[发明专利]一种用于桩柱结构物局部冲刷试验的实时监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及圆柱周围局部冲刷试验的实时监测技术。

背景技术

二十一世纪以来，我国加快了大型、超大型跨海桥梁的建设步伐。东海大桥、杭州湾大桥、舟山连岛工程、港珠澳大桥等跨海大桥的建设极大地改善了区域交通环境，成为区际联系的重要纽带，影响着区域空间格局和地区经济发展状况，但同时也带来了一些潜在的安全风险。跨海大桥投资巨大，预计运营期往往在50年以上。复杂多变的海洋环境下，桥梁基础的局部冲刷问题成为影响跨海大桥长期稳定与安全运营的关键因素。

在桥梁基础建设中，桩柱结构物往往占据很大比重。桩柱结构物突出于海床，改变了此区域原有的水动力条件，在桩柱前方形成二次流并在其周围形成漩涡，大大加快了周围流速，进而对周围的底床产生局部冲刷，逐渐形成冲刷坑。局部冲刷带走了包括桩在内的桥梁下部结构周围的海床物质，导致桥梁桩基础承载力大大降低。Wardhana和Hadipriono研究了1989年至2000年间美国的503次桥梁破损事故，其中与水流冲刷相关的高达243次。Lagasse等人在2007年发布的报道中提到由冲刷引起的桥梁破损约占60％。因此，研究跨海大桥桥墩的局部冲刷具有重要的现实意义。

海洋环境下，桩柱结构物周围冲刷坑的发展过程是十分复杂的，其形态(深度与范围)受众多因素的耦合影响，比如水深、波浪和水流条件、结构物形状和几何尺寸等。这给准确预测复杂海洋环境条件下跨海大桥基础的局部冲刷带来了很大的挑战。目前，针对现场基础冲刷问题，主要有以下几类评估方法：①依据已有的经验理论公式；②现场冲刷坑长期测试；③通过CFD数值模拟计算；④室内水槽缩尺试验。其中，室内水槽试验将现场水动力条件、结构物尺寸、底床条件依据一定的相似率进行缩尺，以相对较小的尺寸来模拟现场冲刷坑的发展过程，测试获得试验水槽内冲刷坑形态，最后再通过比尺关系还原得到现场冲刷坑尺寸，对海洋基础的现场冲刷作出定量评估。局部冲刷坑的发展是一个动态的复杂过程，因此需要对其进行长时间实时监测，以获得海床地形演化过程，这是研究揭示复杂水动力条件下海洋基础长期冲刷机制的重要基础。目前，在室内水槽试验中，主要通过超声波或激光测距仪等设备进行水下测试，其精度较高，但是也有价格昂贵、探头伸入水面干扰流场等缺点。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提出一种用于桩柱结构物局部冲刷试验的实时监测装置，可以实现桩周冲刷坑深度、范围的实时监测，非接触式、不破坏局部冲刷地形、简单方便、易操作、易推广等特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于桩柱结构物局部冲刷试验的实时监测装置，包括用于模拟桩柱结构物的圆柱体、用于模拟水底环境的试验土层和试验水层，所述试验水层位于所述试验土层的上方，所述圆柱体的周壁透明且底部密封，所述圆柱体的下部被埋入试验土层中，所述圆柱体被埋入所述试验土层中的高度不小于所述圆柱体外径的2倍，所述圆柱体的上端伸出于所述试验水层，所述实时监测装置还包括相机，所述相机通过支架被置于所述透明圆柱体的内部空间中，所述相机的水平位置低于所述试验水层的水平面，所述相机的镜头竖直向下、镜面水平，所述相机的镜头中心与所述圆柱体底部中心在竖直方向上对齐，所述相机数据连接外部处理单元。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述透明圆柱体为有机玻璃桶，所述有机玻璃桶的桶壁厚度为1.5-3mm，其底部厚度为2-5mm。

所述有机玻璃桶的外表面设有刻度线。

所述相机的支架上连接有可伸缩装置，所述相机能在所述可伸缩装置的驱动下在所述圆柱体内部移动。

所述外部处理单元为电脑或其他照片处理装置，能够进行照片的数据处理。

本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种用于桩柱结构物局部冲刷试验的实时监测方法，该方法应用上述实时监测装置，并包括以下步骤：

1)进行第一次标定，得到冲刷坑深度所需的关系式；

2)进行第二次标定，得到冲刷坑宽度所需的关系式；

3)开始冲刷试验并采集影像，将透明圆柱体放在所需位置，相机安装到位，记录底床初始高程Z₀，开始试验，相机同时开始录像，直到试验结束；

4)试验结束后，导出录像，导入matlab中，提取视频某一时刻的一帧图片，建立坐标系，确定圆柱底部圆心O的坐标(X₀,Y₀)；

5)获得冲刷深度曲线，