一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種能在高速水流環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，而且安裝簡單方便、經(jīng)濟實用的高精度、高效率橋墩實時沖刷監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由測深儀陣列、流速儀、信號處理機、電子艙、沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)組成；測深儀先用反射桿法測量聲速，根據(jù)測得聲速計算沖刷深度；信號處理機控制測深儀陣列中測深換能器聲信號的發(fā)射與接收，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算水深；測流儀對水流狀態(tài)進行測量；數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)分析不同時段數(shù)據(jù)變化情況并建立模型，對橋梁沖刷進行預(yù)測。該系統(tǒng)測量精度好、測量效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠長期穩(wěn)定可靠地運行，可維護性好。
【專利說明】一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于橋梁監(jiān)測及安全預(yù)警【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種實時監(jiān)測水流對橋墩沖刷影響的系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沖刷是導(dǎo)致橋梁損毀的一個重要原因，世界各國每年都有許多橋梁因洪水的沖刷而毀壞。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，美國垮塌的1000座橋梁中，60%都是由洪水沖刷橋墩引起的。我國現(xiàn)有大量的橋梁具有安全隱患，在洪水期間易遭受破壞。2010年，四川省崇州市老定江橋發(fā)生垮塌，寶成鐵路線跨石亭江大橋兩個橋墩被沖毀，都是由于山洪不斷沖刷，造成橋基懸空橋面跨塌。
[0003]通過實時監(jiān)視橋梁水下沖刷深度變化和橋墩所受波流力，建立預(yù)測模型對橋梁健康狀況進行預(yù)測，是橋梁監(jiān)測及安全預(yù)警的發(fā)展趨勢。我國在橋梁沖刷數(shù)值模擬和水力計算方面的研究很多，但在沖刷監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究很少。目前橋梁沖刷監(jiān)測系統(tǒng)多用在河流中，實現(xiàn)方法主要有兩種:一種是在橋墩附近臨時固定或水下焊接監(jiān)測設(shè)備，測量橋墩沖刷深度及河床斷面，監(jiān)視河床變化趨勢，對沖刷情況進行預(yù)報；另一種是將流速剖面儀和GPS定位系統(tǒng)安裝在船上，采用移動式測量方法，對水流和和河床的變化進行監(jiān)測。前一種方法適用于水流速度不高的環(huán)境，施工難度大；后一種方法成本較高，而且不能做到實時監(jiān)測?？梢娨延袠蚨諞_刷監(jiān)測系統(tǒng)在實施過程與監(jiān)測效果方面都存在著許多不足之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種能在高速水流環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，而且安裝簡單方便、經(jīng)濟實用的高精度、高效率橋墩實時沖刷監(jiān)測系統(tǒng)。
[0005]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明是以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，包括濕端和干端兩部分，其特征在于:濕端由測深儀陣列和流速儀組成，安裝在橋墩上，采用導(dǎo)流罩保護，安裝深度位于最低水位以下至少2米，干端由信號處理機、電子艙、沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)組成，干端和濕端通過水密電纜相連，濕端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集工作，干端控制濕端信號的發(fā)射與接收，并將實時采集的深度和流速數(shù)據(jù)通過光纜傳輸給沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)，分析不同時段數(shù)據(jù)變化情況并建立模型，對橋梁沖刷進行預(yù)測；
所述測深儀由測深換能器和導(dǎo)流罩及安裝結(jié)構(gòu)件組成，測深換能器發(fā)射聲脈沖，根據(jù)海底反射回波與發(fā)射時間的時延乘以聲速計算沖刷深度，聲速采用反射桿法測量，測深儀正下方距離水底一定距離固定一反射桿，在測深儀的回波信號中，反射桿會產(chǎn)生固定位置的聲反射突出，測量聲反射突出與發(fā)射聲脈沖間的時延，根據(jù)測深儀與反射桿之間距離即可計算平均聲速，利用平均聲速計算橋墩各點沖刷深度；
所述流速儀由測流換能器和導(dǎo)流罩及安裝結(jié)構(gòu)件組成，安裝位置垂直于漲潮方向，測流換能器發(fā)射一對寬帶脈沖信號，通過測量該對脈沖信號的回波脈沖時間間隔變化來測量海流的速度；
所述信號處理機集成了測深換能器收發(fā)電路和數(shù)字控制處理模塊，主要完成測深換能器的發(fā)射控制、功率放大以及接收信號的預(yù)處理、信號處理等功能，通過數(shù)字控制處理模塊同時控制多個測深儀信號的發(fā)射與采集，并將采集數(shù)據(jù)進行計算處理得到?jīng)_刷深度；
所述電子艙集成了測流換能器發(fā)射電路、接收電路和信號處理板，發(fā)射電路和接收電路控制測流換能器信號的發(fā)射接收，信號處理板計算流速、流向等信息并通過以太網(wǎng)口、串口和上位機間進行通信。
[0006]作為進一步方案，所述流速儀安裝保護框以減少泥沙沖刷的影響，流速儀中測流換能器采用犧牲陽極保護法防海水腐蝕。
[0007]作為進一步方案，所述測深儀和所述流速儀水下安裝件表面涂防腐蝕漆，延長使用壽命。
[0008]一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于:在橋墩鋼圍堰下水前，在鋼圍堰外壁焊接預(yù)埋鋼板，鋼圍堰內(nèi)部預(yù)埋鋼管走電纜線，鋼圍堰下水后，由潛水員潛入水中將測深儀或流速儀安裝到預(yù)埋鋼板上，每個橋墩安裝多個測深儀對橋墩附近海床多個點深度進行測量，安裝一個流速儀對水流狀態(tài)進行測量；單橋墩檢測時，從漲潮方向開始，分別間隔45°、60°、75°、75°、60°、45°各安裝一個測深儀；雙橋墩檢測時，兩個橋墩對稱布置，每個橋墩迎潮方向和上下90°方向各安裝一個測深儀；單橋墩和雙橋墩均安裝一個流速儀，位置垂直于漲潮方向，測深儀和流速儀安裝深度保證位于最低水位以下至少2米。
[0009]本發(fā)明專利的有益效果有:
1、測深儀、流速儀結(jié)構(gòu)適合潛水員水下安裝，且能在高速水流環(huán)境中長期工作。
[0010]2、測深儀和流速儀采用導(dǎo)流罩保護，通過選用合理的導(dǎo)流罩外形結(jié)構(gòu)，有效避免了水流沖擊時產(chǎn)生振動而影響測試結(jié)果。
[0011]3、采用反射桿法測量水中聲速，根據(jù)測得聲速計算沖刷深度，避免聲速受泥沙、水溫、鹽度等因素影響，提高深度測量精度。
[0012]4.信號處理機通過控制多個測深儀信號的發(fā)射與采集，實現(xiàn)了短時間內(nèi)依次測得不同部位的水深數(shù)據(jù)，提高了測量效率。
[0013]5、濕端結(jié)構(gòu)制造簡單、安裝方便；干端結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。
[0014]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；
圖2測深儀結(jié)構(gòu)圖；
圖3流速儀結(jié)構(gòu)圖；
圖4信號處理機結(jié)構(gòu)框圖；
圖5單橋墩測深儀、流速儀布置圖；
圖6雙橋墩測深儀、流速儀布置圖；
圖7反射桿測量法示意圖；
附圖標(biāo)記說明:六角螺栓1、彈簧墊圈2、內(nèi)六角螺釘3、左導(dǎo)流罩4、測深換能器5、右導(dǎo)流罩6、彈簧墊圈7、盤頭螺釘8、彈簧墊圈9、六角螺母10、圓柱銷11、鎖緊螺釘12、活結(jié)螺栓13、卡扣14、安裝板15、吊環(huán)16、預(yù)埋鋼板17、平墊圈18、螺母19、測流換能器20、保護框21、導(dǎo)流板22、上蓋板23、圓柱銷24、固定螺釘25、活結(jié)螺栓26、卡扣27、安裝板28、吊環(huán)螺釘29、預(yù)埋鋼板30、彈性墊圈31、內(nèi)六角螺栓32、彈性墊圈33、六角螺栓34、腐蝕塊35、下蓋板36、防松螺栓37、平墊圈38、螺母39、測深儀陣列40、收發(fā)電路41、數(shù)字控制處理模塊42、工控機43、信號調(diào)理電路44、數(shù)字采集系統(tǒng)45、測深儀46、流速儀47、鋼圍堰48、橋墩49、反射桿50。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明專利作進一步說明:
參見圖1，橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)分為濕端和干端兩部分。濕端由測深儀陣列和流速儀組成；干端由信號處理機、電子艙、沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)組成；干端和濕端通過水密電纜相連，信號處理機、電子艙計算得到的深度和流速等數(shù)據(jù)通過光纜傳輸給沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)。
[0016]所述測深儀結(jié)構(gòu)參見圖2，先將左導(dǎo)流罩4、測深換能器5、右導(dǎo)流罩6用六角螺栓
1、彈簧墊圈9、六角螺母10進行組裝，測深換能器5置于左右導(dǎo)流罩的圓形卡槽內(nèi)，電纜線置于導(dǎo)線槽內(nèi)部；再將盤頭螺釘8、彈簧墊圈7擰到測深換能器5的螺紋孔內(nèi)，防止換能器轉(zhuǎn)動。組裝好的零件與安裝板15用內(nèi)六角螺釘3、彈簧墊圈2進行組裝，安裝板15四角裝卡扣14并用圓柱銷11焊接固定，卡扣14槽內(nèi)用鎖緊螺釘12固定活結(jié)螺栓13，安裝板15上部安裝吊環(huán)螺釘16。整體組裝好后吊入水中，由潛水員掛到預(yù)埋鋼板17上，扳動活結(jié)螺栓13旋轉(zhuǎn)90°，擰緊螺母19。
[0017]所述流速儀結(jié)構(gòu)參見圖3，先將測流換能器20、保護框21、導(dǎo)流板22用彈簧墊圈31、內(nèi)六角螺栓32進行組裝；上蓋板23與下蓋板36分別與導(dǎo)流板22焊接，腐蝕塊35通過防松螺栓37與下蓋板36固定。組裝好的零件用六角螺栓34、彈簧墊圈33與安裝板28進行組裝，安裝板28上安裝卡扣27、活結(jié)螺栓26、固定螺釘25、圓柱銷24、吊環(huán)螺釘29的方法與測深儀類似。組裝好的整體吊入水中，潛水員水下安裝步驟與測深儀相同。
[0018]所述信號處理機組成參見圖4，它包括收發(fā)電路41、數(shù)字控制處理模塊42和工控機43,數(shù)字控制處理模塊42由FPGA (可編程邏輯門陣列，field programmable gatearray)、信號調(diào)理電路44、數(shù)字采集系統(tǒng)B6、SDRAM存儲器、DSP處理模塊組成。測深儀陣列40由多個測深儀組成，每個測深儀對應(yīng)收發(fā)電路41中一個收發(fā)電路模塊，短時間內(nèi)FPGA依次對每個測深換能器產(chǎn)生信號頻率為200kHz的正反兩路填充脈沖信號，通過收發(fā)電路41中收發(fā)電路模塊進行功率放大，再由測深儀把電信號轉(zhuǎn)換為聲信號發(fā)射到水下，發(fā)射的聲波遇水底界面時反射回來，測深儀接收反射的回波信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號送入收發(fā)電路41中的接收模塊，接著送入信號調(diào)理電路44中進行處理，再將信號送至數(shù)字采集系統(tǒng)45，采集的數(shù)據(jù)由FPGA依次轉(zhuǎn)入SDRAM中存儲。待數(shù)據(jù)采集完成后送入DSP處理模塊進行計算估計，依次獲取探測范圍內(nèi)各個位置的水深數(shù)據(jù)。工控機43用來啟動數(shù)字控制處理模塊42工作，設(shè)置參數(shù)并實時顯示觀測的深度信息，還可進行各種存儲操作。
[0019]所述電子艙內(nèi)部集成了測流換能器發(fā)射電路、接收電路和信號處理板。發(fā)射電路和接收電路控制測流換能器信號的發(fā)射接收，信號處理板采集數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進行處理計算得到流速、流向等信息，通過以太網(wǎng)口傳輸?shù)經(jīng)_刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)。[0020]參見圖5、圖6，測深儀46和流速儀47沿橋墩鋼圍堰周圍布置，為保證檢測時有一定的覆蓋率。單橋墩檢測時，從漲潮方向開始，分別間隔45°、60°、75。、75。、60°、45°各安裝一個測深儀46 ;雙橋墩檢測時，兩個橋墩對稱布置，每個橋墩迎潮方向和上下90°方向各安裝一個測深儀46 ;單橋墩和雙橋墩均安裝一個流速儀47，位置垂直于漲潮方向，測深儀和流速儀安裝深度應(yīng)保證位于最低水位以下2米。
[0021]參見圖7，測深儀46安裝在橋墩49上，測深儀46正下方距離海底一定距離固定一反射桿50。在測深儀46的回波信號中，反射桿50會產(chǎn)生固定位置的聲反射突出。測量聲反射突出與發(fā)射聲脈沖間的時延，根據(jù)測深儀46與反射桿50之間距離即可計算平均聲速，利用平均聲速計算沖刷深度。沖刷深度測量精度取決于時延差測量精度，時延差測量取決于信號帶寬，本發(fā)明中采用寬帶發(fā)射測深換能器，要求測深換能器3dB發(fā)射響應(yīng)帶寬應(yīng)超過 IOOkHz。
[0022]本發(fā)明不局限于上述實施方式，不論其實施方式作任何變化，凡是采用本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計，都是本發(fā)明的一種變形，均應(yīng)認(rèn)為在發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，包括濕端和干端兩部分，其特征在于:濕端由測深儀陣列和流速儀組成，安裝在橋墩上，采用導(dǎo)流罩保護，安裝深度位于最低水位以下至少2米，干端由信號處理機、電子艙、沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)組成，干端和濕端通過水密電纜相連，濕端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集工作，干端控制濕端信號的發(fā)射與接收，并將實時采集的深度和流速數(shù)據(jù)通過光纜傳輸給沖刷數(shù)據(jù)處理、預(yù)警和評估系統(tǒng)，分析不同時段數(shù)據(jù)變化情況并建立模型，對橋梁沖刷進行預(yù)測； 所述測深儀由測深換能器和導(dǎo)流罩及安裝結(jié)構(gòu)件組成，測深換能器發(fā)射聲脈沖，根據(jù)海底反射回波與發(fā)射時間的時延乘以聲速計算沖刷深度，聲速采用反射桿法測量，測深儀正下方距離水底一定距離固定一反射桿，在測深儀的回波信號中，反射桿會產(chǎn)生固定位置的聲反射突出，測量聲反射突出與發(fā)射聲脈沖間的時延，根據(jù)測深儀與反射桿之間距離即可計算平均聲速，利用平均聲速計算橋墩各點沖刷深度； 所述流速儀由測流換能器和導(dǎo)流罩及安裝結(jié)構(gòu)件組成，安裝位置垂直于漲潮方向，測流換能器發(fā)射一對寬帶脈沖信號，通過測量該對脈沖信號的回波脈沖時間間隔變化來測量海流的速度； 所述信號處理機集成了測深換能器收發(fā)電路和數(shù)字控制處理模塊，主要完成測深換能器的發(fā)射控制、功率放大以及接收信號的預(yù)處理、信號處理等功能，通過數(shù)字控制處理模塊同時控制多個測深儀信號的發(fā)射與采集，并將采集數(shù)據(jù)進行計算處理得到?jīng)_刷深度； 所述電子艙集成了測流換能器發(fā)射電路、接收電路和信號處理板，發(fā)射電路和接收電路控制測流換能器信號的發(fā)射接收，信號處理板計算流速、流向等信息并通過以太網(wǎng)口、串口和上位機間進行通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述流速儀安裝保護框以減少泥沙沖刷的影響，流速儀中測流換能器采用犧牲陽極保護法防海水腐蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述測深儀和所述流速儀水下安裝件表面涂防腐蝕漆，延長使用壽命。
4.一種高速水流環(huán)境下橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于:在橋墩鋼圍堰下水前，在鋼圍堰外壁焊接預(yù)埋鋼板，鋼圍堰內(nèi)部預(yù)埋鋼管走電纜線，鋼圍堰下水后，由潛水員潛入水中將測深儀或流速儀安裝到預(yù)埋鋼板上，每個橋墩安裝多個測深儀對橋墩附近海床多個點深度進行測量，安裝一個流速儀對水流狀態(tài)進行測量；單橋墩檢測時，從漲潮方向開始，分別間隔45°、60°、75°、75。、60°、45°各安裝一個測深儀；雙橋墩檢測時，兩個橋墩對稱布置，每個橋墩迎潮方向和上下90°方向各安裝一個測深儀；單橋墩和雙橋墩均安裝一個流速儀，位置垂直于漲潮方向，測深儀和流速儀安裝深度保證位于最低水位以下至少2米。
【文檔編號】G01C13/00GK103438871SQ201310394464
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】王力求, 謝勇, 葛輝良, 曹云龍, 王賢錦, 鄭豪鋒 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所