桥梁冲刷的超声监测技术.pdf

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1、 硕士学位论文硕士学位论文 桥梁冲刷的超声监测技术 BRIDGE SCOUR MONITORING USING ULTRA- SONIC SENSING TECHNOLOGY 吴吴 彪彪 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 2011 年年 9 月月 国内图书分类号：U447 学校代码： 10213 国际图书分类号：624 密级： 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 桥梁冲刷的超声监测技术 硕 士 研 究 生 ：吴彪 导师 ：李惠 教授 申请学位 ：工学硕士 学科 ：防灾减灾与防护工程 所在单位 ：土木工程学院 答辩日期 ：2011 年 9 月 授予学位单位 ：哈尔滨工业大学 Classifie

2、d Index：U447 U.D.C：624 Dissertation for the Master Degree in Engineering BRIDGE SCOUR MONITORING USING ULTRA- SONIC SENSING TECHNOLOGY Candidate: Wu Biao Supervisor: Prof. Li Hui Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Disaster Mitigation and Protection Engineering Affiliation:

3、 School of Civil Engineering Date of Defence: September, 2011 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘 要 冲刷是水流对河床的冲蚀淘刷过程， 是组成河床的泥沙颗粒被水流冲走， 致使河底高程降低或河岸后退的过程。 冲刷是导致桥梁水毁的一个重要原因， 世界各国每年都有许多桥梁因洪水的冲刷而毁坏。冲刷深度是冲刷影响桥梁 安全的最重要因素，冲刷深度的监测对于桥梁的安全至关重要。目前已有桥 梁冲刷的监测方法在实施过程与监测效

4、果都存在着很多不足之处。针对桥梁 冲刷的特点和已有方法存在的不足，本文设计了基于超声感应原理的桥梁冲刷监 测系统，并通过冲刷模型试验对该系统进行了实验性研究，主要研究内容如下： 利用超声波的一些有利特性，设计了基于超声感应原理的冲刷监测系统。超 声波拥有良好的传播性能，具有非常好的方向性，可以在声阻抗不同的两种介质 的界面上发生反射。本系统将超声探头置于护筒内部并上下移动，探头发射的超 声波在冲刷深度范围内可以在冲刷坑壁处反射，从而确定冲刷坑壁的位置。通过 波形可以判断冲刷深度所在位置，通过探头移动距离即可得到冲刷深度。 通过冲刷模型实验，对该系统进行了测试。实验通过水循环系统对桥墩 模型周围

5、的模拟河床的冲刷来建立桥墩的冲刷模型，在桥墩模型受冲刷过程 中，应用本监测系统对某一时刻的冲刷深度进行测量；在实验的最后阶段还 模拟了河床的沉积过程并应用本系统对这一过程进行了监测。通过实验可以 证明，本系统具有对桥梁冲刷进行实时监测的能力，并且可以通过监测数据 得到监测面上冲刷坑的轮廓形态。 分析了冲刷导致桥梁破坏的四种典型的破坏模式，对冲刷给桥梁带来的 危害性进行了详细的分析，并给出了各类破坏类型对应的临界条件。针对桥 梁冲刷介绍了两种类型的防护方法及其特点，同时提供了桥梁冲刷防护方法 的选择方法，对于桥梁的冲刷的安全性评估与防护具有指导意义。 关键词：桥梁冲刷；超声；监测；冲刷防护 哈尔

6、滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract Scour is the process of the erosion of foundation materials below bridge piers and abutments during floods and rapid river flow, resulting in lower elevation river or change of river course. It is one of the major causes of bridge failures. Each year many bridges failed due

7、 to scouring during flood. Scour is one of the major causes of bridge failures. Scour depth is the most critical factor for bridge safety against scour, the mon- itoring of scour depth is essential. Up to now there have been many ways to monitor the scour depth at bridge piers, yet many shortcomings

8、 abound still. In order to overcome the shortcomings in existing methods, a bridge scour monitoring system based on the principle of ultrasonic sensing is developed and tested through experiments simulating the scouring process around bridge pier. The main research contents are as follows. The monit

9、oring system is designed using ultrasonic sensing technology based on the favorable characteristics ultrasonic sound. Ultrasound has a good transmitting per- formance with very good direction and can be reflected at the interface of two media with different acoustic impedance. The system works by pl

10、acing the ultrasonic probe in a tube which enables the probe to move upward and downward. The ultrasonic pulse will be reflected at the water-sediment boundary. When ultrasonic probe is within the depth of the scour, there is a reflected signal. The point the scour depth has reach can be determined

11、from the waveform and the depth of scour can obtained by measuring the displacement of the transducer. The monitoring system is tested trough experiments simulating the scouring process around bridge pier. The scour process is simulated by making water plowing pass the pier model and monitored using

12、 the proposed system. Later the deposition process is simulated and monitored, too. The experimental study has showed that the proposed system can monitor the scour process at real time. The contour of the scour hole can be obtained using experimental data. Four typical failure modes of bridge failu

13、re caused by scour are analyzed. Their ultimate state conditions are also given. Then two types of bridge scour protection me- thods and their characteristics are introduced. Finally a brief principle of choosing a bridge scour protection method is provided which may be instructive for safety access

14、- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III ment and protection of bridge structures against scour. Keywords: bridge scour, ultrasonic, monitoring, protection against scouring 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目 录 摘 要 . I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景与研究的目的 . 1 1.1.1 课题背景 1 1.1.2 研究的必要性 2 1.2 国内外桥梁冲刷监测研究现状及分析 . 3 1.2.1 国内桥梁冲刷的研究现状 3

15、1.2.2 国外桥梁冲刷监测研究状况 5 1.3 本文的主要研究内容 . 7 第 2 章 桥梁的冲刷与超声监测方法的设计 9 2.1 桥梁的冲刷 . 9 2.1.1 一般冲刷 9 2.1.2 束缩冲刷 10 2.1.3 局部冲刷 11 2.2 超声波原理和性质 . 12 2.2.1 振动与波动 . 12 2.2.2 纵波超声波的基本特征参数 . 13 2.2.3 超声波在界面处的反射与透射 . 14 2.3 超声波在冲刷监测领域中的应用前景 . 15 2.3.1 目前用于冲刷监测的超声（声纳）技术 . 16 2.3.2 本系统的超声监测方法 . 17 2.4 本章小结 . 19 第 3 章 基

16、于超声原理的冲刷监测实验研究 20 3.1 冲刷监测实验设计 . 20 3.1.1 桥梁冲刷监测的参量研究 20 3.1.2 基于超声感应原理的冲刷监测系统的实验设计 24 3.2 超声感应原理的验证性研究 . 27 3.3 基于超声原理的冲刷监测实验 . 32 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V 3.3.1 冲刷监测实验系统的设计 . 32 3.3.2 冲刷的实时监测 . 35 3.3.3 冲刷监测实验的数据分析 . 36 3.4 本章小结 . 43 第 4 章 桥梁冲刷的安全性与防护 44 4.1 冲刷导致桥梁破坏的类型 . 44 4.1.1 桥墩倾覆破坏 . 44 4.1.2 基底破坏引

17、发桥墩失稳 . 45 4.1.3 桥墩沉降位移过大 . 47 4.1.4 墩顶水平位移过大 . 48 4.2 桥梁冲刷的预防与保护 . 49 4.2.1 合理选择桥位与桥孔及附属构造物 . 49 4.2.2 设置河床抗冲刷保护层 . 50 4.2.3 影响桥墩周边水流法 . 50 4.3 本章小结 . 52 结 论 53 参考文献 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 59 致 谢 60 学位论文出版授权书 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪论 1.1 课题背景与研究的目的 1.1.1 课题背景 冲刷是导致桥梁水毁的一个重要原因，世界各国每年都有许多桥梁因洪

18、水的冲刷而毁坏。据数据统计，在美国有 484546 座桥是跨越水域的，约占所 有桥梁总数量的 86%，这些桥梁中大多数都经受着洪水及河床的冲刷。1991 年，Shirhole 和 Holt1对美国已经毁坏的 823 座桥梁的破坏原因进行分析， 得到以下结果，见表 1-1。 表 1-1 美国桥梁冲刷原因分析 破坏原因 所占比例 破坏原因 所占比例 洪水冲刷 60% 结构材料退化 4% 撞击破坏 13% 各种自然因素作用 3% 超载破坏 10% 火灾 3% 多种原因综合作用5% 地震 2% 结果显示，约有 60%桥梁毁于洪水的冲刷，而由撞击和超载造成的破坏 分别只占到了 13%和 10%的比例1。

19、由此可见，在美国，由冲刷导致的桥梁 破坏比例远远超出其他破坏因素。 在新西兰，也有类似的研究报告分析指出，在 108 例桥梁毁坏的事故中， 由冲刷导致破坏的比例高达 74%2。上述统计结果表明，洪水冲刷是导致桥 梁破坏的主要原因。 我国幅员辽阔，河流众多。随着我国经济的发展，为适应经济发展的需 要，发展便利的交通也是时代所，跨越江河甚至海洋的桥梁如雨后春笋般被 建设起来。同时，我国又是一个易受洪水灾害的国家，每年都有相当数量的 洪水灾害发生，长江流域和黄河流域的洪水灾害尤为明显。此外，我国现有 大量的老旧桥梁仍在使用中，它们抵御洪水的能力相对较弱，具有很大的安 全隐患，在洪水期间更易遭受破坏。

20、2010 年 8 月 19 日 9 时 20 分左右，四川 省崇州市怀远镇场镇老定江桥发生垮塌，100 多米的桥体陷入河水中，并造 成多人伤亡。该桥始建于上世纪 60 年代，全长 200 多米，造成此次大桥垮塌 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 的原因是连日暴雨，山洪不断冲刷，造成桥基悬空桥面垮塌（图 1-1） 。同一 天下午 15 时 20 分，宝成铁路线跨石亭江大桥(四川德阳广汉市小汉境内)两 个桥墩三孔被冲毁，从西安开往昆明的 K165 次列车两节车厢在四川广汉市 境内掉进石亭江，被洪水冲出 200 米远，所幸没有人员伤亡（图 1-2） 。调查 结果表明，两座桥梁毁坏均是造成此次大桥垮

21、塌的原因是连日暴雨，山洪不 断冲刷，造成桥基悬空桥面垮塌。 图 1-1 崇州市怀远镇场镇老定江桥因洪水冲刷发生垮塌 图 1-2 宝成铁路线跨石亭江大桥两个桥墩三孔被冲毁 1.1.2 研究的必要性 我国是一个自然灾害多发的国家，尤其是洪水以及滑坡、塌方、泥石流 等自然灾害频频发生。在我国青藏高原地区、浙闽山区、云贵地区、长江和 黄河流域，洪水灾害每年都会发生，洪水导致的水毁事故也是时有发生。这 些地区多为山区，降水偏多。在山岭地区，山高谷深，坡陡流急，地形复杂， 地质构造多变，导致这些地区的河流变迁性较强，意味着位于这些河流上的 桥梁在洪水发生时更加容易发生危险。 此外，由于我国有不少地区还比较

22、落后，很多桥梁修建后缺乏有效的管 理和维护，经过长期的使用和冲刷作用，桥梁的健康状况已不容乐观，一旦 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 有洪水来袭，这些桥梁将变得非常脆弱，发生破坏的概率大大提高。 桥梁的冲刷对桥梁的危害性非常大，由冲刷导致桥梁毁坏事故的发生具 有突发性，在事故发生时不会有明显的预兆，没有告知人们桥梁结构处于危 险状况的征兆，因此冲刷事故一旦发生，人们往往没有时间进行反应，结果 常常会带来严重的人员和财产的损失。此外，桥梁作为跨越水域障碍的交通 设施，在社会经济发展和人们生产生活方面起着不可替代的作用，一旦毁坏， 不仅直接损失巨大，而且维修和重建都费时费力，这对当地的发展也会

23、带来 巨大的冲击。 综上所述，桥梁冲刷对桥梁安全性的威胁非常大，后果也非常严重。再 加上我国洪水灾害频发、地区发展不均的特殊国情，我国有相当多的桥梁正 处于不安全状态，桥梁冲刷的监测需要引起足够的重视。因此，桥梁冲刷监 测的研究是非常必要的，开发一种可靠、经济、实用的冲刷监测方法有着非 常重要的意义。 1.2 国内外桥梁冲刷监测研究现状及分析 1.2.1 国内桥梁冲刷的研究现状 桥梁冲刷对于我们这样一个河流众多、洪水频发的国家，显得尤为迫切。 我国每年因为洪水冲刷带来的桥梁事故都有很多，尤其在洪灾多发的年份。 然而，我国对桥梁冲刷问题的研究还不够全面，也没有得到足够的重视。虽 然我国桥梁事故频

24、发，但到现在为止，我国还没有对桥梁冲刷问题进行过系 统化的数据统计和分析，对桥梁冲刷监测手段的研究还非常少。 对于冲刷监测的研究，目前发现仅有几种监测方法，这些方法都是超声 方法的具体应用，基本原理大致相同。在 1989 年，李晓华、蒋冰等人3将超 声应用到桥梁的冲刷监测中。它们利用 CS 型超声装置来测量桥渡的冲刷， 采用定点或移动方式测量桥墩附近的冲刷深度及河床断面，监视河床变化趋 势，对冲刷境界标高进行预报。CS 型超声桥渡冲刷探测装置的原理是基于超 声波对河床底部的反射，通过测量超声波传播时间计算出探头距离河床底部 的距离。当探头自水面以下向河床发射超声波时，超声波遇到河床，会在河 床

25、底部发生反射，测得发射波和接收波之间的时间差 T，将 T 与超声波的传 播速度相乘（这里超声波在水中速度取为 1500m/s） ，就得到了水深 H。这种 方法在钱塘江 2 号桥的施工中桥址水下地形测量和南京长江大桥河床冲淤断 面测量得到了应用。2005 年，周丰年、赵建虎4利用多波束探测系统对苏通 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 大桥主塔墩基础的冲刷进行了监测。该方法也是基于超声方法，结合流速剖 面仪和 GPS 定位系统， 采用移动式测量方法， 对水流和河床的变化进行监测。 该方法较前一方法的明显优势是采用了声速剖面仪来测定声波在特定水环境 中的传播速度，使得测量更为精确。多波束的采用使得

26、该方法有更大的覆盖 宽度，适用于大区域河床的测量。但是该系统构造复杂，需要安装在船上进 行测量，因此成本较高，操作难度较高，而且不能做到实时监测，使得该方 法有很大的局限性。这种方法被应用于水下抛投防护材料的监测，尚没有在 桥墩部位的冲刷监测的应用。2010 年，任亮亮、罗超云5利用 SSH 型超声探 测仪对河床深度进行测量，采用流速仪对水流状态进行测量，分析水流流动 与冲刷之间的关系。该方法原理同前述方法类似，在嘉绍跨江大桥钱塘江强 潮水域的冲刷监测。这些方法都无一例外的通过监测河床深度的变化来实现 监测冲刷的效果，冲刷的最大值往往发生在洪水高水位时期，通过监测河床 深度的方法在洪水期间显然

27、是不实用的。然而这些监测手段都是基于超声探 测原理，显示了超声探测在桥梁冲刷监测中的巨大潜力。 尽管我国在对冲刷监测方法的研究很少，但在数值模拟和水力计算方面 的研究却很多。目前不少文献都是关于数值模拟和计算。首先，在公路工 程水文勘测设计规范中给出了冲刷深度的计算公式6。然而在计算冲刷深 度时，很多参量需要经测量得到，测量的精确度（如流速的不均匀性）会影 响计算结果；还有一些参量的选取难免会有人为性，而且河流断面形式有不 尽一致且受河床形态的影响，导致计算的结果精度不高。在实际应用时，规 范不能反映水流状况（如水力、泥沙等）对冲刷的影响。在应用规范公式计 算黄河桥渡冲刷时，发现了一些问题。卜

28、海涛、杨娜等人7针对这些问题提 出了输沙平衡原理对规范公式进行修正，以适应黄河流域特殊的河流特征。 高幼华、何勇等人将黄河桥渡冲刷公式应用到洞庭湖区河流中，并且应用规 范公式进行计算作为对比，发现前者考虑了河流的实际情况计算得到的结果 要优于规范给出的公式。以上研究表明，规范公式在考虑河流实际情况等方 面还存在着不少缺点，有必要对这些问题进行深入的研究和改进。数值模拟 方面，詹义正、王军8等人通过“绕流挤压流动模型”对冲刷过程进行了模 拟计算，将计算结果和已有的经验公式和半经验公式的计算结果进行对比， 两者结果接近；惠晓晓、董耀华等人9将桥墩冲刷深度的计算公式分为“根 据来流信息计算冲刷深度”

29、 、 “经验法” 、 “解析法或半经验法”三大类，对各 类方法的适用条件和特点进行了分析和比较；李奇、王义刚等人10总结分析 了前人提出的冲刷计算公式，并且对考虑潮流作用下的双向流时桥墩的冲刷 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 计算给出了一些介绍展望；胡旭跃、孟庆峰等人11采用 3 层 BP 神经网络和 模糊神经网络的方法来预测冲刷深度，并与公式计算结果和实验实测值进行 对照，有一定的可行性和有效性。还有不少学者在进行冲刷的实验研究，其 主要目的还是要建立经验或半经验的计算公式，与冲刷监测方法的研究没有 太多联系，因此不在此赘述。 目前，我国对桥梁冲刷的研究主要集中在数值模拟和水力计算上，这

30、在 一定程度上获得了冲刷的一些信息，并且在实际工程中得到一定的应用。这 些工作大都是半理论性的研究，很多都是在理论分析和计算过程中引入不同 程度的简化和假定，这样得到的结果尚有一定程度的偏差。此外，人们对冲 刷机理的研究还不够彻底，加上冲刷问题涉及非常复杂的水流形态和环境条 件，理论分析和计算得到的结果往往和实际情况有较大出入。不可否认，桥 梁的冲刷是一个极为复杂的自然现象，其中涉及复杂的流场、复杂的河床界 面、复杂的桥梁形式，要通过理论分析来对冲刷现象进行解释几乎是一项不 可能完成的任务；而通过有限元模拟也很难将实际的工况如实的考虑到模型 中去，加上有限元模拟对于边界条件、网格处理等都有很大

31、的依赖性，要想 得到尽可能真是的结果非常不容易，因此通过数值模拟来研究冲刷并不是一 条非常有效的捷径。尽管如此，数值模拟对于人们研究冲刷现象仍然是必要 的，因为在没有可靠的研究方法可利用时，通过数值模拟可以为人们探索冲 刷这一充满挑战的领域提供宝贵的参考。 总的来说，我国在冲刷监测技术方面进展缓慢，相反在计算和模拟方面 有更多的研究和投入。采用创新的分析方法计算桥梁冲刷也有一定的发展前 景。但鉴于冲刷过程的复杂性和环境因素的多边形，通过监测方法获得冲刷 信息无疑是更加可取的。 1.2.2 国外桥梁冲刷监测研究状况 国外有很多学者在进行桥梁冲刷监测方面的工作。从这方面的论文发表 情况来看，欧美国

32、家尤其是我国台湾地区对桥梁冲刷监测是非常重视的。目 前已经开发出来的冲刷监测方法有很多， 其中不乏先进的技术和创新的设计。 国外目前已经开发出来的冲刷监测技术有： 1、声纳。声纳原理类似于超声波原理。声纳设备易于安装，技术成熟。 用声纳技术可以比较准确的测得河床深度，并且可以提供沉积物以下的河床 信息。根据选择的声纳频率，可以得到高精度的测量结果（可精确至 0.1m） 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 Fernando De Falco 等人12利用声纳技术进行冲刷监测，他们得到的监测结果 与理论公式计算的结果相比有一定的偏差，但是已经具有实用价值。在使用 声纳技术监测冲刷的过程中暴露了

33、这种方法的一些缺陷，比如声纳结果通常 掺杂着噪声，有时候会因为多次反射或来自桥墩等部位的侧面反射等因素， 使得监测结果难以解读。声纳设备一般比较昂贵，且需要由专业人员进行操 作，在一定程度上影响了它的应用。 2、金属滑块装置。通过将金属块套在固定的杆上，金属块可以沿着杆向 下滑动。由于滑块始终和河床底部接触，随着河床的降低，金属块也跟着降 低，而金属块的位置可以通过电磁感应装置测得，通过测量滑块的位置测量 冲刷已经到达的深度。这种装置原理简单，准确可靠。但是由于它只能向下 运动，一次监测之后，装置需要重新安装。这种装置已经多次被应用到实际 桥梁上进行冲刷监测。 3、探地雷达。这种方法原理与声纳

34、方法相似，不同的是雷达发射的事电 磁脉冲。这种方法是将将雷达天线置于目标之上或在靠近目标的位置向目标 发射一个发散的宽频电磁脉冲，接收天线放置在发射天线旁边，发射天线发 射信号时，到达两种具有不同电学特性的介质的交界面处，部分信号会被反 射回去并被接收天线接收13。通过检测信号传播时间，再乘以信号传播速度 就可得到测量深度。但是由于雷达脉冲的发散性和多次反射的复杂性，通过 雷达测得的信号含有很多的噪音信号，接收天线受到的信号常常具有复杂的 形式，信号分析和评价也会比较困难。由于信号强度的衰减，只适用于水深 不超过 9m，这种方法也不适用于咸水环境14。探地雷达监测方法通常只能 在水流稳定的条件

35、下使用，因此不能用于洪水期间的冲刷监测，意味着不能 进行实时监测。 4、基于时域反射计的方法15。时域反射计方法通过产生一个电磁脉冲， 并将其耦合到一根波导线中，当脉冲沿着波导线向下传播，遇到介质的不连 续点，一部分脉冲就会被反射回发射源，另一部分会继续向前传播直至下一 不连续点或到达波导线的尽头。知道传播时间和传播速度，就可以计算出测 量的距离。这种方法依赖于水和河床的介质不连续点，因此方法的适用性与 河床的材质有很大关系。信号在导线和探头中传播时存在衰减，脉冲信号的 衰减与探头周围介质的电导率密切相关，使得这种方法的使用受到限制，并 且只能在淡水环境下使用。 5、光纤光栅传感器。光纤光栅传

36、感器通过光线中光束波长的变化来测量 应变和温度。当光纤光栅传感器受到作用力时，测得的波长会发生变化；而 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 当传感器不受力或受不变的力时，波长值会保持不变。通过一定方法可以消 除温度对光纤光栅传感器波长读数的影响。正是通过这个原理将光纤光栅传 感器应用到冲刷监测中的。台湾学者 Yung Bin Lin 等人16,17已经通过实验室 模拟和现场实测将光纤光栅传感器技术应用的冲刷监测中来，得到了比较满 意的监测结果，但是这种方法受到光纤光栅性能的限制，一次布置的传感器 数量不可能太多，而传感器布置的间距影响着监测的空间分辨率，当水深较 深时，这种方法的空间分辨率将大

37、大降低。相信随着光纤光栅传感器技术的 不断创新和发展，其在冲刷监测方面仍有很大的应用和改进潜力。 还有其他一些技术手段也在实际中得到了应用，比如压电传感器、浮标 法、微机电传感器等，这些技术由于其本身的一些特点（压电传感器太脆弱， 浮标法一次监测之后需要重新安放浮标）而不能很好的用来监测冲刷，这里 不再一一赘述。 国外通过理论分析和数值模拟的方法来获得冲刷深度的方法也有很多。 冲刷领域绝大多数的计算公式都是由国外学者总结提出的，比较著名的如 Breuser 等人18考虑河床材质及其剪切强度，结合流体特性推导出计算冲刷 深度的理论公式，被众多学者们采纳；Kothyari 等人19考虑河床材质的不

38、均 匀性、 水流的不稳定性等问题， 也推导出了计算冲刷深度的理论公式； Wen-Yi Chang 等人20通过分析大量的实验，考虑多种影响因素，获得了计算冲刷深 度的方法。通过数值方法计算冲刷深度的方法也有很多，比如通过贝叶斯神 经网络方法预测冲刷深度21、通过模糊神经网络估计冲刷深度22等。应用多 学科的知识进行冲刷预测，对于冲刷监测也有着重要的指导作用。 由此可见，桥梁的冲刷现象在国外已经得到了足够的重视，无论是冲刷 的计算、监测，还是冲刷的实验、模拟研究，国外学者都远远走在了国内学 者的前面。他们取得的丰硕的研究成果，为我们继续深入研究冲刷现象打下 了良好的基础。我们需要真正认识到冲刷现

39、象的危害性，加快脚步在这一领 域创造出更好的监测方法和计算方法。 1.3 本文的主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： 1、对桥梁周边存在的冲刷类型比较详细的介绍，对于各类冲刷的机理做 进一步的探讨，加深对冲刷的理解；对超声波应用于桥梁冲刷监测的特点进 行分析和挖掘， 充分发挥超声波的特点，设计更加有效的超声冲刷监测方法。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 2、研究这种方法在冲刷监测中的实施方法和操作过程。利用水槽建立河 床的冲刷模型，搭建监测平台，对冲刷进行实时监测，测试这种方法的有效 性和应用潜力，并期待通过这种方法能够得到冲刷坑的相关形态信息，便于 桥梁的受力分析和安全性评定。 3、

40、介绍冲刷对桥梁安全的危害性和评价方法。对于目前存在桥梁冲刷的 安全防护措施进行分析，为桥梁的冲刷防护提供更合理建议。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 第2章 桥梁的冲刷与超声监测方法的设计 2.1 桥梁的冲刷 冲刷是水流对河床的冲蚀淘刷过程， 是组成河床的泥沙颗粒被水流冲走， 致使河底高程降低或河岸后退的过程。凡水流的挟沙能力大于上游的来沙量 时，河床都发生冲刷。国际上一般将冲刷分为三类 23，分别是一般冲刷 （General scour） ，束缩冲刷（Contraction scour）和局部冲刷（Local scour） ， 而我国常见的分类为：一般冲刷和局部冲刷24,25（讲前述收缩

41、冲刷和局部冲 刷并为一类） 。两种分类方法都各有侧重，本文将参照前种分类方法对各类冲 刷的概念和特点加以介绍。 2.1.1 一般冲刷 河流中的水流总是在不停地运动和变化，河床表面的泥沙会因为水流的 运动而运动，当河床上部泥沙被流水冲起带走时，就形成了河床的变化，即 为一般冲刷。这种冲刷是由于河床因自然水流的变化引起，与桥梁的存在与 否无关，可以认为这种冲刷是河床的自然变化14。这种冲刷的趋势是在一定 水流状态下，河床输沙量的平衡。然而由于水流状态是不会保持恒定的，所 以一般冲刷是时时刻刻存在的。其大致过程可以描述为：由于水流运动带动 河床上部的泥沙运动导致河床变形，变形后的河床又反作用于水流，

42、引起水 流的变化，变化的水流又作用于河床。一般冲刷是水流和河床的一个相互作 用的过程，其结果是河床床位的不断变化，从而影响位于水流中桥墩，引起 桥墩受力的变化。 一般冲刷的一个典型的例子就是在弯曲河流中河道随时间的变化。如图 2-1 所示，在河流弯曲区域，河流两侧的流速分布不同，高流速区域，河床 泥沙会被流水冲起带走随水流一起向前运动，在流速较低的区域，这部分泥 沙又会沉积下来。高流速区域泥沙因冲蚀被带走，低流速区水流中的泥沙会 沉淀下来。这个过程的长期作用下，河道将会变化。著名的亚马逊流域河道 的弯曲变迁（图 2-2）就是因为长期的自然作用的结果。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 图

43、2-1 弯曲河道的一般冲刷示意图 图 2-2 亚马逊河的弯曲河道是一般冲刷长期作用的结果 2.1.2 束缩冲刷 束缩冲刷是指由于河道中水工结构物的存在或因为其它因素导致河道横 断面束缩，截面过水面积减小，从而使流速增加而造成河道束缩区局部性的 冲刷1424。在桥孔部位，因为过水断面的减小，上游水流加速地进入桥孔。 水流经过桥孔后，桥孔下游水流由因为过水面增大而逐渐扩散，逐渐恢复到 到天然状态。急剧通过桥孔的水流，冲走桥孔部位河床的泥沙，从而桥孔附 近河床的冲刷，称为束缩冲刷。束缩冲刷的示意图如图 2-3 所示。 图 2-3 束缩冲刷示意图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 2.1.3 局部

44、冲刷 由于桥墩的存在，绕过桥墩的水流会在桥墩周围产生漩涡脱落，使得水 流具有高紊动和高流速特性，这种水流会将桥墩周围的泥沙冲走，形成的局 部冲刷坑。这种冲刷称为局部冲刷。 局部冲刷中，水流经过桥墩的过程可以简化成一个圆柱绕流问题。圆柱 绕流问题是流体力学中一个很经典的问题。根据之前学者的研究，当水流经 过圆柱形桥墩时，会有几种具有典型特征的部分 26：表面旋涡（surface vortex） 、下降流（downflow） 、马蹄形旋涡（horseshoe vortex）和尾流旋涡 （wake vortex） ， 其示意图如图 2-4 所示。 图 2-4 局部冲刷示意图 当水流经桥墩时，因桥墩的

45、存在，流畅会发生改变，在桥墩迎水面处因 为桥墩的阻碍作用产生停滞线，水流的动能转换为压能，从而会在桥墩迎水 面的水流表面处形成涌波，其后随着水流改变方向而形成小型的环状漩涡， 这些围漩涡围绕桥墩至桥墩下游， 这些漩涡就是的表面涡流 （surface vortex） 。 当水流流至桥墩处时，因为受到桥墩的阻挡，在桥墩迎水面产生停滞点，水 流的动能转换成压能，在停滞点上承受最大压力。由于在垂直于水流方向上， 流速分布由水面向下递减，速度水头向下减少，压力水头向下递增，位置水 头向上增大，使桥墩停滞压由水面向下递减。这种压力梯度的存在，会在桥 墩上游迎水面形成一股向下流动的下降水流，即为下降流（do

46、wnflow） 。桥 墩前的下降流作用于河床时，会在桥墩附近形成墩前冲刷坑。同时，下降流、 河道水流和坑中水流相遇时，会在桥墩周围形成一个三维的螺旋涡流，称为 马蹄型旋涡（horseshoe vortex） 。水流绕过桥墩行进至桥墩后方时，在桥墩下 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 游方向的壁面处会发生分离而产生小型旋涡。在靠近底床的部位，这些旋涡 会与马蹄形旋涡相互作用，使水流尾流向下游传递时做横向与垂向的扰动。 桥墩下游方向的尾流漩涡是低压漩涡， 可将河床上部泥沙颗粒带往水面方向。 这些被带起的泥沙会因为水流逐渐的趋于稳定，并在桥墩下游位置处堆积。 以上三种类型的冲刷对结构物的影响程度

47、不同。一般冲刷随着水流强度 的增加而增加，意味着在洪水期间的高水位阶段，一般冲刷的影响较大；束 缩冲刷随着水流断面的束缩程度变化，取决于河道与结构物的形式；局部冲 刷对于结构物受力状态影响最大，因为局部冲刷量占据了总冲刷量的 75%以 上27。 2.2 超声波原理和性质 人们日常能听到的声音，是由于各种声源的振动通过空气等弹性介质传 播到耳膜引起的耳膜振动，触动听觉神经产生听觉。但是只有当声源振动频 率在一定范围内时才会引起听觉。人们能听见的频率范围为 2020000Hz 之 间，这种能引起听觉的机械波称为声波，频率低于 20Hz 的机械波称为次声 波，频率高于 20000Hz 的机械波称为超

48、声波。正是由于超声波具有一些非常 好的特性，使得它能在越来越多的领域得到应用，用于桥梁的冲刷监测是超 声波的优秀特性的进一步开发和应用。 2.2.1 振动与波动 物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机 械运动。 振动在介质中的传播过程称为波动。 波动分为机械波和电磁波两类， 机械波特指机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波就是一种机械波。 根据波动传播时的介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可 以将波分为纵波、横波、表面波和板波等。介质中质点的振动方向与波的传 播方向相互平行的波称为纵波。纵波在传播过程中会拉伸和压缩介质，固体 介质能承受拉伸和压缩应力，液体和气

49、体在承受拉压而产生的容积变化，因 此纵波可以在固体、液体和气体介质中传播。介质中质点的振动方向与波的 传播方向相互垂直的波称为横波。横波在波的传播过程会使介质质点承受交 变的剪切应力，由于只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能 承受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中 传播。当介质表面受到交变应力作用时产生沿介质表面传播的波称为表面 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 波。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动。椭圆运动可视为 纵向运动与横向振动的合成， 即纵波与横波的合成， 因此表面波同横波一样， 只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。 超声波、次声波和声波的实质都是机械波，它们在同一介质中的传播速 度相同。纵波、横波和表面波在同一介质中的传播速度不同。超声波可以是 横波、也可以是纵波。在应用超声波时，根据目的和应用范围，选择合适类 型的超声波，保证“需”与“求”的一致。 2.2.2 纵波超声波的基本特征参数 在使用超声波进行桥梁冲刷监测时，超声波需要在液体介质中传播。由 于只有纵波型超声波可以在固体、液体、气体介质中传播，