一种桥墩安全性实时监测系统及监测方法与流程

本发明属于桥梁维护领域，特别是桥梁安全性监测及预警领域，更为具体的说是涉及桥墩安全性实时监测及预警系统。

背景技术：

大型桥梁是一个国家或地区的交通命脉，耗资巨大，一旦发生事故，将造成重大人员和经济损失，其社会影响恶劣。桥墩是桥梁的重要组成部分。桥墩基底部在使用中会受到水流冲刷、侵蚀，从而使得桥梁的横向承载能力和桩基抗屈曲承载能力降低。同时，由于冲刷作用的，水流的横向冲击力会不断增加。

世界各国每年都有许多桥梁因水的长期冲刷而毁坏，据数据统计，美国垮塌的桥梁中，32.8%都是由于冲刷桥墩引起的；哥伦比亚桥梁垮塌中，35%的混领土桥梁垮塌是由冲刷引起的。因此，冲刷对桥墩所产生的影响一直是水利部分和交通部门在桥梁建设部署中考虑的重要影响因素。

我国现有大量的桥梁具有安全隐患，由于水流的长期不断的冲刷，易造成桥梁基础悬空桥面垮塌，为防止突发性坍塌事件，就需要对大桥受冲刷情况进行及时的了解和掌握，从而针对性的采取措施防止安全事故的发生。

目前，关于冲刷对桥体的影响报道已经有很多。但是，这些报道大都集中在预测模型的建立，以及冲刷模拟和水利计算方面。这些研究成果对于桥梁建造具有重要的意义，但是其不能真实反映桥梁建造后实际的冲刷情况，难以预测冲刷历时和局部冲深的变化过程。特别值得说明的是，由于桥墩冲刷影响因素复杂，特别是河势变化剧烈的地段，桥墩冲刷存在突变的可能，因此仅依靠模拟实验获得的数据可能和实际冲刷发生重大偏差，从而无法预知风险。

因此，针对以上问题研制出一种能够针对大型桥梁的桥体进行实时安全监测以及预警的系统是本领域技术人员所急需解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效进行桥墩冲刷深度实时监测的装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种桥墩安全性实时监测系统，包括测探架固定装置、测探架、单波束测探仪、测探仪调节件；测探架通过测探架固定装置与桥墩相连；测探架为半球形网架，其内侧中心由内至外呈螺旋状分布有测探轨道；测探调节件包括测探电机、连接杆、滑块、调节连杆、测探仪连杆；测探电机固定设于测探架上，且输出轴通过连接杆与滑块相连；测探电机输出轴与连接杆的连接处位于测探架的球心位置；滑块位于测探轨道内；测探仪连杆一端与测探架转动相连，且位于螺旋状测探轨道的中心位置处，另一端安装单波束测探仪；调节连杆的两端分别与滑块、测探仪连杆中部转动相连。

其中，单波束测探仪位于最低水位线以下0.9-1.1米处、迎潮面。

通过测探架上螺旋测探轨道的设置，结合测探调节件，由测探电机带动单波束测探仪进行螺旋状扫描，能有效针对桥墩迎潮面的冲刷深度实时监测。

该监测系统可设置两个，分别位于桥墩涨潮面和退潮面，对冲刷深度的监测更加全面、有效。

进一步的，本发明监测系统还包括测探架紧固件；测探架通过所述测探架紧固件可拆卸地设于测探架固定装置上。

测探架可方便拆卸，有利于单波束测探仪的安装、拆卸，方便更换、检修。

优选的，测探架紧固件为两个，分别设于测探架两侧；各测探架紧固件均包括紧固调节杆、紧固板、紧固连杆和紧固块；测探架固定装置的对应位置处设有安装槽；紧固板设于对应安装槽的开口处，且紧固板中心处设有紧固调节孔；紧固调节孔呈喇叭口状，扩口方向朝向安装槽外侧；所述紧固连杆为弹性连杆，设有两个，沿紧固调节孔中轴线对称设置；紧固调节杆为电动伸缩杆设于对应安装槽内，一端与测探架固定装置相连，另一端分别与两个紧固连杆的一端相连；两个紧固连杆的另一端分别穿过紧固调节孔伸出安装槽外与对应的紧固块相连；紧固块的内侧设有与测探架相适配的紧固槽。

通过紧固调节杆并结合喇叭口状紧固调节孔实现对紧固连杆的拉伸，由此实现两个紧固快对测探架的夹持。

进一步的，测探架固定装置包括测探半径调节装置；测探半径调节装置包括支撑收缩杆、支撑筒、测探架连杆、调节连杆和调节气缸；调节气缸与桥墩相连；测探架连杆设有两个，一端设有安装槽，另一端与支撑收缩杆的一端相连；支撑收缩杆的另一端与桥墩相连；支撑筒套设于支撑收缩杆外周侧，一端与调节气缸输出轴相连；调节连杆为两个，各调节连杆两端分别与支撑筒外侧和对应的测探架连杆相连。

通过测探半径调节装置能够有效调节单波束测探仪相对桥墩的测探距离，由此进行桥墩周侧冲刷深度的全方位立面测探。

进一步的，测探架固定装置还包括转向测探机构；测探半径调节装置的调节气缸和支撑收缩杆通过转向测探机构与桥墩相连；转向测探机构包括转向电机、转向固定架、转动连杆、转向支撑架；转向固定架为扇形，固定设于所述桥墩表面、涨潮方向，下端设有圆弧形滑槽；转向电机为步进电机，固定设于桥墩表面，且输出轴与转动连杆一端垂直相连；转动连杆中部设有滑块，滑块位于转向固定架的圆弧形滑槽内；转动连杆的另一端与转向支撑架相连；测探半径调节装置的调节气缸和支撑收缩杆分别设于转向支撑架上。

通过转向测探机构进行单波束测探仪围绕桥墩进行小范围周向转动，进一步提高了测探范围。

进一步的，本发明监测系统还包括控制柜和远端监控平台；控制柜安装于桥墩顶部，与探测电机、调节气缸、转向电机相连，且与远端监控平台通信相连。通过控制柜进行系统控制，并可通过远端监控平台进行远程控制和监测。

进一步的，控制柜包括本地数据存储器、本地数据处理器、控制器以及本地报警器；控制器分别与探测电机、调节气缸、转向电机、本地数据存储器、本地数据处理器、本地报警器相连；远端监控平台包括远端数据存储器、远端数据处理器、远端报警器；远端数据处理器分别与远端数据存储器、远端报警器和控制柜的控制器相连。

通过控制柜和远端监控平台实现对数据的处理和监控，并利用本地报警器和远端报警器实现实时监测报警。

本发明还提供了采用上述监测系统进行桥墩安全性实时监测的方法，包括以下步骤：

（1）系统设置：设置转向电机单次转动角度、调节气缸输出轴单次收缩长度、测探电机输出轴转速；

（2）系统复位：测探架上的滑块位于螺旋状测探轨道的中心位置，调节气缸回复原位，转向测探机构的转动连杆上滑块位于转向固定架的圆弧形滑槽左端；

（3）螺旋测探：转向电机转动控制转向支撑架围绕桥墩涨潮面进行转动；转向电机每转动一个角度，调节气缸控制测探架沿支撑伸缩杆方向进行伸长；调节气缸输出轴每伸长一定长度，测探电机转动带动单波束测探仪进行螺旋状扫射；

（4）半径测探：单次扫描结束后，测探电机反转至单波束测探仪回原位，调节气缸继续伸长一定长度，测探电机转动带动单波束测探仪进行螺旋状扫射；

（5）涨潮面转动测探：重复进行步骤（（4），直至调节气缸伸长至极限值；调节气缸收缩回原位，重复进行步骤（3）、（4），直至转向测探机构的转动连杆上滑块随着转向电机转动至转向固定架的圆弧形滑槽右端、调节气缸伸长至极限值后的单波束测探仪螺旋状扫描结束，进行步骤（2）的系统复位；单次测探结束；

（6）数据存储及处理：采集每次单波束测探仪进行螺旋状扫描时获得的不同点的冲刷深度数据，进行实时监测。

其中，步骤（6）中采集每次单波束测探仪进行螺旋状扫描时采集的不同点的冲刷深度数据，与预设阈值进行比对，当超过预设阈值时，进行本地和远程报警。

步骤（3）中测探电机转动带动单波束测探仪进行螺旋状扫射时，控制单波束测探仪以12°/分的转速在0-60°的锥形范围内呈螺旋状扫射。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明能够实时动态监测桥墩水下泥沙冲刷深度，配合转动获得空间桥墩实时水下泥沙冲刷深度数据，配合报警系统即可实时报警，同时方便进行单波束测探仪的安装拆卸；本发明中涉及到的装置结构新颖、生产制造成本适中、安装简单、运行稳定性与准确性高。

附图说明

图1为本发明桥墩安全性实时监测系统的结构示意图；

图2为图1中单波束测探仪的安装示意图；

图3为图2中测探架紧固件的结构示意图；

图4为图1中转向测探机构的结构示意图；

图5为图1中测探架和测探仪调节件的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明桥墩安全性实时监测系统包括单波束测探仪1、控制柜2、远端监控平台3、测探架固定装置4、测探架5、测探仪调节件6。控制柜2安装于桥墩顶部，与远端控制平台3通信相连。测探架5通过测探架固定装置4安装于桥墩表面，且位于最低水位线以下0.9-1.1米位置处。单波束测探仪1通过测探仪调节件6安装设于测探架5上。

结合图1、图5所示，测探架5为半球形网架，其内侧中心由内至外呈螺旋状分布有测探轨道51。测探调节件包括测探电机61、连接杆62、滑块63、调节连杆64、测探仪连杆65；测探电机61固定设于测探架5上，且输出轴通过连接杆62与滑块63相连；测探电机61输出轴与连接杆62的连接处位于测探架5的球心位置；滑块63位于测探轨道51内；测探仪连杆65一端与测探架5转动相连，且位于螺旋状测探轨道51的中心位置处，另一端安装单波束测探仪1；调节连杆64的两端分别与滑块63、测探仪连杆65中部转动相连。测探电机61转动，带动连接杆62下端沿测探轨道51滑动，连接杆62带动测探仪连杆65转动，使得其上设置的单波束测探仪1在0-60°的锥形范围内呈螺旋状扫射。

结合图1、图2所示，测探架固定装置4包括测探紧固件7、测探半径调节装置8、转向测探机构9。

如图2、图4所示，转向测探机构9包括转向电机91、转向固定架92、转动连杆93、转向支撑架94、测探安装架95；转向固定架92为扇形，通过测探安装架95固定设于桥墩表面、涨潮方向，下端设有圆弧形滑槽9201；转向电机91为步进电机，固定设于桥墩表面，且输出轴与转动连杆93一端垂直相连；转动连杆93中部设有滑块9301，滑块位于转向固定架92的圆弧形滑槽9201内；转动连杆93的另一端与转向支撑架94相连。通过转向电机91转动，带动转动连杆93在桥墩迎潮面的摆动，并通过转向固定架92对滑块9301的限位，实现转动连杆93摆动限位和支撑。

如图2所示，测探半径调节装置8包括支撑收缩杆81、支撑筒82、测探架连杆83、调节连杆84和调节气缸85；调节气缸85与桥墩相连；测探架连杆83设有两个，一端设有安装槽8301，另一端与支撑收缩杆81的一端相连；支撑收缩杆81的另一端与转向支撑架94相连；支撑筒套82设于支撑收缩杆81外周侧，一端与调节气缸85输出轴相连；调节连杆84为两个，各调节连杆84两端分别与支撑筒外侧81和对应的测探架连杆83相连。调节气缸85固定设于转向支撑架94上。通过调节气缸85控制支撑筒82的前后移动，从而调节测探架连杆83前端与桥墩之间的距离。

如图2、图3所示，测探架紧固件7为两个，分别设于测探架5两侧；各测探架紧固件均包括紧固调节杆72、紧固板73、紧固连杆74和紧固块75；紧固板73设于对应测探架连杆83的安装槽8301的开口处，且紧固板73中心处设有紧固调节孔76；紧固调节孔76呈喇叭口状，扩口方向朝向安装槽8301外侧；紧固连杆74为弹性连杆，设有两个，沿紧固调节孔76中轴线对称设置；紧固调节杆76为电动伸缩杆设于对应安装槽8301内，一端与测探架连杆83相连，另一端分别与两个紧固连杆74的一端相连；两个紧固连杆74的另一端分别穿过紧固调节孔76伸出安装槽8301外与对应的紧固块75相连；紧固块75的内侧设有与测探架5相适配的紧固槽。通过紧固调节杆76拉紧紧固连杆74，将测探架5紧紧夹持在两个紧固块75之间。需要进行测探架5拆卸时，紧固调节杆76放松，紧固连杆74伸出紧固调节孔76，两个紧固块75松开，即可方便取下测探架5进行单波束测探仪1的检修和更换。

为了方便进一步的监控，并实现风险报警，控制柜包括本地数据存储器、本地数据处理器、控制器以及本地报警器；控制器分别与探测电机、调节气缸、转向电机、本地数据存储器、本地数据处理器、本地报警器相连；远端监控平台包括远端数据存储器、远端数据处理器、远端报警器；远端数据处理器分别与远端数据存储器、远端报警器和控制柜的控制器相连。通过控制柜和远端监控平台实现对整体系统的远程遥控，以及数据的处理和监控，并利用本地报警器和远端报警器实现实时监测报警。

采用本发明监测系统进行桥墩安全性实时监测的步骤如下：

（1）系统设置：设置转向电机单次转动角度、调节气缸输出轴单次收缩长度、测探电机输出轴转速；

（2）系统复位：测探架上的滑块位于螺旋状测探轨道的中心位置，调节气缸回复原位，转向测探机构的转动连杆上滑块位于转向固定架的圆弧形滑槽左端；

（3）螺旋测探：转向电机转动控制转向支撑架围绕桥墩涨潮面进行转动；转向电机每转动一个角度，调节气缸控制测探架沿支撑伸缩杆方向进行伸长；调节气缸输出轴每伸长一定长度，测探电机转动带动单波束测探仪进行测探，并控制单波束测探仪以12°/分的转速在0-60°的锥形范围内呈螺旋状扫射；

（4）半径测探：单次扫描结束后，测探电机反转至单波束测探仪回原位，调节气缸继续伸长一定长度，测探电机转动带动单波束测探仪进行螺旋状扫射；

（5）涨潮面转动测探：重复进行步骤（（4），直至调节气缸伸长至极限值；调节气缸收缩回原位，重复进行步骤（3）、（4），直至转向测探机构的转动连杆上滑块随着转向电机转动至转向固定架的圆弧形滑槽右端、调节气缸伸长至极限值后的单波束测探仪螺旋状扫描结束，进行步骤（2）的系统复位；单次测探结束；

（6）数据存储及处理：采集每次单波束测探仪进行螺旋状扫描时获得的不同点的冲刷深度数据，进行实时监测。采集每次单波束测探仪进行螺旋状扫描时采集的不同点的冲刷深度数据，与预设阈值进行比对，当超过预设阈值时，通过本地报警器和远端报警器进行本地和远程报警。

其中，步骤（6）中通过单波束测探仪向水底发射高频信号，信号经反射后由单波束测探仪接收，利用单波束测探仪发出和接收信号之间的时间差，能够计算获得单波束测探仪的水深，从而获得桥墩单个点的冲刷深度。

进一步的，采集数据存储至本地数据存储器同时通过远传通信线路传输至远程数据存储器，并且在远程数据处理器将收集到的数据与预设的阈值信息进行比对，如果超过阈值，则说明出现安全性风险，该信息反馈至控制器，并触发报远程数据报警器发出报警动作；如果未超过阈值，则说明没有安全性风险，该信息反馈至控制器，数据信息仅存储，不发出报警动作。

进一步的，阈值设置有一级风险阈值和二级风险阈值，当超过二级风险阈值时，发出警报，当超过一级风险阈值时，发出紧急报警。