倪 飛，房世龍，丁 兵

(1.江蘇航運職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程學院,江蘇 南通 226010；2.長江科學院 河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

隨著交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，跨水域橋梁等涉水工程開始大量興建，而且數(shù)量越來越多，體量也越來越大[1-3]。橋梁的出現(xiàn)使得原本正常流動的河道水流受到干擾，受干擾的水流會形成復雜的旋渦體系和高強度的水體紊動，進而使得橋梁水下基礎周圍形成三維尺度較大的局部沖刷坑，威脅著橋梁的正常運營和過往船舶的通航安全[4-6]。為此，國內外許多學者一直致力于橋墩局部沖刷問題研究，研究歷史大致可追溯至200余年前[7-10]。近年來，隨三維瞬時流場水力參數(shù)測量裝備的進步，現(xiàn)代流體量測分析技術水平的提升，對橋墩周圍流場特性的刻畫越趨細致，對橋墩局部沖刷機理的揭示逐漸清晰[11-14]。但是，局部沖刷坑三維空間尺度的增長是水沙相互影響作用的結果，也是隨時間的逐漸發(fā)展而變化的復雜動態(tài)過程[15-17]。由于當前適用于模型試驗中橋墩周圍局部沖刷全區(qū)域地形瞬時獲取的測繪裝備較少，使得關于橋墩局部沖刷發(fā)展動態(tài)過程中沖刷地形發(fā)展與水流結構變化之間相互影響規(guī)律的研究還不夠系統(tǒng)和全面，沖刷發(fā)展過程中墩前向下水流、墩周馬蹄形旋渦和墩后尾流旋渦的形成、發(fā)展和相互間的影響變化規(guī)律的模型驗證試驗研究還不夠深入，橋墩局部沖刷機理也還需更進一步深入揭示[18-20]?；谏鲜隹紤]，本文研制了一種模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線自動繪制裝備，并利用室內水工模型試驗優(yōu)化了各組成的性能指標，量化了繪制裝備的設計參數(shù)，分析了監(jiān)測系統(tǒng)的模型應用測繪精度及工程原型適用性。

2 繪制裝備和操作方法

2.1 繪制裝備

以給局部沖刷發(fā)展影響流場特性模型試驗研究提供水下地形快速測繪裝備為出發(fā)點，以按放大比尺制作成型后能夠應用于涉水建筑物周圍水下地形實時監(jiān)測為終極目標，并在力求克服現(xiàn)有技術的使用局限和適用范圍的前提下，本文研制了一種創(chuàng)新型、智能化的模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線自動繪制裝備，如圖1所示。該繪制裝備研制的原理是，利用小體積單波束超聲換能器的精準水下測距功能，遠程操控機電傳動組合裝置帶動超聲換能器往復掃描局部沖刷坑側壁目標點，實現(xiàn)對沖刷發(fā)展動態(tài)過程中模型橋墩周圍任一瞬時三維沖淤地形數(shù)據(jù)的快速獲取，并通過數(shù)據(jù)無線傳輸裝置，將獲取的地形數(shù)據(jù)實時傳送到遠程終端軟件平臺。

圖1 模型橋墩局部沖刷地形繪制試驗整體布置Fig.1 Overall layout of the terrain mapping experiment for local scour of model bridge pier

繪制裝備系統(tǒng)組成結構見圖2。由圖2可知，該繪制裝備主要由內置圓筒、單波束微型超聲換能器、防水密封同心軸承、外置圓筒、圓筒蓋板、剛性軸、帶座軸承、聯(lián)軸器、步進電機、電機無線遠程控制器、數(shù)據(jù)無線傳輸裝置和剛性支撐架等部件組成。在具體實施時，在內置圓筒側壁上沿軸線方向等間距開圓形孔，孔洞大小略大于單波束微型超聲換能器的直徑，各孔洞之間的間距根據(jù)工程監(jiān)測中實際所需要的實測地形精度和等值線密度來綜合分析確定，防水密封同心軸承分別安裝固定于內置圓筒的兩端，然后將內置圓筒兩端的同心軸承固定于外置圓筒內側，將單波束微型超聲換能器分別安裝在內置圓筒側壁開設的每一個孔洞中，特別定制的單波束微型超聲換能器聲透鏡表面為圓弧面，圓弧曲率半徑與外置圓筒的內徑相同，調整單波束微型超聲換能器位置，令其聲透鏡表面貼緊在外置圓筒內側壁面后固定，內置圓筒和外置圓筒的兩端均用圓筒蓋板封堵，內置圓筒靠近自由水面一端的圓筒蓋板上安裝固定一個剛性軸，外置圓筒同一端的圓筒蓋板上對應位置處開設圓孔并安裝一帶座軸承，剛性軸穿過帶座軸承后通過聯(lián)軸器與步進電機相連，步進電機通過機座固定在外置圓筒的圓筒蓋板外側，整個繪制裝備通過剛性支架固定在橋梁水下基礎自由水面以上的側壁上。

圖2 繪制裝備系統(tǒng)組成結構Fig.2 Structure of the mapping equipment system

2.2 操作方法

利用繪制裝備自動繪制模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線時，PC端步進電機無線控制程序遠程發(fā)出指令給步進電機驅動模塊，遠程操控步進電機帶動內置圓筒轉動，固定于內置圓筒側壁孔洞中的單波束微型超聲換能器以標定頻率不斷向外發(fā)射超聲波，隨后超聲波會在水中傳播，當超聲波遇到?jīng)_刷坑內側壁時會發(fā)生反射，反射波被超聲換能器接收，兩個反射信號之間的時差與超聲波水中速度的乘積，即是超聲換能器聲透鏡表面與沖刷坑內側壁面之間的距離，數(shù)據(jù)存儲傳輸模塊再將超聲換能器掃描采集到的局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)無線傳輸至PC端地形數(shù)據(jù)處理軟件平臺，為了剔除外置圓筒、挾沙水流及沖刷坑邊壁對超聲反射波產(chǎn)生的影響，超聲換能器制造廠商對這些因素進行了綜合分析，并利用PC端地形數(shù)據(jù)處理軟件對超聲實測數(shù)據(jù)進行修正，確保高精度地形數(shù)據(jù)的獲取。繪制裝備遠程操控模式如圖3所示。

圖3 繪制裝備遠程操控模式Fig.3 Remote control mode of the equipment

模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)獲取過程中，操控步進電機帶動內置圓筒轉動，在此過程中超聲換能器會同時掃描周圍地形，當內置圓筒轉過的角度達到設定的極限轉動角度時，即完成了第一次掃描，然后令步進電機向相反方向回轉，即能夠開始第二次掃描。由于模型橋墩周圍的局部沖刷地形是一個隨時間逐漸演進的三維動態(tài)過程，所以經(jīng)過如此往復不停地掃描，任一瞬時的局部沖刷地形數(shù)據(jù)均能被有效獲取，直至地形數(shù)據(jù)在1 h內變化<5 mm時，視為模型橋墩周圍局部沖刷達到極限和穩(wěn)定狀態(tài)，隨后可停止監(jiān)測工作，即完成了此次模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)的完整采集和地形等值線的自動繪制。

模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線自動繪制過程中，要建立三維空間直角坐標系，如圖1所示。當數(shù)據(jù)存儲傳輸模塊將局部沖刷瞬時的地形數(shù)據(jù)無線傳輸給PC端后，PC端地形數(shù)據(jù)處理軟件平臺可將步進電機轉動過程中的若干個步進角和超聲換能器獲取的換能器表面與床沙表面之間的距離，轉化為模型橋墩周圍局部沖刷地形的三維位置坐標點數(shù)據(jù)，并將所采集到的三維位置坐標點數(shù)據(jù)繪制成三維地形等值線。具體操作過程中，沖刷地形繪制裝備預埋在模型橋墩側面，步進電機位于自由水面以上，內置圓筒的軸線在鉛直方向上，三維直角坐標系的坐標原點被設置在內置圓筒軸線與原始河床面相交的位置處，x軸為垂直于內置圓筒軸線并與模型橋墩承臺側壁平行或相切的水平方向，y軸為垂直于內置圓筒軸線并背離模型橋墩的方向，z軸與內置圓筒的軸線重合，地形沖淤變化動態(tài)過程中模型橋墩周圍不同位置處的x軸、y軸和z軸方向的坐標數(shù)據(jù)點為(X,Y,Z)，可以根據(jù)步進電機轉動的步進角度、超聲換能器獲取的換能器聲透鏡表面與床沙面之間距離等參數(shù)按式(1)進行計算：

式中:L為換能器聲透鏡表面與床沙面之間距離；n為步進電機轉動步進角個數(shù)；Δθ為步進電機轉動步進角度；Z0為距離坐標原點最近的超聲換能器的對稱軸線的鉛直方向坐標值；m為遠離坐標原點的第幾個換能器；ΔZ是超聲換能器間距值；N為自然數(shù)。

如上所述，步進電機每轉動一個角度，被安裝固定在內置圓筒側壁孔洞內的超聲換能器就會實時獲取橋梁水下基礎周圍的動態(tài)三維地形坐標數(shù)據(jù)點(X，Y，Z)為(Lcos(nΔθ)，Lsin(nΔθ)，Z0+(m-1)ΔZ)。

3 模型試驗

為了標定模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線自動繪制裝備的測繪精度和優(yōu)化系統(tǒng)各組成部件的性能，開展了一組室內水工模型試驗研究。試驗是在一個矩形斷面變坡自循環(huán)水槽中開展的，試驗所用水槽的長度為1 400 cm，寬度為100 cm，深為120 cm。水槽入口和尾門處分別設置了消能防浪的硬塑料假底，兩假底之間填充均勻無黏性模型沙，模型沙中值粒徑為0.53 mm，密度為2.65 g/cm3，不均勻系數(shù)為1.20，鋪設厚度為50.0 cm，并與假底頂面平齊。水槽入口口門下游800 cm處固定一圓柱體模型橋墩，模型橋墩直徑為20.0 cm。試驗開展過程中模型橋墩前的行近流速為29.3 cm/s，行近水深為24.0 cm，模型沙的起動流速為30.8 cm/s，試驗水槽布置如圖4所示。

圖4 試驗水槽布置Fig.4 Layout of experiment flume

試驗采用的地形測繪裝備內置圓筒內徑為20 mm，外徑為30 mm，同心軸承內徑為30 mm，外徑為50 mm，外置圓筒內徑為50 mm，外徑為54 mm，單波束微型超聲換能器探頭直徑為10 mm，長度為15 mm，間距為5 cm。在試驗開始之前將繪制裝備預埋在模型橋墩側面，三維坐標軸的坐標原點位于原始河床面處，離步進電機最近的超聲換能器探頭軸心距離原始河床面5 cm，測繪裝備實物布置如圖5所示。繪制裝備與橋墩之間的相對比尺會對橋墩周圍的局部沖刷地形有一定的影響，為確定此影響而開展的標定性試驗研究發(fā)現(xiàn)，當橋墩直徑與設備外置圓筒外徑之比約為1∶4，或者小于該比值時，相對比尺對局部沖刷地形的影響很小，可以忽略不計。

圖5 繪制裝備布置實物Fig.5 Photo of the mapping equipment

試驗水槽布置完成后，即可以啟動水泵開始模型橋墩的局部沖刷試驗，也可利用繪制裝備獲取局部沖刷過程中任一瞬時的三維地形等值線。為了對比研究繪制裝備的測繪精度，試驗過程中選取2個典型時刻，一個是沖刷歷時為30 min，另一個是沖刷達到極限狀態(tài)，進行沖刷坑地形的人工測量。當模型橋墩局部沖刷歷時達到30 min時，關閉流量控制閥門、水槽尾門和供水水泵后停止試驗。待水槽中模型沙內所含水分瀝干后，利用地形測針測量模型橋墩周圍的地形，并詳細繪制沖刷坑的沖深等值線圖。然后再次啟動供水水泵，緩慢打開流量控制閥門，在水槽內水位達到模型試驗的設計水位時，控制水槽尾門開度調節(jié)水槽內水流的流速，直至設定工況條件達到后繼續(xù)開始模型橋墩局部沖刷試驗，當模型橋墩周圍的沖刷深度值在1 h之內的變化<2 mm時，認為沖刷達到了極限沖刷狀態(tài)[13]，此時停止試驗，然后利用地形測針詳細繪制沖刷坑的沖深等值線圖。

4 試驗結果分析

圖6為模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線圖，圖中曲線為繪制裝備自動獲取的局部沖刷連續(xù)地形等值線(單位為cm)。

圖6 模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線Fig.6 Contours of instantaneous topographic data of local scour of model bridge pier

試驗開展過程中，根據(jù)單波束微型超聲換能器的采樣頻率設定了步進電機的轉速[14]，使得繪制裝備完成一個測回所用的時間最少為30 s，完全滿足試驗中局部沖刷發(fā)展動態(tài)過程中瞬時地形繪制的要求。圖6(a)中所示的沖刷歷時為30 min時的模型橋墩局部沖刷地形等值線圖，是從繪制裝備的眾多測回中隨機抽取的，這表明繪制裝備具有捕捉瞬時地形數(shù)據(jù)并繪制成地形等值線圖的能力。圖6(b)是局部沖刷達到極限狀態(tài)時(沖刷歷時約20 h)的沖刷地形等值線圖，由圖6(b)可以看出，在模型試驗所設定的工況下，模型橋墩周圍最大沖刷坑深度可達2.12倍橋墩直徑，最大沖刷范圍可達2.46倍橋墩直徑，這基本與Chiew等[21]在以往研究中所得到的結論一致。對比圖6(a)和6(b)中模型橋墩周圍的局部沖刷等值線圖可以看出，試驗開始之后，模型橋墩周圍的局部沖刷發(fā)展得很快，在不到3%的沖刷歷時內，沖刷坑最大深度達到了70%，這證明了橋墩局部沖刷造成橋梁水毀的突然性，也進一步表明橋墩局部沖刷瞬時地形跟蹤繪制的必要性。

為了對比本文研制的繪制裝備進行模型橋墩局部沖刷地形等值線繪制的精度，利用地形測針人工測繪了6組測針地形數(shù)據(jù)，6組測針地形數(shù)據(jù)分別從模型橋墩水平投影的圓心分別沿與水流方向成0°、45°、90°、135°、180°角度方向的直線上由地形測針測得。對比圖6兩種不同方式獲取的地形等值線數(shù)據(jù)可知，與地形測針數(shù)據(jù)相比，繪制裝備獲取的地形數(shù)據(jù)大部分偏大，在測距距離越遠的位置處，繪制裝備獲取的大部分地形數(shù)據(jù)的誤差越大，但2種數(shù)據(jù)總體上能夠保持一致，最大偏差<0.6 cm，平均誤差幾乎均能夠控制在±1%以內，說明繪制裝備可以用于室內水工模型試驗中瞬時局部沖刷地形等值線的測繪。

5 結 論

模型橋墩局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)等值線自動繪制裝備構造簡單，制作成本較低，能夠實時獲取局部沖刷瞬時地形數(shù)據(jù)，并自動繪制成地形等值線圖，測繪效率較高，30 s內即能夠完成一個測回，測量精度較好，平均測繪精度可達99%以上，適合于橋墩局部沖刷發(fā)展動態(tài)過程中沖刷地形發(fā)展和水流結構變化之間相互影響的室內模型試驗的瞬時局部沖刷地形測繪。此外，后期通過繪制裝備各結構參數(shù)的優(yōu)化和量化設計，可應用于現(xiàn)場原型橋墩周圍局部沖刷地形獲取及繪制。