的傷害。

第1a圖所示，為一般橋樑遭遇洪水普遍在基樁附近之局部化沖刷的現象，為水流流經橋墩時，墩柱迎水面而受到沖刷掏空之狀況，即屬束縮沖刷；但當颱風暴雨期間，河流之渦流效應明顯昇升，橋墩及橋台之局部沖刷對橋基之掏空能量龐大，使樁基因瞬間之漂流 木或亂石撞毀甚至使橋梁倒塌之機會甚高，因此沖刷深度的監測及對通過人車之即時示警與管制就變得非常重要。

習知用以監測橋樑基樁受沖刷深度之技術包括超音波量測、傳統重力式及光纖量測等原理。超音波量測之缺點在於音波對於溫度之敏感性高，且因涉及範圍廣而不易定義環境溫度。再者，音波傳遞路徑經過不同介質(如河水混濁)，影響到音波速度值之測得精度。另外，音波行進期間易受周遭噪音干擾，特別是颱風暴雨期間，渦流擾動、漂木與亂石撞擊、及強風呼嘯等。總之，超音波量測技術因運用性不佳而漸被淘汰。

為了改善習用橋基沖刷監測裝置及系統的缺失，例如第1b及1c圖所示，為本案發明人等於台灣發明專利I331178(對應中國發明專利ZL200710109492.8)，提出一種重力式用於監測橋樑基礎河床沖刷深度之監測裝置，其主要包括：至少一重力偵測桿(1’)，一端抵接在河床(8’)上，另一端朝垂直方向伸設；至少一重力偵測套管(2’)，其中心供該重力偵測桿(1’)穿過且容許其垂直方向滑動；至少一滑套(3’)，其一端具有一導引部(31’)鬆套設在該套管(2’)外側，另一端固定於橋樑之橋墩(6’)上，用於維持該套管(2’)和重力偵測桿(1’)能垂直方向滑動。據此，當河床(8’)因沖刷而下陷時，該重力偵測桿(1’)和重力偵測套管(2’)亦跟隨著下降，藉由位準滑移即時獲得沖刷資料，並進一步示警及管制通行防止意外傷害發生。

上述公開案亦揭示一種遠端自動監測系統，其主要包括：至少一重力偵測桿(1’)，其一端可抵觸在河床(8’)上，另一端朝垂直方向向上伸設至設定高度；至少一重力偵測套管(2’)，其中心部分供該重力偵測桿穿過且可容許重力偵測桿(1’)在垂直方向滑動；多數個滑套(3’)，其一端鬆套設在該套管(2’)外側，另一端固定於橋樑橋墩(6’)之預定位置上，用於維持該套管(2’)和重力偵測桿(1’)之至少一者能在垂直方向滑動；至少一監測信號擷取單元(90’)，用以擷取該重力偵測桿(1’)或重力偵測套管(2’)滑動距離之電氣信號，並發送至一遠端管制中心，將接收之該監測電氣信號予以處理並通報一警報系統。其中，該電氣式信號擷取單元(90’)，利用一組設置於重力偵測桿(1’)上部之電阻貼片，藉由其分別具有一對擷取端點i,in及i,out，用以量測下降中流經電阻片之電流值，與流經標準電阻片的參考電流值比較，並將其相對值轉換成電氣信號發送至遠端管制中心，經中央處理器予以處理而可換算成沖刷深度量d等。

另一方面，由於河川在洪流時沖刷和回淤是伴隨而生的，發明人等思及，上述公開案固然能測得橋基的沖刷情況以達成其發明目的應無置可否，但卻不能偵測實際回淤的數據。由於河川在洪流時的輸砂狀態觀測不易，往往只能在洪流退水後所見到的床面情況已經是回淤後的結果，卻不能表示實際刷深量，因此有可能在洪流期間溪床淘刷已達河川構造物之基腳，但在洪水退水後又將其基腳回淤，以致未能掌握溪床之沖淤的實 際狀況，致使河川治洪成效不彰。

本發明之主要目的在於提供一種用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及淤泥深度之監測裝置，能偵測河床的沖刷深度同時可測得回淤的深度，用以改善先前技術河床沖刷監測系統使其更臻完善。

為了達成上述目的及其他目的，本發明用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置主要包括一重力偵測桿、一重力偵測套管、複數滑套、複數電阻尺、一動力機構、以及一控制器單元。其中，重力偵測桿一端抵觸在河床上，另一端垂直向上伸設；重力偵測套管套設於重力偵測桿，而重力偵測套管與重力偵測桿可相對滑動，且重力偵測套管之底端抵觸在河床上。另外，複數滑套沿著橋樑之縱深方向固設，而重力偵測套管與重力偵測桿穿經複數滑套，且重力偵測套管可自由地滑動於複數滑套中。複數電阻尺分別沿重力偵測桿及重力偵測套管之高度方向設置，每一電阻尺傳輸一量測信號；動力機構作動重力偵測套管上升及下降。此外，控制器單元電性連接複數電阻尺、及動力機構，控制器單元接收複數電阻尺之量測信號，並分別運算得到重力偵測套管和重力偵測桿之位移量，控制器單元控制動力機構之開啟及關閉。據此，本發明經由重力偵測桿之位移量可測得河床的沖刷深度，且藉由重力偵測套管在預定時間內重複地上升、下降，經由量測其位移量即可測得回淤的深度。

較佳的是，本發明之監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置可更包括一偵測器、及一計時器單元，而偵測器、及計時器單元可電性連接控制器單元。其中，偵測器偵測到重力偵測套管和重力偵測桿中至少一者位移時，控制器單元控制該動力機構啟動，據此一旦有沖刷情形產生時，便啟動監測。另外，計時器單元控制該動力機構作動重力偵測套管上升及下降的頻率。

另外，本發明之監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置之動力機構可為一種捲揚機構，其包含一捲揚機，而捲揚機可藉由至少一鋼索吊掛重力偵測套管。亦即，可藉由捲揚機來拉起重力偵測套管，以偵測回淤。不過，本發明並不以捲揚機構為限，其他諸如齒輪、齒條、氣油壓、或其他可提供縱向位移之等效裝置均可適用於本發明。

根據本發明，可更包括一位於遠端的主控制器，控制器單元與主控制器可更包含一無線信號收發模組。控制器單元之無線信號收發模組發送重力偵測套管和重力偵測桿之位移量；主控制器之無線信號收發模組接收重力偵測套管和重力偵測桿之位移量，運算及分析當結果超出預設安全範圍時，即發送出一警訊，能發揮遠端監測功能並進一步防止意外發生。至於，無線信號收發模組可為一種藍芽模組、ZigBee模組、WiFi模組、或其他等效之有線、無線傳輸模組。

根據本發明，該重力偵測套管具有一內套管 與一外套管，兩者之間藉由多數個加勁鋼肋連接成一體，及該內套管內徑可容許該重力偵測桿穿過且在其內滑動，能避免遭受洪流沖擊時內套管直接損壞，可確保重力偵測桿的功能正常運作及重力偵測套管仍能上下滑動。

根據本發明，較佳地該監測裝置具有兩組，一組裝設於橋樑之迎水面，另一組則裝設於橋樑之背水面，即使在單側監測裝置損毀的情況下，亦可經由另一側監測裝置發揮監測功能。

根據本發明，較佳地該監測裝置又包括至少一監視攝影機，用以收錄現場的影音信號，並透過該控制器單元向遠端的控制中心傳送。

1‧‧‧本發明監測裝置

11‧‧‧重力偵測桿

110‧‧‧抵接部

111‧‧‧第一電阻尺

2‧‧‧橋樑

2a‧‧‧橋墩

21‧‧‧重力偵測套管

21a‧‧‧內套管

21b‧‧‧外套管

21c‧‧‧加勁鋼肋

211‧‧‧第二電阻尺

3‧‧‧河床

31‧‧‧滑套

311‧‧‧導引部

312‧‧‧水平臂

41‧‧‧動力機構

410‧‧‧絞盤

411‧‧‧鋼索

51‧‧‧控制器單元

511‧‧‧無線信號收發模組

52‧‧‧計時器單元

53‧‧‧感測器

54‧‧‧監視攝影機

55‧‧‧警示器

60‧‧‧主控制器

601‧‧‧無線信號收發模組

第1圖係轉繪自台灣發明專利I331178，其顯示一般橋墩基礎處經過暴雨或長期沖刷之實景參考圖；第1a圖為轉繪自台灣發明專利I331178，其顯示以流體力學說明一般橋墩及基礎處所受沖刷現象之示意圖；第1b圖為轉繪自台灣發明專利I331178，揭示一種重力式用於監測橋樑基礎河床沖刷深度之監測裝置；第1c圖為轉繪自台灣發明專利I331178，揭示一種用於監測橋樑基礎河床沖刷深度之遠端自動監測系統；第2圖係繪示本發明用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之重力偵測桿之立體圖；第3圖係顯示第2圖之重力偵測桿偵測回淤深度狀態之立體圖； 第4圖係繪示本發明用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置之實施例之示意圖；第5圖為顯示本發明重力偵測桿偵測沖刷深度及回淤深度隨著時間變化狀態之示意圖；第6圖為顯示本發明將偵測之沖刷深度及回淤深度應用電阻尺轉換成量測信號之示意圖。

第7圖為顯示本發明用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置之系統方塊圖。

以下將配合實施例對本發明技術特點作進一步地說明，該實施例僅為較佳代表的範例並非用來限定本發明之實施範圍，謹藉由參考附圖結合下列詳細說明而獲致最好的理解。

首先，請參考第2、3及4圖，其用來說明本發明用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置之具體的實施例。根據本發明監測裝置1，主要包括：至少一重力偵測桿11、至少一重力偵測套管21、複數滑套31、複數電阻尺111及211、一動力機構411、一控制器單元51、一計時器單元52，及一外部電源，其分別與該複數電阻尺111,211、動力機構411、控制器單元51、計時器單元52等成電性連接。

該重力偵測桿11，在其下端包含一個往徑向擴大之圓盤形的抵接部110，用以抵觸在河床3上防止該重力偵測桿11在已液化或鬆軟土壤上過度沉陷，上端則垂直向上伸設。該重力偵測桿11具有一預定的直徑及重 量，例如選用高硬度及機械強度之實心不銹鋼材料，或者選用質量足以避免洪流瞬間沖擊而造成變形之空心不銹鋼材料所構成。

該重力偵測套管21，具有一內套管21a及一外套管21b、及在兩者之間藉由多數個徑向加勁鋼肋21c連接成一體。其中，該內套管21a具有中空的中心部，穿設在該重力偵測桿11的外側而可滑動。該重力偵測套管21的尺寸係配合洪水沖刷之現況資料，利用有限元素分析法模擬而設計，該內套管21a、外套管21b及加勁鋼肋21c等，例如選用高機械強度及延展性之不銹鋼材料製造，該加勁鋼肋21c介於內套管21a和外套管21b之間具有消能的作用，當瞬間遭受洪流撞擊時即使外套管21b變形，仍可避免內套管21a直接損壞，而可確保內套管21a內之重力偵測桿11的功能正常運作，及該重力偵測套管21仍能上下滑動；又，該重力偵測套管21的底部應在任意時刻皆可因重力而觸及河床3面。

每一滑套31之一端包含一環狀的導引部311，鬆套設在重力偵測套管21的外側，另一端伸設有複數水平臂312固接於橋樑2之橋墩21的預設位置。較佳地，該滑套31應在洪水面上至少設置二個以上，用於維持重力偵測套管21和重力偵測桿11之至少一者能在垂直方向滑動；並且，應在每次洪水過後得以抽出檢查設備的功能是否正常。

一第一電阻尺111沿該至少一重力偵測桿11之高度方向設置，該第一電阻尺111具有兩端點P1(i,in) 、P2(i,out)，用以擷取流經該第一電阻尺111之電流值；一第二電阻尺211沿該至少一重力偵測套管21之高度方向設置，及該第二電阻尺211具有兩端點P1’(i,in)、P2’(i,out)，用以擷取流經該第二電阻尺211之電流值。

動力機構41在本實施例中為一捲揚機構，包含一絞盤410。一鋼索411，其一端捲繞在該絞盤410上，另一端懸掛著重力偵測套管21；該動力機構41受控作動重力偵測套管21上升及下降。當然，本領域具有通常知識者可以理解的是，作動該重力偵測套管21上升或下降有許多種可行的方式，利用捲揚機構祇是本實施例用來代表說明，並不以此為限。

該控制器單元51包含一偵測器53及一計時器單元52，該偵測器53例如光學式、光感測器或電氣式等，當該偵測器53在偵測到重力偵測套管21或重力偵測桿11至少之一者位移時，該控制器單元51即接通該動力機構41的控制電路；該計時器單元52即用來控制該動力機構41作動重力偵測套管21上升、下降的時間和頻率，例如每隔一預定時間上下抽動該至少一重力偵測套管21一次。該控制器單元51擷取流經該第一電阻尺111和第二電阻尺211之電流值，經分析比較並轉換成對應於重力偵測桿11及重力偵測套管21之位移量；又，該控制器單元51包含一無線信號收發模組511，用以將對應於重力偵測套管21和重力偵測桿11之位移量的量測信號向遠端的控制中心傳送，該無線信號收發模組511諸如種藍芽模組、ZigBee模組或WiFi模組等。較佳地，又包括至少一監視 攝影機54，用以收錄橋樑2現場的影音信號，並透過該控制器單元52向遠端的控制中心傳送。

較佳地，由上述重力偵測桿11、重力偵測套管21、滑套31、電阻尺111及211、動力機構411、控制器單元51及計時器單元52等所組成之監測裝置1具備有兩組，一組裝設於橋樑2的迎水面，另一組則裝設於橋樑2的背水面，即使在單側監測裝置1損毀的情況下，亦可經由另一側監測裝置1發揮監測的功能。

誠如第5圖所示，本發明監測裝置1應用於橋樑之遠端監測，當河床因洪流沖刷而下陷時該重力偵測桿11和重力偵測套管21亦隨著下降，當偵測器53在偵測到重力偵測套管21或重力偵測桿11至少其中之一者位移時，該控制器單元51即導通動力機構41的控制電路，該動力機構41受計時器單元52控制，以一預定時間及頻率上下來回抽動重力偵測套管21。該重力偵測桿11隨著沖刷時間愈長而下陷愈深，而該重力偵測套管21則隨著上下抽動頻率受回淤砂石愈墊愈高。

請同時參考第6及7圖，根據本發明，該控制器單元51記憶有洪流沖刷前流經第一電阻尺111和第二電阻尺211兩端點的電流參考值(I,_ref)，經比較擷取自重力偵測桿11和重力偵測套管21下降中流經該第一電阻尺111和該第二電阻尺211兩端點之電流的變化值(I,_ref/I)，而可換算成沖刷深度D1及回淤深度D2。例如：將並聯之參考電阻R₀及待測電阻R，通入等強度之電流，可運用下列關係式，式(1)及式(2)：

(L₀1-d1)/L₀1=R/R₀=I,_ref/I 式(1)；d1=L₀1(1-(I,_ref/I)) 式(2)；而可運算出該重力偵測桿11因沖刷而造成下降量d1對應於沖刷深度D1,cm。

同樣地，運用關係式，式(1)及式(2)：(L₀2-d3)/L₀2=R/R₀=I,_ref/I 式(1)；d3=L₀2(1-(I,_ref/I)) 式(2)；d2=(L₀2-d1)+d3；而可運算出該重力偵測套管21因回淤而墊高的變化d2對應於回淤深度D2,cm(如第6圖所示)。

另一方面，位在遠端的控制中心包含一主控制器60，其具有一無線信號收發模組601，諸如種藍芽模組、ZigBee模組或WiFi模組等，該主控制器60之無線信號收發模組601接收來自該控制器單元51之量測信號，經運算分析當結果超出預設安全範圍時，即發送出一警訊，例如以警示器55警告通過橋樑的人車、或向媒體發佈即時影像、或透過行動裝置61通告監管橋樑之工務單位等。

以上，僅為本發明的較佳實施例，並不侷限本發明的實施範圍，舉凡不偏離本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，應仍屬本發明之涵蓋範圍。

1‧‧‧本發明監測裝置

11‧‧‧重力偵測桿

2‧‧‧橋樑

2a‧‧‧橋墩

21‧‧‧重力偵測套管

3‧‧‧河床

31‧‧‧滑套

311‧‧‧導引部

312‧‧‧水平臂

41‧‧‧動力機構

410‧‧‧絞盤

411‧‧‧鋼索

53‧‧‧感測器

54‧‧‧監視攝影機

Claims (9)

1. 一種用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其包括：一重力偵測桿，其一端抵觸在河床上，另一端垂直向上伸設；一重力偵測套管，其套設於該重力偵測桿，該重力偵測套管與該重力偵測桿可相對滑動，該重力偵測套管之底端抵觸在河床上；複數滑套，其沿著該橋樑之縱深方向固設，該重力偵測套管與該重力偵測桿穿經該複數滑套，該重力偵測套管可自由地滑動於該複數滑套中；複數電阻尺，分別沿該重力偵測桿及該重力偵測套管之高度方向設置，每一電阻尺傳輸一量測信號；一動力機構，其作動該重力偵測套管上升及下降；以及一控制器單元，其電性連接該複數電阻尺、及該動力機構，該控制器單元接收該複數電阻尺之該量測信號，並分別運算得到該重力偵測套管和該重力偵測桿之位移量，該控制器單元控制該動力機構之開啟及關閉。
2. 如申請專利範圍第1項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其更包括一偵測器、及一計時器單元，該偵測器、及該計時器單元電性連接該控制器單元；該偵測器偵測到該重力偵測套管和該重力偵測桿中至少一者位移時，該控制器單元控制該動 力機構啟動；該計時器單元控制該動力機構作動該重力偵測套管上升及下降的頻率。
3. 如申請專利範圍第1項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中該動力機構為一種捲揚機構，其包含一捲揚機，該捲揚機藉由至少一鋼索吊掛該重力偵測套管。
4. 如申請專利範圍第1項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中又包括一位於遠端的主控制器，該控制器單元與該主控制器更包含一無線信號收發模組，該控制器單元之該無線信號收發模組發送該重力偵測套管和該重力偵測桿之位移量；該主控制器之該無線信號收發模組接收該重力偵測套管和該重力偵測桿之位移量，經運算及分析當結果超出預設安全範圍時，即發送出一警訊。
5. 如申請專利範圍第4項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中該無線信號收發模組為一種藍芽模組、ZigBee模組或WiFi模組。
6. 如申請專利範圍第4項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中又包括至少一監視攝影機，其用以收錄影音信號，該控制器單元藉由該無線信號收發模組發送該影音信號。
7. 如申請專利範圍第1項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中該重力偵測套管具有一內套管與一外套管，兩者之間藉由多數個加勁鋼肋連接成一體，及該內套管內徑可容許該重力偵測桿穿 過且在其內滑動。
8. 如申請專利範圍第1項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中該重力偵測桿下端包含一個徑向擴大之圓盤，用以防止重力偵測桿在已液化或鬆軟土壤內過度沉陷。
9. 如申請專利範圍第1項用於監測橋樑基礎河床沖刷深度及回淤深度之監測裝置，其中每一電阻尺具有兩端點，用以擷取流經該每一電阻尺之電流值。