本发明涉及桥梁测量技术领域，具体涉及一种基于立方体式桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法。
背景技术：
桥梁桩基对水流的干扰造成了水流对桥墩周围河床床面的局部冲刷，冲刷不仅能够危及上下游建筑物及附近堤岸的安全，还会导致桥墩自身的水毁。局部冲刷引起的桥梁桩基水毁具有突发性和灾难性，往往会给人民生命财产造成重大的损失。
近年来，随着桥梁结构健康监测技术快速发展，诞生了众多对桥梁桩基冲刷的进行实时监测的技术方法，但这些技术方法监测精度不同、适用条件各异，因此如何依据实际情况正确选择监测技术是管理者不得不直接面对的棘手问题。
目前传统的使用较多的方法有探地雷达冲刷监测技术与回声测深冲刷监测技术。探地雷达冲刷监测技术的缺点为受手下基础和河床面多次放射形成的噪声的影响较大，而且对水深大于10m的水域内的河床床面的冲刷监测效果也不好。特别是不能穿透导电材料的特点使其不仅不能完成粘性土河床和盐度较大水域的冲刷监测，也很难监测导与床面泥沙电学特性相似的回淤泥沙。回声测深冲刷监测技术的缺点为无论是固定式还是移动式，回声测深冲刷加成呢的精度都容易受到水深、水温盐度、含沙量和水下地形复杂程度的影响，且移动式回声测深冲刷监测方式还容易受到一起安装误差、船姿态测量误差、时延误差等多因素影响。
本监测装置采用光纤光栅传感器。当光纤光栅所处环境的温度、应力等物理量发生变化时，纤芯的折射率或光栅的周期也发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量反射光波长的变化就可获知待测物理量的变化情况。
光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，本监测装置采用光纤光栅压力传感器，充分利用了光纤光栅的上述优点，克服了传统监测的缺点，宜于目前水下对桥梁桩基的冲刷监测。
技术实现要素：
针对现有的技术的不足，本发明提供了能够可靠的对桥梁桩基冲刷全过程演化进行动态监测的一种基于立方体式桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于立方形桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)监测前准备：首先在桥梁桩基表面固定设置光纤光栅渗压传感器及光纤光栅温度传感器；然后在沉箱表面设置光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器及光纤光栅渗压传感器，在沉箱内部设置光纤陀螺仪；最后将沉箱抛入水中，落于桩基附近，并陷入河床持力层，用绳连接至桥墩顶面；
2)监测水压的变化数据：通过桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器，监测水位的涨落而引起的水压变化数据；通过沉箱表面的光纤光栅渗压传感器监测外界水压力变化数据；
3)监测土压与水压的变化数据：通过沉箱表面的光纤光栅压力传感器监测土压力与水压力的变化数据；
4)监测水温的变化数据：通过桥梁桩基表面与沉箱表面的光纤光栅温度传感器实时监测监测点水面与水底的水温变化数据；桥梁桩基表面光纤光栅温度传感器负责对桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器的数据进行温度补偿，沉箱表面的光纤光栅温度传感器负责对沉箱表面的光纤光栅压力传感器及光纤光栅渗压传感器的数据进行温度补偿；
5)监测沉箱的变化数据：通过沉箱内的光纤陀螺仪定位沉箱的转动角度及监测沉箱在水流冲刷和冲刷坑形成过程中的滚动情况，从而获取部分冲刷的实时动态；
6)监测数据分析：对步骤2)中桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器监测的水压变化数据进行分析，用于分析水位变化对桥梁桩基安全稳定性影响；将步骤2)中桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器监测的水压变化数据与沉箱表面的光纤光栅压力传感器监测的土压力与水压力的变化数据进行对比，剔除潮涨潮落造成的水位变化对光纤光栅压力传感器的影响；将步骤2)中沉箱表面的光纤光栅渗压传感器监测的水压力变化数据、步骤3)中沉箱表面的光纤光栅压力传感器土压力与水压力的变化数据及步骤5)中光纤陀螺仪监测定位沉箱的转动角度数据进行分析，确定回淤土的厚度、回淤土表面至水面的距离及冲刷坑深度实时监测的变化值；
所述的一种基于立方形桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤4)中结合光纤光栅温度传感器得出光纤光栅渗压传感器的温度补偿公式：
p＝μp1δλ2+μp2δλ
δλ＝(λ-λ0)-μt(t-t0)
t＝k(pt-pt0)
式中：μp1(pa/nm)：常数；
μp2(pa/nm)：常数；
λ0(nm)：测量时的光纤光栅微型渗压传感器的初始波长；
λ(nm)：压力测量时的波长；
t0(℃)：测量时的初始环境温度；
t(℃)：压力测量时的环境温度；
μt(nm/℃)：常数，为波长偏移值/温度的比值；
k是传感器温度/波长系数值(常数)；
pt0是测量时的外置温度光纤光栅初始波长；
pt是测量过程中的外置温度光纤光栅波长。
所述的一种基于立方形桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤4)中结合光纤光栅温度传感器得出光纤光栅压力传感器的温度补偿公式：
p＝μp[(λ-λ0)-μt(t-t0)]
t＝k(pt-pt0)
式中：μp(pa/nm)：常数，为传感器压力/波长的比值；
kt(nm/c°)：常数，为波长偏移值/温度的比值；
λ0(nm)：测量时的压力光纤光栅初始波长；
λ(nm)：压力测量时的波长；
pt0(nm)：测量时的外置温度光纤光栅初始波长；
pt(nm)：压力测量时的外置温度光纤光栅波长；
t0(℃)：测量时的初始环境温度；
t(℃)：压力测量时的环境温度；
μt(nm/℃)：常数，为波长偏移值/温度的比值；
k是传感器温度/波长系数值(常数)；
pt0是测量时的外置温度光纤光栅初始波长；
pt是测量过程中的外置温度光纤光栅波长。
所述的一种基于立方形桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤6)中回淤土的厚度及与回淤土表面至水面的距离的确定；
1)沉箱上无回淤土：
因为沉箱结构尺寸较小，故在沉箱上无回淤土的情况下，持力层表面至正常水位的水面的距离h近似取沉箱形心位置至水面的距离；
根据光纤陀螺仪监测得到的沉箱转动角度，推出沉箱表面的光纤光栅渗压传感器与沉箱表面相对位置的光纤光栅压力传感器的相对高差t2与t3，并结合光纤光栅渗压传感器的实时监测数据即可推出沉箱形心所处位置的水深；
p-δps＝γwhw
hw3＝hw-t3
hw2＝hw+t2
综合上述两式即可推出：
h＝(hw2＋hw3)/2
式中，p(pa)：光纤光栅微型渗压传感器的压强读数；
γw(n/m3)：水的有效重度；
δps：水位涨落引起的水压变化值；
hw：光纤光栅渗压传感器至水面的距离；
hwi：光纤光栅压力传感器至水面的距离；
2)沉箱上有回淤土：
当回淤土层不足以完全覆盖沉箱时，即其厚度较小，考虑水流冲刷的原因沉箱周边土壤密实度较小，因此在持力层土壤比重γ的基础上，对其取折减系数β(0＜β＜1)；
当回淤土层完全覆盖沉箱时，因其厚度较大，取折减系数β＝1，即沉箱周边土壤的容重取为γ；
在沉箱上覆盖有回淤土层时，回淤土层的厚度可近似取为土层下传感器的埋深，考虑安全容许的问题取最大埋深处传感器的埋置深度作为回淤土层的厚度；
根据光纤陀螺仪的监测读数分别推出沉箱表面的光纤光栅渗压传感器与沉箱表面相邻放置的光纤光栅压力传感器的相对高差t1与t2，并结合光纤光栅渗压传感器的监测读数并通过以下公式来计算传感器的埋深：
p-δps＝γwhw………③
hw1＝hw+t1………④
hw2＝hw+t2………⑤
综合上式即可推出：
取t＝mah{z1,z2}，t即为回淤土层的厚度；
回淤土表面至水面的距离可通过下式计算：
式中，p1(pa)：回淤土层以下的光纤光栅压力传感器的压强读数；
p2(pa)：回淤土层以上的光纤光栅压力传感器的压强读数；
δps：为水位涨落引起的水压变化值，已正常水位时的水压为基准；
c(pa)：监测点持力层土壤的粘聚力，非粘性土c＝0；
kp：库伦被动土压力系数，
γw(n/m3)：水的有效重度；
γ＇(n/m3)：河床持力层土的有效重度，取γ＇＝βγ-γw；
zi(m)：第i号传感器埋深；
hw：光纤光栅渗压传感器至水面的距离；
hwi：光纤光栅压力传感器至水面的距离；
将沉箱抛入监测点后最初推出的水深记为初始深度h0，将之后算得得的水深记为h,则
h＝h-h0
式中，h即为监测装置所需要实时监测的冲刷坑深度变化值；h与h0均已剔除水位涨落的影响，均为正常水位下的回淤土层表面至水面的距离。
所述的一种基于立方形桥梁基础冲刷安全监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤1)中沉箱陷入河床持力层时，为了保证沉箱在水流冲刷过程中不会轻易发生滚动，根据监测点河床土质情况和工程需求，需在沉箱内部添加额外重块从而保证沉箱在河床表面具有初埋深；
结合计算地基承载力特征值的公式来表达沉箱重量和初埋深的关系：
fa＝mbγb+mdγmd+mcck
fa·s＝g1+g2
式中，g1：沉箱自重(n)；
g2：额外添加重块的重量(n)；
s：沉箱底面积(m2)；
fa：由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值(pa)；
mb,md,mc：承载力系数，与土的内摩擦角标准值有关；
γ：沉箱底面以下土的重度，因为监测环境在水中故取浮重度(n/m3)；
γm：沉箱底面以上土的加权平均重度，因为监测环境在水中故取浮重度(n/m3)；
ck：沉箱下一倍短边宽的深度内，土的粘聚力标准值(pa)；
b：沉箱底面宽度；
d：沉箱埋深；
即可推得：g2＝s·(mbγb+mdγmd+mcck)-g1。
本发明的有益效果是：
1)该方法适用于实时监测水下桩基附近由于冲刷引起的桩侧土压力与冲刷量的变化，同时能够实时监测潮汐变化引起的水位涨落。
2)根据对沉箱的初埋深及在其内部添加额外所需重块的关系计算，保证沉箱自适应跟踪持力层，并通过在沉箱表面设置光纤光栅渗压传感器、光纤光栅压力传感器及光纤陀螺仪，能实时监测回淤土层的厚度，回淤土表面至水面的距离，又能实时监测冲刷坑的深度变化。
3)通过设置在桩基表面与沉箱上的光纤光栅温度传感器对光纤光栅渗压传感器及光纤光栅压力传感器进行温度补偿，并推出温度补偿公式进行数据修正，大大提高了监测的精度。
4)通过该方法可广泛应用于新建或已经建成的桥梁工程安全监测环境中，具有高耐久性、高精度、实时监控和易于工程布设等优点。
附图说明
图1为本发明的监测装置结构示意图；
图2为本发明的沉箱上无回淤土的计算分析图；
图3为本发明的沉箱上有回淤土的计算分析图；
图中：1-沉箱，2-光纤光栅压力传感器，3-光纤光栅渗压传感器，4-光纤光栅温度传感器。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-3所示，一种立方体式桥梁基础冲刷安全监测装置，包括沉箱1、光纤光栅压力传感器2、光纤光栅渗压传感器3及光纤光栅温度传感器4。
沉箱1，边长为30cm～50cm的立方体钢箱，由6个钢板拼接而成，顶板壁厚15mm～20mm，其余板厚为10mm～15mm，顶板与边板采用焊接连接，考虑水下复杂的受力环境，在沉箱1内部相连两个钢板上焊接角钢，底板与边板采用螺栓连接便于仪器的更换和修理。沉箱1表面安装有光纤光栅压力传感器2与光纤光栅渗压传感器3，内部搭载了光纤陀螺仪。沉箱1的内部可以根据工程需要放置特制的砝码从而增加沉箱质量。考虑沉箱1长期的水下工作环境，沉箱1采用不锈钢制作，表面并涂抹hca-108屋面丙稀酸防水涂料，沉箱1顶部固定有不锈钢钢丝绳连接至桥墩顶面，便于沉箱1的回收和下放。
光纤光栅渗压传感器3共有2个，一个固定在桥梁桩基上，距离水面有一定的深度，通过水压变化实时监测水位的涨落，并将数据通过光纤数据线传至数据处理系统。一个固定于沉箱1表面，负责监测外界水压力变化并与光纤光栅压力传感器2的监测数据作比对，并结合公式计算沉箱1的埋深(即回淤土的厚度)。
光纤光栅压力传感器2,共有4个，固定与沉箱1表面，随着沉箱1的转动和滚动，对外界土压力和水压力进行实时监测。
光纤光栅温度传感器，共有2个，一个固定于桥梁桩基上，位于渗压传感器附近；另一个固定于沉箱1表面，由于光纤光栅在环境温度发生变化时会产生一定的误差，需要温度传感器监测环境温度从而对光纤光栅压力传感器与光纤光栅渗压传感器的计算公式进行温度补偿。
数据处理系统为无线传输光纤光栅解调仪，固定于测点的桥墩上，通过光纤数据线与传感器和陀螺仪连接，将接受到的的数据通过无线传输传至云端数据库。最后通过计算机对两个传感器的数据进行对比与分析并结合陀螺仪的数据得出桥墩桩基冲刷的实时状况。
光纤陀螺仪，固定于沉箱1的形心处，负责定位沉箱1的转动角度与监测沉箱在水流冲刷和冲刷坑形成过程中的滚动情况，从而获取部分冲刷的实时动态情况。当沉箱发生转动时，陀螺仪可测得转动角度，结合各个传感器压力读数即可推出回淤土的厚度及回淤土表面至水面的距离。
其工作原理如下：
数据处理系统，无线传输光纤光栅解调仪固定于测点桥墩的顶面，与各传感器和光纤陀螺仪之间通过光纤数据线连接。
光纤光栅渗压传感器3，固定于离水面一定距离的桩基与沉箱1上，实时监测外界水压力的变化，并将数据传至数据处理系统。
光纤光栅压力传感器2，固定于沉箱1表面，实时监测外界土压力与水压力的变化，并将数据传至数据处理系统。
光纤光栅温度传感器，固定于离水面一定距离的桥梁桩基表面与沉箱1顶面，实时监测外界环境温度变化，并将数据传至数据处理系统，对其压力传感器与渗压传感器的数据进行修正。
光纤陀螺仪固定于沉箱1内部，实时监测沉箱的运动状态。
监测装置于桥墩附近抛入水中，落于桩基附近，随着水流冲刷和冲刷坑的形成发生转动或滚动，陀螺仪实时监测沉箱的运动状态给出运动参数，并将数据传至数据处理系统。根据工程需要可以在桩基附近不同位置抛入多个监测装置，提高监测精度。
无线传输光纤光栅解调仪将从传感器和陀螺仪所得的数据通过无线传输传至云端数据库，计算机对数据和图像进行综合的对比分析，并结合公式计算，即可以还原出桩基冲刷的实时状况。
具体监测方法：
1)监测前准备：首先在桥梁桩基表面固定设置光纤光栅渗压传感器及光纤光栅温度传感器；然后在沉箱表面设置光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器及光纤光栅渗压传感器，在沉箱内部设置光纤陀螺仪；最后将沉箱抛入水中，落于桩基附近，并陷入河床持力层，用绳连接至桥墩顶面；
2)监测水压的变化数据：通过桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器，监测水位的涨落而引起的水压变化数据；通过沉箱表面的光纤光栅渗压传感器监测外界水压力变化数据；
3)监测土压与水压的变化数据：通过沉箱表面的光纤光栅压力传感器土压力与水压力的变化数据；
4)监测水温的变化数据：通过桥梁桩基表面与沉箱表面的光纤光栅温度传感器实时监测监测点水面与水底的水温变化数据，桥梁桩基表面光纤光栅温度传感器对固定于桩基表面的光纤光栅渗压传感器的数据进行温度补偿，沉箱表面的光纤光栅温度传感器负责对沉箱表面的光纤光栅压力传感器及光纤光栅渗压传感器的数据进行温度补偿；
5)监测沉箱的变化数据：通过沉箱内的光纤陀螺仪定位沉箱的转动角度及监测沉箱在水流冲刷和冲刷坑形成过程中的滚动情况，从而获取部分冲刷的实时动态情况；
6)监测数据分析：对步骤2)中桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器监测的水压变化数据进行分析，用于分析水位变化对桥梁桩基安全稳定性影响；将步骤2)中桥梁桩基表面的光纤光栅渗压传感器监测的水压变化数据与沉箱表面的光纤光栅压力传感器监测的土压力与水压力的变化数据进行对比，剔除潮涨潮落造成的水位变化对光纤光栅压力传感器的影响；将步骤2)中沉箱表面的光纤光栅渗压传感器监测的水压力变化数据、步骤3)中沉箱表面的光纤光栅压力传感器土压力与水压力的变化数据及步骤5)中光纤陀螺仪监测定位沉箱的转动角度数据分析，确定回淤土的厚度、回淤土表面至水面的距离及冲刷坑深度实时监测的变化值；
步骤4)中由光纤光栅温度温度传感器得出光纤光栅渗压传感器的温度补偿公式：
p＝μp1δλ2+μp2δλ
δλ＝(λ-λ0)-μt(t-t0)
t＝k(pt-pt0)
式中：μp1(pa/nm)：常数；
μp2(pa/nm)：常数；
λ0(nm)：测量时的光纤光栅微型渗压传感器的初始波长；
λ(nm)：压力测量时的波长；
t0(℃)：测量时的初始环境温度；
t(℃)：压力测量时的环境温度；
μt(nm/℃)：常数，为波长偏移值/温度的比值；
k是传感器温度/波长系数值(常数)；
pt0是测量时的外置温度光纤光栅初始波长；
pt是测量过程中的外置温度光纤光栅波长。
步骤4)中由光纤光栅温度温度传感器得出光纤光栅压力传感器的温度补偿公式：
p＝μp[(λ-λ0)-μt(t-t0)]
t＝k(pt-pt0)
式中：μp(pa/nm)：常数，为传感器压力/波长的比值；
kt(nm/c°)：常数，为波长偏移值/温度的比值；
λ0(nm)：测量时的压力光纤光栅初始波长；
λ(nm)：压力测量时的波长；
pt0(nm)：测量时的外置温度光纤光栅初始波长；
pt(nm)：压力测量时的外置温度光纤光栅波长；
t0(℃)：测量时的初始环境温度；
t(℃)：压力测量时的环境温度；
μt(nm/℃)：常数，为波长偏移值/温度的比值；
k是传感器温度/波长系数值(常数)；
pt0是测量时的外置温度光纤光栅初始波长；
pt是测量过程中的外置温度光纤光栅波长。
步骤6)中回淤土的厚度及与回淤土表面至水面的距离的确定；
1)沉箱上无回淤土：
因为沉箱结构尺寸较小，故在沉箱上无回淤土的情况下，持力层表面至正常水位的水面的距离h近似取沉箱形心位置至水面的距离；
根据光纤陀螺仪监测得到的沉箱转动情况推出光纤光栅压力传感器与光纤光栅渗压传感器的相对高差t2与t3(在沉箱表面相对放置的光纤光栅压力传感器2号与3号)，并结合光纤光栅渗压传感器的实时监测数据即可推出沉箱形心所处位置的水深。
p-δps＝γwhw
hw3＝hw-t3
hw2＝hw+t2
综合上述两式即可推出：
h＝(hw2+hw3)/2
式中，p(pa)：光纤光栅微型渗压传感器的压强读数；
γw(n/m3)：水的有效重度；
δps：水位涨落引起的水压变化值；
hw：光纤光栅渗压传感器至水面的距离；
hw2：2号光纤光栅压力传感器至水面的距离；
hw3：3号光纤光栅压力传感器至水面的距离；
2)沉箱上有回淤土：
当回淤土层不足以完全覆盖沉箱时，即其厚度较小，考虑水流冲刷的原因沉箱周边土壤密实度较小，因此在持力层土壤比重γ的基础上，对其取折减系数β(0＜β＜1)；
当回淤土层完全覆盖沉箱时，因其厚度较大，取折减系数β＝1，即沉箱周边土壤的容重取为γ；
在沉箱上覆盖有回淤土层时，回淤土层的厚度可近似取为土层下传感器的埋深，考虑安全容许的问题取最大埋深处传感器的埋置深度作为回淤土层的厚度；
这里以沉箱表面相邻放置的光纤光栅压力传感器1号，2号为例，根据光纤陀螺仪的监测读数分别推出其与光纤光栅渗压传感器的相对高差t1与t2，结合光纤光栅渗压传感器的监测读数并通过以下公式来计算传感器的埋深：
p-δps＝γwhw………③
hw1＝hw+t1………④
hw2＝hw+t2………⑤
综合上式即可推出：
取t＝mah{z1,z2}，t即为回淤土层的厚度；
回淤土表面至水面的距离可通过下式计算：
式中，p1(pa)：回淤土层以下的光纤光栅压力传感器的压强读数；
p2(pa)：回淤土层以上的光纤光栅压力传感器的压强读数；
δps：为水位涨落引起的水压变化值，已正常水位时的水压为基准；
c(pa)：监测点持力层土壤的粘聚力，非粘性土c＝0；
kp：库伦被动土压力系数，
γw(n/m3)：水的有效重度；
γ＇(n/m3)：河床持力层土的有效重度，取γ′＝βγ-γw；
zi(m)：第i号传感器埋深；
hw：光纤光栅渗压传感器至水面的距离；
hw1：1号光纤光栅压力传感器至水面的距离；
hw2：2号光纤光栅压力传感器至水面的距离；
将监测装置抛入监测点后最初推出的水深记为初始深度h0，将之后算得得的水深记为h,则
h＝h-h0
式中，h即为监测装置所需要实时监测的冲刷坑深度变化值；h与h0均已剔除水位涨落的影响，均为正常水位下的回淤土层表面至水面的距离。
步骤1)中沉箱陷入河床持力层时，为了保证沉箱在水流冲刷过程中不会轻易发生滚动，根据监测点河床土质情况和工程需求，需在沉箱内部添加额外重块以便沉箱在河床表面具有一定的初埋深；
结合计算地基承载力特征值的公式来表达沉箱重量和初埋深的关系：
fa＝mbγb+mdγmd+mcck
fa·s＝g1+g2
式中，g1：沉箱自重(n)；
g2：额外添加重块的重量(n)；
s：沉箱底面积(m2)；
fa：由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值(pa)；
mb,md,mc：承载力系数，与土的内摩擦角标准值有关；
γ：沉箱底面以下土的重度，因为监测环境在水中故取浮重度(n/m3)；
γm：沉箱底面以上土的加权平均重度，因为监测环境在水中故取浮重度(n/m3)；
ck：沉箱下一倍短边宽的深度内，土的粘聚力标准值(pa)；
b：沉箱底面宽度；
d：沉箱埋深；
即可推得：
g2＝s·(mbγb+mdγmd+mcck)-g1。