[发明专利]模型试验中桥墩冲刷坑实时动态超声测量方法

说明书

技术领域

本发明属于水利测量技术领域，具体涉及一种模型试验中桥墩冲刷坑实时动态超声测量方法。

背景技术

桥墩冲刷坑是冲积河流中桥墩失稳和桥梁水毁的主要原因之一，据统计，占到了桥梁失事原因的三分之一。通过模型试验的方法揭示桥墩冲刷坑的冲刷、发展过程和冲刷形态，是了解桥墩失稳的关键技术之一。

模型试验中，常用的桥墩冲刷坑测量方法有：①钢尺测量法；②测针法；③等高线法；④光电式地形仪；⑤激光地形仪等。这几种方法均需在模型冲刷试验完成后，将水排干，测量冲刷坑的最终形态，无法测量桥墩冲刷坑的动态发展过程。

近年来，随着超声波地形仪的发展，使得模型试验中桥墩冲刷坑的水下实时动态非接触测量成为可能。然而，桥墩冲刷坑的超声测量存在以下问题：试验中桥墩模型出露水面，而超声波地形仪的测量探头需淹没于水下，在进行冲刷坑断面扫描过程中，探头遇到桥墩时无法通过，不能进行全断面测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出采用上下组合式桥墩，在进行桥墩冲刷坑断面扫描过程中，当测量探头临近桥墩时，将上部桥墩取出，此时下部桥墩顶部高程低于超声波地形仪测量探头高程，测量探头可经桥墩上方扫描通过。当测量探头离开桥墩后，再将组合式桥墩复原。同时，为减小上部桥墩取出后对水流结构的影响，要使下部桥墩的顶部尽量接近水面，且考虑到测量探头至少浸没于水面以下1～2cm，测量探头与被测物体之间的距离不小于8cm，综合以上多种因素确定下部桥墩的顶高程在水面以下约10cm。该方法解决了出露水面桥墩对测量探头阻挡的问题，但仍然存在一定的问题。

由超声波测距原理可知，超声波地形仪利用淹没于水下的传感器发出声波，再利用同一传感器接收从固壁面反射回来的声波信号，当声波在水中的传播速度为已知时，只要测出声波从发射到反射回来所经历的时间，即可求得探头到反射面的距离，由下式描述：

H＝1/2vt (1)

式中：v为超声波在水中的传播速度；t为超声波从发射到接收经过的时间。且超声波接收器在处理回波信号时以回波前沿到达的时刻计算时间t。

然而，超声波传感器发射波束呈圆锥状，离发射探头越远，波束范围越大，本发明将该圆锥的半顶角定义为超声波传感器的波束角(如图1中θ所示)。当仪器探头接近下部桥墩时，波束探照范围同时覆盖了部分冲坑地形和部分桥墩柱体，由于桥墩顶部与测量探头之间的距离比地形与探头的距离短，经桥墩顶面反射的回波比经冲刷坑地形反射的回波率先到达测量探头所在位置。此时，根据上述超声波测距原理可知，本应属于桥墩附近冲刷坑地形高程变成桥墩柱体顶面高程，引起地形测量失真。如图1，O点为探头所在位置，A点为所测地形点，B点为下部桥墩顶面边缘，超声波束成θ角发散的圆锥状。在图示情形下，线段OA＞OB，沿OB发射并返回的声波率先到达测量探头，该回波到达的时刻被作为地形点A处高程的计算参数进行运算，引起地形测量失真。基于以上原因，桥墩冲刷试验中测得的冲刷坑地形图如图中虚线所示，从A点到桥墩边缘的这部分真实地形成为了测量盲区。因此，为消除下部桥墩顶面对超声波反射引起局部地形测量失真的问题，本发明基于超声波地形仪的工作原理以及波束角与水下反射角之间的关系，提出上下桥墩倾斜连接方法，并确定了倾斜角度与超声波地形仪波束角之间的关系。

本方法包括以下步骤：

1)首先进行超声波地形仪波束角θ的标定：

1-1)选用高为h、宽为b的长方体，固定于底面平整的水箱中；

1-2)超声波地形仪调平，水箱调平，在水箱中加满水；

1-3)在超声波地形仪探头量程范围内选取5个适当的高程，分别距离长方体顶部H₁、H₂、H₃、H₄、H₅(如图3)；

1-4)确定超声波地形仪的扫描断面与固定于水箱底部的长方体相交；设定测量探头在扫描方向上的起点、终点及移动速度，且保持在接下来的几次测量中测量探头在扫描方向上的起点、终点及移动速度与第一次设定的值一致；控制测量探头分别在5个选定的高程上测量水箱底部地形5次；

1-5)将测得的5个地形曲线绘制于同一张地形图中(如图4)。由于一般超声波地形仪采用以探头所在高程为基准的高程系统，测得的地形成高低不同的五条线。取每条地形线凸起处最边缘点A、B、C、D、E，其连线与垂线之间的夹角即为该超声波地形仪的波束角θ；

2)超声波仪器波束角θ标定完成后，进行桥墩模型的加工及安装：