[发明专利]一种高速水流环境下桥墩冲刷监测系统及实现方法

说明书

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系统及实现方法。

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，但在冲刷监测系统方面的研究很少。目前桥梁冲刷监测系统多用在河流中，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定位系统安装在船上，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系统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系统。

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系统，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、预警和评估系统组成，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、预警和评估系统，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系统的实现方法，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。