模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取裝備研制

倪 飛，房世龍，丁 兵

(1.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 南通 226010；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，跨水域橋梁等涉水工程開(kāi)始大量興建，而且數(shù)量越來(lái)越多，體量也越來(lái)越大[1-3]。橋梁的出現(xiàn)使得原本正常流動(dòng)的河道水流受到干擾，受干擾的水流會(huì)形成復(fù)雜的旋渦體系和高強(qiáng)度的水體紊動(dòng)，進(jìn)而使得橋梁水下基礎(chǔ)周?chē)纬扇S尺度較大的局部沖刷坑，威脅著橋梁的正常運(yùn)營(yíng)和過(guò)往船舶的通航安全[4-6]。為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者一直致力于橋墩局部沖刷問(wèn)題研究，研究歷史大致可追溯至200余年前[7-10]。近年來(lái)，隨三維瞬時(shí)流場(chǎng)水力參數(shù)測(cè)量裝備的進(jìn)步，現(xiàn)代流體量測(cè)分析技術(shù)水平的提升，對(duì)橋墩周?chē)鲌?chǎng)特性的刻畫(huà)越趨細(xì)致，對(duì)橋墩局部沖刷機(jī)理的揭示逐漸清晰[11-14]。但是，局部沖刷坑三維空間尺度的增長(zhǎng)是水沙相互影響作用的結(jié)果，也是隨時(shí)間的逐漸發(fā)展而變化的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程[15-17]。由于當(dāng)前適用于模型試驗(yàn)中橋墩周?chē)植繘_刷全區(qū)域地形瞬時(shí)獲取的測(cè)繪裝備較少，使得關(guān)于橋墩局部沖刷發(fā)展動(dòng)態(tài)過(guò)程中沖刷地形發(fā)展與水流結(jié)構(gòu)變化之間相互影響規(guī)律的研究還不夠系統(tǒng)和全面，沖刷發(fā)展過(guò)程中墩前向下水流、墩周馬蹄形旋渦和墩后尾流旋渦的形成、發(fā)展和相互間的影響變化規(guī)律的模型驗(yàn)證試驗(yàn)研究還不夠深入，橋墩局部沖刷機(jī)理也還需更進(jìn)一步深入揭示[18-20]?；谏鲜隹紤]，本文研制了一種模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線自動(dòng)繪制裝備，并利用室內(nèi)水工模型試驗(yàn)優(yōu)化了各組成的性能指標(biāo)，量化了繪制裝備的設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模型應(yīng)用測(cè)繪精度及工程原型適用性。

2 繪制裝備和操作方法

2.1 繪制裝備

以給局部沖刷發(fā)展影響流場(chǎng)特性模型試驗(yàn)研究提供水下地形快速測(cè)繪裝備為出發(fā)點(diǎn)，以按放大比尺制作成型后能夠應(yīng)用于涉水建筑物周?chē)碌匦螌?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為終極目標(biāo)，并在力求克服現(xiàn)有技術(shù)的使用局限和適用范圍的前提下，本文研制了一種創(chuàng)新型、智能化的模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線自動(dòng)繪制裝備，如圖1所示。該繪制裝備研制的原理是，利用小體積單波束超聲換能器的精準(zhǔn)水下測(cè)距功能，遠(yuǎn)程操控機(jī)電傳動(dòng)組合裝置帶動(dòng)超聲換能器往復(fù)掃描局部沖刷坑側(cè)壁目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖刷發(fā)展動(dòng)態(tài)過(guò)程中模型橋墩周?chē)我凰矔r(shí)三維沖淤地形數(shù)據(jù)的快速獲取，并通過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸裝置，將獲取的地形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)程終端軟件平臺(tái)。

圖1 模型橋墩局部沖刷地形繪制試驗(yàn)整體布置Fig.1 Overall layout of the terrain mapping experiment for local scour of model bridge pier

繪制裝備系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。由圖2可知，該繪制裝備主要由內(nèi)置圓筒、單波束微型超聲換能器、防水密封同心軸承、外置圓筒、圓筒蓋板、剛性軸、帶座軸承、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)無(wú)線遠(yuǎn)程控制器、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸裝置和剛性支撐架等部件組成。在具體實(shí)施時(shí)，在內(nèi)置圓筒側(cè)壁上沿軸線方向等間距開(kāi)圓形孔，孔洞大小略大于單波束微型超聲換能器的直徑，各孔洞之間的間距根據(jù)工程監(jiān)測(cè)中實(shí)際所需要的實(shí)測(cè)地形精度和等值線密度來(lái)綜合分析確定，防水密封同心軸承分別安裝固定于內(nèi)置圓筒的兩端，然后將內(nèi)置圓筒兩端的同心軸承固定于外置圓筒內(nèi)側(cè)，將單波束微型超聲換能器分別安裝在內(nèi)置圓筒側(cè)壁開(kāi)設(shè)的每一個(gè)孔洞中，特別定制的單波束微型超聲換能器聲透鏡表面為圓弧面，圓弧曲率半徑與外置圓筒的內(nèi)徑相同，調(diào)整單波束微型超聲換能器位置，令其聲透鏡表面貼緊在外置圓筒內(nèi)側(cè)壁面后固定，內(nèi)置圓筒和外置圓筒的兩端均用圓筒蓋板封堵，內(nèi)置圓筒靠近自由水面一端的圓筒蓋板上安裝固定一個(gè)剛性軸，外置圓筒同一端的圓筒蓋板上對(duì)應(yīng)位置處開(kāi)設(shè)圓孔并安裝一帶座軸承，剛性軸穿過(guò)帶座軸承后通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)機(jī)座固定在外置圓筒的圓筒蓋板外側(cè)，整個(gè)繪制裝備通過(guò)剛性支架固定在橋梁水下基礎(chǔ)自由水面以上的側(cè)壁上。

圖2 繪制裝備系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the mapping equipment system

2.2 操作方法

利用繪制裝備自動(dòng)繪制模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線時(shí)，PC端步進(jìn)電機(jī)無(wú)線控制程序遠(yuǎn)程發(fā)出指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，遠(yuǎn)程操控步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)置圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)，固定于內(nèi)置圓筒側(cè)壁孔洞中的單波束微型超聲換能器以標(biāo)定頻率不斷向外發(fā)射超聲波，隨后超聲波會(huì)在水中傳播，當(dāng)超聲波遇到?jīng)_刷坑內(nèi)側(cè)壁時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波被超聲換能器接收，兩個(gè)反射信號(hào)之間的時(shí)差與超聲波水中速度的乘積，即是超聲換能器聲透鏡表面與沖刷坑內(nèi)側(cè)壁面之間的距離，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊再將超聲換能器掃描采集到的局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至PC端地形數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)，為了剔除外置圓筒、挾沙水流及沖刷坑邊壁對(duì)超聲反射波產(chǎn)生的影響，超聲換能器制造廠商對(duì)這些因素進(jìn)行了綜合分析，并利用PC端地形數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)超聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，確保高精度地形數(shù)據(jù)的獲取。繪制裝備遠(yuǎn)程操控模式如圖3所示。

圖3 繪制裝備遠(yuǎn)程操控模式Fig.3 Remote control mode of the equipment

模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，操控步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)置圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過(guò)程中超聲換能器會(huì)同時(shí)掃描周?chē)匦?，?dāng)內(nèi)置圓筒轉(zhuǎn)過(guò)的角度達(dá)到設(shè)定的極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，即完成了第一次掃描，然后令步進(jìn)電機(jī)向相反方向回轉(zhuǎn)，即能夠開(kāi)始第二次掃描。由于模型橋墩周?chē)木植繘_刷地形是一個(gè)隨時(shí)間逐漸演進(jìn)的三維動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以經(jīng)過(guò)如此往復(fù)不停地掃描，任一瞬時(shí)的局部沖刷地形數(shù)據(jù)均能被有效獲取，直至地形數(shù)據(jù)在1 h內(nèi)變化<5 mm時(shí)，視為模型橋墩周?chē)植繘_刷達(dá)到極限和穩(wěn)定狀態(tài)，隨后可停止監(jiān)測(cè)工作，即完成了此次模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)的完整采集和地形等值線的自動(dòng)繪制。

模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線自動(dòng)繪制過(guò)程中，要建立三維空間直角坐標(biāo)系，如圖1所示。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊將局部沖刷瞬時(shí)的地形數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給PC端后，PC端地形數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)可將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的若干個(gè)步進(jìn)角和超聲換能器獲取的換能器表面與床沙表面之間的距離，轉(zhuǎn)化為模型橋墩周?chē)植繘_刷地形的三維位置坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將所采集到的三維位置坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制成三維地形等值線。具體操作過(guò)程中，沖刷地形繪制裝備預(yù)埋在模型橋墩側(cè)面，步進(jìn)電機(jī)位于自由水面以上，內(nèi)置圓筒的軸線在鉛直方向上，三維直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)被設(shè)置在內(nèi)置圓筒軸線與原始河床面相交的位置處，x軸為垂直于內(nèi)置圓筒軸線并與模型橋墩承臺(tái)側(cè)壁平行或相切的水平方向，y軸為垂直于內(nèi)置圓筒軸線并背離模型橋墩的方向，z軸與內(nèi)置圓筒的軸線重合，地形沖淤變化動(dòng)態(tài)過(guò)程中模型橋墩周?chē)煌恢锰幍膞軸、y軸和z軸方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)為(X,Y,Z)，可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)角度、超聲換能器獲取的換能器聲透鏡表面與床沙面之間距離等參數(shù)按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中:L為換能器聲透鏡表面與床沙面之間距離；n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)角個(gè)數(shù)；Δθ為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)角度；Z0為距離坐標(biāo)原點(diǎn)最近的超聲換能器的對(duì)稱(chēng)軸線的鉛直方向坐標(biāo)值；m為遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)的第幾個(gè)換能器；ΔZ是超聲換能器間距值；N為自然數(shù)。

如上所述，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，被安裝固定在內(nèi)置圓筒側(cè)壁孔洞內(nèi)的超聲換能器就會(huì)實(shí)時(shí)獲取橋梁水下基礎(chǔ)周?chē)膭?dòng)態(tài)三維地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)(X，Y，Z)為(Lcos(nΔθ)，Lsin(nΔθ)，Z0+(m-1)ΔZ)。

3 模型試驗(yàn)

為了標(biāo)定模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線自動(dòng)繪制裝備的測(cè)繪精度和優(yōu)化系統(tǒng)各組成部件的性能，開(kāi)展了一組室內(nèi)水工模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)是在一個(gè)矩形斷面變坡自循環(huán)水槽中開(kāi)展的，試驗(yàn)所用水槽的長(zhǎng)度為1 400 cm，寬度為100 cm，深為120 cm。水槽入口和尾門(mén)處分別設(shè)置了消能防浪的硬塑料假底，兩假底之間填充均勻無(wú)黏性模型沙，模型沙中值粒徑為0.53 mm，密度為2.65 g/cm3，不均勻系數(shù)為1.20，鋪設(shè)厚度為50.0 cm，并與假底頂面平齊。水槽入口口門(mén)下游800 cm處固定一圓柱體模型橋墩，模型橋墩直徑為20.0 cm。試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中模型橋墩前的行近流速為29.3 cm/s，行近水深為24.0 cm，模型沙的起動(dòng)流速為30.8 cm/s，試驗(yàn)水槽布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)水槽布置Fig.4 Layout of experiment flume

試驗(yàn)采用的地形測(cè)繪裝備內(nèi)置圓筒內(nèi)徑為20 mm，外徑為30 mm，同心軸承內(nèi)徑為30 mm，外徑為50 mm，外置圓筒內(nèi)徑為50 mm，外徑為54 mm，單波束微型超聲換能器探頭直徑為10 mm，長(zhǎng)度為15 mm，間距為5 cm。在試驗(yàn)開(kāi)始之前將繪制裝備預(yù)埋在模型橋墩側(cè)面，三維坐標(biāo)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)位于原始河床面處，離步進(jìn)電機(jī)最近的超聲換能器探頭軸心距離原始河床面5 cm，測(cè)繪裝備實(shí)物布置如圖5所示。繪制裝備與橋墩之間的相對(duì)比尺會(huì)對(duì)橋墩周?chē)木植繘_刷地形有一定的影響，為確定此影響而開(kāi)展的標(biāo)定性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋墩直徑與設(shè)備外置圓筒外徑之比約為1∶4，或者小于該比值時(shí)，相對(duì)比尺對(duì)局部沖刷地形的影響很小，可以忽略不計(jì)。

圖5 繪制裝備布置實(shí)物Fig.5 Photo of the mapping equipment

試驗(yàn)水槽布置完成后，即可以啟動(dòng)水泵開(kāi)始模型橋墩的局部沖刷試驗(yàn)，也可利用繪制裝備獲取局部沖刷過(guò)程中任一瞬時(shí)的三維地形等值線。為了對(duì)比研究繪制裝備的測(cè)繪精度，試驗(yàn)過(guò)程中選取2個(gè)典型時(shí)刻，一個(gè)是沖刷歷時(shí)為30 min，另一個(gè)是沖刷達(dá)到極限狀態(tài)，進(jìn)行沖刷坑地形的人工測(cè)量。當(dāng)模型橋墩局部沖刷歷時(shí)達(dá)到30 min時(shí)，關(guān)閉流量控制閥門(mén)、水槽尾門(mén)和供水水泵后停止試驗(yàn)。待水槽中模型沙內(nèi)所含水分瀝干后，利用地形測(cè)針測(cè)量模型橋墩周?chē)牡匦?，并詳?xì)繪制沖刷坑的沖深等值線圖。然后再次啟動(dòng)供水水泵，緩慢打開(kāi)流量控制閥門(mén)，在水槽內(nèi)水位達(dá)到模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)水位時(shí)，控制水槽尾門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)水槽內(nèi)水流的流速，直至設(shè)定工況條件達(dá)到后繼續(xù)開(kāi)始模型橋墩局部沖刷試驗(yàn)，當(dāng)模型橋墩周?chē)臎_刷深度值在1 h之內(nèi)的變化<2 mm時(shí)，認(rèn)為沖刷達(dá)到了極限沖刷狀態(tài)[13]，此時(shí)停止試驗(yàn)，然后利用地形測(cè)針詳細(xì)繪制沖刷坑的沖深等值線圖。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線圖，圖中曲線為繪制裝備自動(dòng)獲取的局部沖刷連續(xù)地形等值線(單位為cm)。

圖6 模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線Fig.6 Contours of instantaneous topographic data of local scour of model bridge pier

試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，根據(jù)單波束微型超聲換能器的采樣頻率設(shè)定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[14]，使得繪制裝備完成一個(gè)測(cè)回所用的時(shí)間最少為30 s，完全滿足試驗(yàn)中局部沖刷發(fā)展動(dòng)態(tài)過(guò)程中瞬時(shí)地形繪制的要求。圖6(a)中所示的沖刷歷時(shí)為30 min時(shí)的模型橋墩局部沖刷地形等值線圖，是從繪制裝備的眾多測(cè)回中隨機(jī)抽取的，這表明繪制裝備具有捕捉瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)并繪制成地形等值線圖的能力。圖6(b)是局部沖刷達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)(沖刷歷時(shí)約20 h)的沖刷地形等值線圖，由圖6(b)可以看出，在模型試驗(yàn)所設(shè)定的工況下，模型橋墩周?chē)畲鬀_刷坑深度可達(dá)2.12倍橋墩直徑，最大沖刷范圍可達(dá)2.46倍橋墩直徑，這基本與Chiew等[21]在以往研究中所得到的結(jié)論一致。對(duì)比圖6(a)和6(b)中模型橋墩周?chē)木植繘_刷等值線圖可以看出，試驗(yàn)開(kāi)始之后，模型橋墩周?chē)木植繘_刷發(fā)展得很快，在不到3%的沖刷歷時(shí)內(nèi)，沖刷坑最大深度達(dá)到了70%，這證明了橋墩局部沖刷造成橋梁水毀的突然性，也進(jìn)一步表明橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形跟蹤繪制的必要性。

為了對(duì)比本文研制的繪制裝備進(jìn)行模型橋墩局部沖刷地形等值線繪制的精度，利用地形測(cè)針人工測(cè)繪了6組測(cè)針地形數(shù)據(jù)，6組測(cè)針地形數(shù)據(jù)分別從模型橋墩水平投影的圓心分別沿與水流方向成0°、45°、90°、135°、180°角度方向的直線上由地形測(cè)針測(cè)得。對(duì)比圖6兩種不同方式獲取的地形等值線數(shù)據(jù)可知，與地形測(cè)針數(shù)據(jù)相比，繪制裝備獲取的地形數(shù)據(jù)大部分偏大，在測(cè)距距離越遠(yuǎn)的位置處，繪制裝備獲取的大部分地形數(shù)據(jù)的誤差越大，但2種數(shù)據(jù)總體上能夠保持一致，最大偏差<0.6 cm，平均誤差幾乎均能夠控制在±1%以?xún)?nèi)，說(shuō)明繪制裝備可以用于室內(nèi)水工模型試驗(yàn)中瞬時(shí)局部沖刷地形等值線的測(cè)繪。

5 結(jié) 論

模型橋墩局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)等值線自動(dòng)繪制裝備構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作成本較低，能夠?qū)崟r(shí)獲取局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制成地形等值線圖，測(cè)繪效率較高，30 s內(nèi)即能夠完成一個(gè)測(cè)回，測(cè)量精度較好，平均測(cè)繪精度可達(dá)99%以上，適合于橋墩局部沖刷發(fā)展動(dòng)態(tài)過(guò)程中沖刷地形發(fā)展和水流結(jié)構(gòu)變化之間相互影響的室內(nèi)模型試驗(yàn)的瞬時(shí)局部沖刷地形測(cè)繪。此外，后期通過(guò)繪制裝備各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和量化設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)原型橋墩周?chē)植繘_刷地形獲取及繪制。