模型试验中桥墩冲刷坑实时动态超声测量方法

摘要

本发明属于水利量测技术领域，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。在模型试验中，超声波地形仪在测量桥墩冲刷坑附近地形时，测量探头受桥墩阻挡无法通过，不能实现全断面测量。本发明提出一种模型试验中桥墩冲刷坑实时动态超声测量方法，其主要特征包括：①为解决桥墩阻挡测量探头的问题，设计了上下组合式桥墩，在断面扫描过程中，可对组合式桥墩进行拆卸及复原；为减少上部桥墩拆卸对水流结构的影响，根据超声波地形仪工作原理，确定了下部桥墩的最大高度。②为消除下部桥墩顶面对声波反射引起局部地形测量失真的问题，提出上下桥墩倾斜连接方法，根据超声波地形仪波束角设计了倾斜角度。该方法实现了对桥墩冲刷坑的实时动态测量。

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4)；

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，该参数在接下来的几次测量中保持不变；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5)。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：

2-1)根据波束角θ大小选择适当的角度α(宜取α≈4θ)，将桥墩模型按α角加工成倾斜 型上下组合式结构(如图6)，同时，下部桥墩的高度满足试验时其顶面在水面以下约10cm；

2-2)试验前，将组合式桥墩模型安置在实验要求的相应位置，模型底部埋置于河床床面 以下足够深度，保证实验过程中桥墩冲刷坑可充分发展；

2-3)调整桥墩方向，使桥墩上下部分之间连接面倾斜的最大梯度方向垂直于超声波地形 仪探头扫描方向(如图3，桥墩模型连接面倾斜最大梯度方向为图中垂直于纸面向外，仪器 探头扫描的方向为图中标志的X方向，二者垂直)；

3)模型冲刷试验过程中的操作步骤：

3-1)模型冲刷试验过程中，组合式桥墩顶部高于水面，当实验工况运行到预设的时间节 点，使用超声波地形仪对冲坑的实时形态进行测量；

3-2)当超声波地形仪探头扫描至临近桥墩时，取出上部桥墩，当仪器探头经下部桥墩上 方扫描通过以后，离开桥墩范围，将组合式桥墩复原；

3-3)按常规桥墩冲刷坑模型试验方法操作直至下一个预设的时间节点，再次对冲坑的实 时形态进行测量，重复步骤3-2；

3-4)当桥墩冲刷坑充分发展完全，冲刷试验结束后，将若干时间节点处测得的地形数据 保存，经处理最终得到完整的桥墩冲刷坑动态发展模型试验成果。

所述子步骤1-5中，每条地形线凸起处最边缘点连线与垂线夹角即可标定为仪器的波束角， 该结论证明如下：

如图7：从测得的若干组地形高程线中取任两组，叠放在同一张地形图中(图左)。此时， 易知两次测量的探头高程差ΔH₂与地形图中两组地形线高程差ΔH₁相等。根据前文所述波束 角在固体障碍物附近对地形影响的原理，当探头处于位置A时，长方体的一侧棱边刚好与仪 器波束角边缘声波信号线相交，即图中直线AC与垂线的夹角正好为波束角θ。

此时，线段

AA₁﹤AA₀

又因为波束角θ一般很小，故：

AC≈AA₁﹤AA₀

由于超声波地形仪总是以最先接受到的反射波来计算该点处高程值，因此沿AC线发射并 反射回仪器探头的信号取代了原本A₀点处反射的声波信号(AC﹤AA₀)，体现在地形图上的 结果是长方体顶部棱边被平移了一定距离(即图中的C点平移到了A₁点)；同理，当探头处 于位置B时，B₀位置的高程值发生失真，长方体顶部棱边发生平移(即图中的C点平移到了 B₁点)。以上分析正好解释了为何五组实验测量同一件长方体，其宽边尺寸会随着探头高程 变化而变化，从而形成了如图5所示的“塔状”。

设线段A₁B₁的长度为L，则：

$\tan \theta =\frac{L}{{\mathrm{\Delta H}}_2}$

$\tan \gamma =\frac{L}{{\mathrm{\Delta H}}_1}$

又因为ΔH₁＝ΔH₂，则：

γ＝θ

故得证：测得的每条地形线凸起处最边缘点连线与垂线夹角即为仪器波束角。

所述子步骤2-1中，根据波束角θ大小选择适当的角度α(宜取α≈4θ)，将桥墩模型按α 角加工成倾斜型上下组合式结构：理论上，在绝对光滑、且倾角大于仪器波束角(即α>θ) 的斜面上，垂向发射的超声波经光滑斜面反射后，其波束照射区域即无法覆盖到探头所在点 (如图7所示)，此时斜面反射的声波信号无法被仪器所接收。根据以上原理，在某一时刻， 当超声波地形仪发射的波束一部分照射在桥墩附近的地形上、一部分照射在下部桥墩模型顶 部的斜面上，而下部桥墩顶面成一定角度的倾斜导致反射波信号无法被仪器所接收，因此超 声波地形仪采集到的数据为桥墩模型范围以外的真实地形高程。然而，由于桥墩模型连接面 不可能做到绝对光滑，存在类似于光的漫反射等现象，因此需要将斜切角度α进行适当放大 才能保证反射波信号无法被仪器接收；同时，考虑到如α过大可能会导致对流场产生较大影 响，经过多组不同倾角试验比较发现，当连接面倾斜角度达到波束角的4倍左右时(即α≈4θ)， 经过下部桥墩顶面反射的超声波可完全不被仪器探头接收，采用该角度进行桥墩模型加工比 较合理。

所述子步骤2-1中，下部桥墩的高度满足试验时其顶面在水面以下约10cm：考虑因素① 为减小上部桥墩取出后对水流结构的影响，使下部桥墩的顶部尽量接近水面；②根据超声波 地形仪工作原理，测量探头至少浸没于水面以下1～2cm，且为了避免发射波信号对回波信号 的接收产生干扰，测量探头与被测物体之间的距离应大于8cm。综合考虑以上两个因素，确 定下部桥墩的顶高程在水面以下约10cm。

所述子步骤2-3中，调整桥墩方向，使桥墩上下部分之间连接面倾斜的最大梯度方向垂直 于超声波地形仪测量探头扫描方向：基于地形仪探头内用于发射和接收超声波的换能器在平 行和垂直于探头扫描方向上的属性不完全相同，且探头本身的移动速度及方向对换能器发射、 接收超声波信号可能存在一定的影响，根据多次试验对比分析发现，当满足倾斜面的最大梯 度方向垂直于超声波地形仪测量探头扫描方向，桥墩模型附近地形失真范围减小效益最高。

有益效果：本发明的有益效果为：

1、采用上下组合式桥墩，使超声波地形仪探头可在需要探测的水平区域范围内任意移动， 确保了桥墩冲刷坑的实时、全断面测量。

2、采用上下桥墩倾斜连接方法，有效地消除下部桥墩顶面对声波反射引起局部地形测量 失真的问题。

3、本发明操作方法简便，对桥墩冲刷坑地形失真问题的改善效果显著，为桥墩冲刷的研 究提供了新的试验方法。

附图说明

图1为桥墩附近地形测量失真示意图；

图2为下部桥墩模型形状及摆放方向示意图；

图3为标定仪器波束角时探头与长方体位置示意图；

图4为标定仪器波束角时若干地形曲线套绘图；

图5为上下组合式桥墩模型示意图；

图6为证明波束角标定方法正确性示意图；

图7为超声波经光滑斜面反射示意图；

图8-1至8-6为桥墩冲刷坑地形套绘图(包括普通连接法和倾斜连接法对比)。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不限于该具体实施例。

本实施例采用南科院研发设计的ULT超声波地形仪，系统由地形传感器、测桥控制器、 测桥、系统计算机四部分组成，可视化控制界面，智能化软件系统。探头直径：20.12mm； 精度：±1mm；测深范围：<1m；扫描速度：0～10cm/s；水槽由厚度为1cm的灰色塑胶板制 成，缝隙处用防水胶密封，长、宽、高分别为50cm、50cm、30cm；采用外径为8cm，内径 为7cm的光滑透明的圆柱形有机玻璃桥墩模型若干，模拟地形障碍物。

本方法包括以下步骤：

1)首先进行超声波仪器波束角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＝23.2cm、H₂＝19.2cm、H₃＝15.2cm、H₄＝11.2cm、H₅＝7.2cm(如图4)；

1-4)确定超声波地形仪的扫描断面，使其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，该参数在接下来的几次测量中保持不变；控制探 头分别在5个选定的高程上测量水箱底部地形；

1-5)将测得的5个地形曲线绘制于同一张地形图中(如图5)。由于超声波地形仪采用以 测量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θ＝6.8°即为该超声波地形仪的波束 角；

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：

2-1)根据波束角θ＝6.8°选择α＝30°，将桥墩模型按30°加工成倾斜型上下组合式结构，下 部桥墩的高度应满足试验时其顶高在水面以下10cm左右；

2-2)试验前，将组合式桥墩模型安置在实验要求的相应位置，模型底部埋置于河床床面 以下足够深度，保证实验过程中桥墩冲刷坑可充分发展；

2-3)调整桥墩方向，使桥墩上下部分之间连接面倾斜的最大梯度方向垂直于超声波地形 仪探头扫描方向；

3)模型冲刷试验过程中的操作步骤：

3-1)模型冲刷试验过程中，组合式桥墩顶部高于水面，当实验工况运行到预设的时间节 点，使用超声波地形仪对冲坑的实时形态进行测量；

3-2)当超声波地形仪测量探头扫描至临近桥墩时，取出上部桥墩，当测量探头离开桥墩 范围之后，将组合式桥墩复原；

3-3)按常规桥墩冲刷坑模型试验方法操作直至下一个预设的时间节点，再次对冲坑的实 时形态进行测量，重复步骤3-2；

3-4)当桥墩冲刷坑充分发展完全，冲刷试验结束后，将若干时间节点处测得的地形数据 保存，经处理最终形成完整的桥墩冲刷坑动态发展过程。

实验结果分析如下：采用不同边坡倾角的沙坡模拟桥墩冲刷坑发展的各个阶段：5°、10°、 15°、20°、25°、30°(冲坑由浅到深表现为边坡倾角越来越大，如图8-1至8-6)。图中虚线表 示采用水平连接的组合式桥墩冲刷坑地形图，实线表示采用本发明方法，即30°倾斜连接的组 合式桥墩冲刷坑地形图，另有两根竖直点划线为真实桥墩外边界线位置示意。由图可见，水 平连接的组合式桥墩冲刷坑地形图(虚线)，有两处明显的凸起，为桥墩模型的边壁，其厚度 由于超声波的波束角效应被扩大了数倍；而30°倾斜连接的组合式桥墩冲刷坑地形图(实线) 完全不显示桥墩形状。且由图中虚、实两线的对比可见，凸起的虚线范围内、竖直点划线以 外的实线与外部地形线趋势一致，因此可以进一步证明这部分地形数据是真实有效的；竖直 点划线范围以内为桥墩所在区域，应在后续处理中作为无效数据剔除。

以上结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。 对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行 多种变化、修改、替换和变形仍在本发明的保护范围内。