模型试验中桥墩冲刷坑实时动态超声测量方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] H=l/2vt (1)
[0008] 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。
[0009] 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1，〇点为探头所在位置，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，线段〇A >〇B，沿0B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。
[0010]本方法包括以下步骤：
[0011] 1)首先进行超声波地形仪波束角Θ的标定：
[0012] 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；
[0013] 1-2)超声波地形仪调平，水箱调平，在水箱中加满水；
[0014] 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 出、出、出、!14、11 5(如图4);
[0015] 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；
[0016] 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;
[0017] 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：
[0018] 2-1)根据波束角Θ大小选择适当的角度α(宜取α ? 40)，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；
[0019] 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；
[0020] 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）；
[0021] 3)模型冲刷试验过程中的操作步骤：
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 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;
[0025] 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。
[0026] 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：
[0027]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△ H2与地形图中两组地形线高程差△出相等。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。
[0028] 此时，线段
[0029] ΑΑι<ΑΑο
[0030] 又因为波束角Θ-般很小，故：
[0031 ] AO ΑΑι<ΑΑο
[0032]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Ao点处反射的声波信号(AC<AAo)，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^点）；同理，当探头 处于位置B时，Bo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 BiA)。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"。
[0033]设线段AiBi的长度为L，则：
[0034]
[0035]
[0036] 又因为 ΔΗ!= ΔΗ2,则：
[0037] γ=θ
[0038] 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。 [0039]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。
[0040]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l〇cm。
[0041 ]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，