[发明专利]桥墩冲刷全过程演化动态监测系统及监测方法

说明书

技术领域

本发明是一种桥墩冲刷监测系统及监测方法，属于测量技术领域。

背景技术

传统的桥梁冲刷深度测量主要依靠人工检测，但水上作业严重威胁着检测人员的生命安全，且测量的准确性通常依赖检测人员的操作经验。近二十年以来，桥梁冲刷监测逐渐受到国内外研究人员和学者的重视，目前正在使用和逐渐发展的冲刷监测方法主要有声呐、雷达、超声波等检测方法，及电磁波时域反射(TimeDomainReflectometry,TDR)、光纤光栅等在线监测方法。声呐、雷达可确定泥沙淤积和冲刷的深度，探测装置较易安装，一般用于洪水过后的冲刷检查，不能实现冲刷全过程演化动态监测，并且声呐和雷达的信号质量非常容易受泥沙颗粒或者水草等物的影响，在洪水期间，水流中含有大量泥沙和其他悬浊物时，监测的信号严重衰减，对于超声波存在同样的缺点；另一方面，因声呐和雷达信号的测试、编译非常复杂，需要熟练的专业操作人员。TDR应用于桥梁冲刷监测时，通过冲刷导致相应部位的电缆变形甚至破坏，从而感知冲刷，但不能实现冲刷全过程演化动态监测，且容易造成信号失真，影响测量结果。光纤光栅测量法是将光纤光栅与特定的悬臂梁或其他杆件组合，布置在桥墩附近的河床，虽然直接或者间接地感知泥沙冲刷引起的土压力变化，但这种方法难以在恶劣服役环境下操作，并在定量方面存在困难。水下浮标和磁性定位环等作为一种冲刷监测技术，由于其监测到相应位置的冲刷后即告失效，缺乏一个长期有效、主动的服役周期，更无法实现桥墩冲刷全过程演化动态监测。

桥梁冲刷的机理十分复杂，随着水文现象的变化，其对桥梁的破坏呈现突发性和偶然性，极易造成危及生命财产的破坏，桥梁服役期间的冲刷分析需要依靠测试手段，但目前还没有可靠的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，能够可靠地对桥墩冲刷全过程演化进行动态监测。

与其相应，本发明另一个要解决的技术问题是应用上述监测系统进行精准测量、监测桥墩冲刷的方法。

就监测系统而言，包括冲刷传感石块、参考浮标和数据处理系统，其中：所述冲刷传感石块位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包括混凝土外壳和位于混凝土外壳内的四个RFID标签，所述四个RFID标签分别位于正四面体的四个顶点；所述参考浮标，位于桥墩附近的水面，包括外壳和位于外壳内的RFID阅读器、GPS和无线通讯模块。

射频识别，RFID(RadioFrequencyIdentification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。射频识别包括射频识别标签和射频识别阅读器。射频标签：每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，按照预设的规则周期性的进行信号发射。阅读器是对标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分，当射频识别标签的信号进入阅读器的作用区域，阅读器获取到标签发射出来的信息，即完成了对标签的识别过程。

本发明通过参考浮标内的RFID阅读器接收四个RFID标签的信号并转化成距离，通过GPS测得参考浮标位置坐标，无线通讯模块将GPS数据和RFID阅读器的数据传输至数据处理系统，通过四个RFID标签与RFID阅读器之间的距离，计算出冲刷传感石块的实时坐标，通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演化。通过冲刷传感器石块实时坐标的变化，计算冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离变化即冲刷深度和冲刷传感石块的三维转动角度。通过桥墩在每一时刻的冲刷深度计算其屈曲稳定承载力，并与极限承载力比较从而对桥墩安全进行预警。通过冲刷传感石块的三维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷的扩展。

因此，针对桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求及RFID的测试优点，本发明采用RFID、GPS、终端系统等构造一种桥墩冲刷监测系统，解决了复杂水环境下桥墩冲刷全过程演化动态监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷全过程演化的动态监测并对桥墩安全预警，不影响交通，并具有操作简单、性能稳定等突出优点。