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。

主权项

一种模型试验中桥墩冲刷坑实时动态超声测量方法，其特征在于：①采用上下组合式桥墩，在超声波地形仪进行断面扫描过程中，当测量探头临近桥墩时，将上部桥墩取出，测量探头离开桥墩后，再将上部桥墩复原，解决了出露水面桥墩对测量探头阻挡的问题，同时，在满足地形仪量程要求的前提下，为了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，控制其顶高程在水面以下约10cm；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，并确定了倾斜角度与超声波地形仪波束角之间的关系；③该方法包括以下步骤：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；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，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，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；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。