一种河床冲刷深度实时监测系统及方法

1.本发明涉及测量仪器技术领域，特别是涉及一种河床冲刷深度实时监测系统及方法。


背景技术：

2.冲刷深度是指由于大流量和高流速水流对河床造成的侵蚀深度，一般在墩台与河床结合处会因局部冲刷形成较大的冲刷坑，会对墩台建筑物寿命造成较大损害。因此，在面对高速水流冲刷或洪涝灾害造成的短时间内的超高速冲刷时，对于河床的冲刷深度的实时监测有着重大的意义。而现目前国内外对于河床深度的监测主要采用人工监测方法，并采用声呐、雷达等仪器探测方法作为辅助。但上述方法都会耗费较长时间，在遭遇洪涝灾害等极端条件时，由于其方法的局限性，几乎无法进行有效的实时监控。并且，雷达、声呐等工程常用河床冲刷深度测量仪器，测精度不够，无法稳定使用，成本高，安装、调试和操作不易。
3.中国发明专利cn112082527b公开了一种河床冲刷深度实时监测系统，包括河床，河床及其两岸围成河道，河道上方具有固定结构，固定结构向下连接有若干红色的连接丝，各连接丝均沿竖向方向设置；连接丝采用碳纤维丝，各连接丝的下端均固定连接有浮球，浮球的密度小于等于0.2克/立方厘米；各浮球分别预埋在河床内的预定深度；各连接丝顶部分别连接有指示牌，指示牌用于指示相应浮球的预埋深度。本发明避免了重力探杆因阻挡水流而带来的偏差，也避免了声纳系统的高昂成本以及无法直接观察等缺陷。本发明利用浮力原理，实现在结果准确的同时能够使工作人员方便而直观地看到河床冲刷的变化情况，同时工作人员也可在显示屏上观察并随时查看记录的河床冲刷情况。该专利需要在河床中预埋多个不同深度的浮球，只要冲刷深度达到浮球所在的埋藏深度，浮球浮起，才能通过相应的深度指示牌得到冲刷深度，但是浮球与浮球之间是间隔设置的，当冲刷深度位于上一个浮球和下一个浮球之间，是无法得到此时的冲刷深度的，因此，该专利的冲刷深度测量实时性差，并且该专利需要摄像头来捕捉指示牌、浮球和连接丝的影像，但是浮球浮起后，其飘荡的方向是任意的，难以看清，并且当河床较宽时，摄像头捕捉的影像模糊，影响监测结果，另外摄像头也容易被遮挡，使用不方便。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种测量精度高、实时性强、稳定可靠的河床冲刷深度实施监测系统及方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种河床冲刷深度实时监测系统，包括桥墩、测量弦、激振装置和振动检测装置，所述桥墩的底端伸入河床中，使所述桥墩具有位于所述河床土层中的部分、位于水中的部分以及位于水面上的部分，所述测量弦的顶端与所述桥墩位于水中的部分固定连接，所述测量弦的底端伸入所述河床土层中并固定，使所述测量弦具有位于水中的部分以及位于河床土层中的部分，所述激振装置与所述测量弦位于水中的部分连接，所述激振装置用于产生激励以使所述测量弦发生振动，所述振动检测装置用于
检测所述测量弦的振动频率。
6.作为优选方案，所述振动检测装置包括振幅检测器和分析器，所述振幅检测器与所述分析器通信连接，所述振幅检测器连接在所述测量弦位于水中的部分上，所述振幅检测器用于检测所述测量弦的振幅，所述分析器用于根据所述振幅检测器检测到的所述测量弦的振幅随时间的变化计算所述测量弦的振动频率。
7.作为优选方案，所述振幅检测器为振动加速度传感器。
8.作为优选方案，所述分析器为频谱分析仪。
9.作为优选方案，所述激振装置包括壳体、电磁铁、衔铁和电源，所述电磁铁和电源安装于所述壳体内，所述电源与所述电磁铁电连接，所述衔铁安装在所述测量弦上。
10.作为优选方案，所述测量弦的底端与所述桥墩固定。
11.作为优选方案，所述测量弦的底端设有桩体，所述桩体用于插入河床土层。
12.本发明还提供一种河床冲刷深度实时监测方法，包括：将测量弦的两端固定，使测量弦具有位于河床土层中的部分以及位于水中的部分；通过激振装置使测量弦发生振动；检测测量弦振动的频率；根据测量弦的振动频率计算测量弦位于水中的长度；根据计算得到的测量弦位于水中部分的长度减去测量弦位于水中的长度初始值，得到河床冲刷深度。
13.作为优选方案，设河床冲刷深度为，测量弦位于水中的长度初始值为，测量弦位于水中部分的长度为，测量弦的振动频率为，则：其中，m为测量弦单位长度的质量，p为测量弦所受张力。
14.作为优选方案，检测测量弦的振幅，获得测量弦的振幅随时间的变化，通过频谱分析获得测量弦的振动频率。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过将测量弦的两端固定，使测量弦具有位于水中的部分和位于河床土层中的部分，当测量弦的两端固定，根据测量弦的材料、总长度、直径、弹性等，即可得到该测量弦的张力，在使用时，通过激振装置，使测量弦发生振动，此时，测量弦位于水中的部分振动，而测量弦位于河床土层中的部分不振动，采集测量弦此时的振动频率，根据弹性体的振动原理，测量弦此时的振动频率与其此时的有效振动长度有关，根据测量弦此时的振动频率可求测量弦此时的有效振动长度，即可求测量弦此时位于水中的部分的长度，用测量弦此时位于水中的部分的长度减去测量弦初始位于水中的长度值即可求得河床此时的冲刷深度。本发明求出的是此时确切的河床冲刷深度值，实时性强，并且不受电阻、温度等的影响，测量精度高，稳定可靠，成本低。
附图说明
16.图1是本发明实施例的河床冲刷深度实时监测系统的第一结构示意图。
17.图2是本发明实施例的河床冲刷深度实时监测系统的第二结构示意图。
18.图3是本发明实施例的河床冲刷深度实时监测方法的流程图。
19.图中，100-桥墩；200-测量弦；300-激振装置；310-壳体；320-电磁铁；330-衔铁；400-振动检测装置；410-振幅检测器；420-分析器；500-桩体。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.实施例一如图1和图2所示，本发明优选实施例的一种河床冲刷深度实时监测系统，包括桥墩100、测量弦200、激振装置300和振动检测装置400，桥墩100的底端伸入河床中，使桥墩100具有位于河床土层中的部分、位于水中的部分以及位于水面上的部分，测量弦200的顶端与桥墩100位于水中的部分固定连接，测量弦200的底端伸入河床土层中并固定，使测量弦200具有位于水中的部分以及位于河床土层中的部分，激振装置300与测量弦200位于水中的部分连接，激振装置300用于产生激励以使测量弦200发生振动，振动检测装置400用于检测测量弦200的振动频率。本实施例通过将测量弦200的两端固定，使测量弦200具有位于水中的部分和位于河床土层中的部分，当测量弦200的两端固定，根据测量弦200的材料、总长度、直径、弹性等，即可得到该测量弦200的张力，在使用时，通过激振装置300，使测量弦200发生振动，此时，测量弦200位于水中的部分振动，而测量弦200位于河床土层中的部分不振动，采集测量弦200此时的振动频率，根据弹性体的振动原理，测量弦200此时的振动频率与其此时的有效振动长度有关，根据测量弦200此时的振动频率可求测量弦200此时的有效振动长度，即可求测量弦200此时位于水中的部分的长度，用测量弦200此时位于水中的部分的长度减去测量弦200初始位于水中的长度值即可求得河床此时的冲刷深度。本实施例求出的是此时确切的河床冲刷深度值，实时性强，并且不受电阻、温度等的影响，测量精度高，稳定可靠，成本低。
24.本实施例的测量弦200为金属弦，测量弦200的表面具有防腐防锈涂层。
25.根据弹性体的振动原理，对同一根金属弦，其单位长度的质量m不变，所受张力p不变，当该弦振动时，振动频率可由以下式子求得，
；其中，为该弦的有效振动长度，即该弦发生振动的部分的长度。本实施例的测量弦200 的一部分位于水中、一部分位于河床土层中，由于河床土层的限制，测量弦200 位于河床土层中部分不振动，因此，测量弦200的有效振动长度为其位于水中的部分的长度。即通过激振装置300让测量弦200发生振动，通过检测测量弦200此时的振动频率，即可得到测量弦200此时位于水中的部分的长度，再通过测量弦200此时位于水中的部分的长度的变化，即可得到河床冲刷长度的变化。本实施例在监测系统安装好后，通过获得测量弦200刚安装时的振动频率来获得测量弦200初始位于水中的部分的长度。本实施例在将监测系统安装好后，得到测量弦200初始位于水中的部分的长度，采用激振装置300使测量弦200产生振动，通过振动检测装置400获得此时的测量弦200的振动频率，根据已获得的测量弦200初始位于水中的部分的长度和测量弦200的振动频率可求测量弦的张力。在对河床冲刷深度监测的过程中，测量弦200的张力在监测系统安装好后是不变的，测量弦200位于水中的部分的长度是变化的，因此，可根据测量弦200的振动频率的变化来求测量弦200位于水中的部分的长度。
26.本实施例是根据振弦原理进行测量的，测量精度高，结果稳定可靠，并且，构件材质廉价、成本低，可普遍应用。另外，本实施例的测量弦200顶端与桥墩100连接、底端固定在被测物河床土层上，稳定性强，可用于洪涝等极端条件。
27.可选地，测量弦200的底端可与桥墩100固定，如图1所示。或是，在测量弦200的底端设有桩体500，桩体500用于插入河床土层，如图2所示，进一步地，本实施例桩体500设有可沿其径向伸出的连接杆，测量弦200的底端固定在连接杆上，并且桩体500的侧面设有与其内部相通的缺口，缺口自桩体500的顶端延伸至连接杆处，将桩体500打在桥墩100附近，然后让连接杆从桩体500侧面伸出，带动测量弦200伸出，然后将测量弦200的顶端固定在桥墩100上，可适用于在建造时未安装本实施例的监测系统的桥墩100，并且，让测量弦200从桩体500伸出，可防止打桩时破坏了河床土层导致测量弦200不够固定。
28.实施例二本实施例与实施例一的区别在于，在实施例一的基础上，本实施例对振动检测装置400作进一步的说明。
29.在本实施例中，振动检测装置400包括振幅检测器410和分析器420，振幅检测器410与分析器420通信连接，振幅检测器410连接在测量弦200位于水中的部分上，振幅检测器410用于检测测量弦200的振幅，分析器420用于根据振幅检测器410检测到的测量弦200的振幅随时间的变化计算测量弦200的振动频率。测量弦200的振动频率无法直接测得，本实施例通过检测测量弦200的振幅随时间的变化得到测量弦200的振动周期，对振动周期求倒数即可得到测量弦200的振动频率。
30.在本实施例中，振幅检测器410为振动加速度传感器，分析器420为频谱分析仪，分析器420对频谱进行分析，分析器420接收振幅检测器410的信号，绘制测量弦200的振幅随时间的变化曲线，根据测量弦200的振幅随时间的变化曲线获得测量弦200的振动频率。在本实施例中，分析器420采用计算机（电脑），通过计算机上搭载的数据分析系统进行分析。
31.此外，本实施例的振动检测装置400还包括数据采集装置430，振幅检测器410通过
数据采集装置430与分析器420进行信息传输。
32.本实施例的其他结构与实施例一相同，此处不再赘述。
33.实施例三本实施例与实施例二的区别在于，在实施例三的基础上，本实施例对激振装置300作进一步的说明。
34.本实施例的激振装置300采用电磁式激振装置。在本实施例中，激振装置300包括壳体310、电磁铁320、衔铁330和电源，电磁铁320和电源安装于壳体310内，电源与电磁铁320电连接，衔铁330安装在测量弦200上。电源对电磁铁320通电，使电磁铁320具有磁性，产生磁长，衔铁330会被吸引，拉动测量弦200，随后，电源断电，电磁铁320失去磁性，衔铁330和测量弦200恢复，使测量弦200起振，然后，测量弦200发生自振，自振是指以自身固定的频率发生振动，通过测量弦200此时的自振频率可得到测量弦200此时位于水中的部分的长度。
35.可选地，本实施例的衔铁330为软铁块。此外，本实施例的壳体310安装在桥墩100上。
36.本实施例的其他结构与实施例二相同，此处不再赘述。
37.实施例四如图3所示，本实施例提供一种河床冲刷深度实时监测方法，包括：将测量弦200的两端固定，使测量弦200具有位于河床土层中的部分以及位于水中的部分；通过激振装置300使测量弦发生振动；检测测量弦200振动的频率；根据测量弦200的振动频率计算测量弦200位于水中的长度；根据计算得到的测量弦200位于水中部分的长度减去测量弦200位于水中的长度初始值，得到河床冲刷深度。
38.具体地，设河床冲刷深度为，测量弦200位于水中的长度初始值为，测量弦200位于水中部分的长度为，测量弦200的振动频率为，则：；其中，m为测量弦200单位长度的质量，p为测量弦200所受张力。
39.根据弹性体的振动原理，对同一根金属弦，其单位长度的质量m不变，所受张力p不变，当该弦振动时，振动频率可由以下式子求得，，其中，为该弦的有效振动长度，即该弦发生振动的部分的长度。本实施例的测量弦200的有效振动长度即为其位于水中的部分的长度。
40.对于测量弦200振动的频率，检测测量弦200的振幅，获得测量弦200的振幅随时间的变化，通过频谱分析获得测量弦200的振动频率。本实施例根据检测到测量弦200的振幅，绘制测量弦200的振幅随时间变化的曲线，获得测量弦200的振动周期t，根据振动周期t与
频率f的关系，可得f=1/t。
41.因此，本实施例测量测量弦200的振动频率，获得测量弦200此时位于水中部分的长度，再用此时测量弦200位于水中部分的长度减去初始测量弦200位于水中部分的长度，即可得到河床冲刷此时的冲刷深度。本实施例基于振弦原理，测量暴露在水中测量弦200的固有频率的变化量，实现对河床冲刷深度的实时测量，测量精度高，结果稳定可靠，实时性强。
42.综上，本发明实施例提供一种河床冲刷深度实时监测系统，其通过将测量弦200的两端固定，使测量弦200具有位于水中的部分和位于河床土层中的部分，当测量弦200的两端固定，根据测量弦200的材料、总长度、直径、弹性等，即可得到该测量弦200的张力，在使用时，通过激振装置300，使测量弦200发生振动，此时，测量弦200位于水中的部分振动，而测量弦200位于河床土层中的部分不振动，采集测量弦200此时的振动频率，根据弹性体的振动原理，测量弦200此时的振动频率与其此时的有效振动长度有关，根据测量弦200此时的振动频率可求测量弦200此时的有效振动长度，即可求测量弦200此时位于水中的部分的长度，用测量弦200此时位于水中的部分的长度减去测量弦200初始位于水中的长度值即可求得河床此时的冲刷深度。本实施例求出的是此时确切的河床冲刷深度值，实时性强，并且不受电阻、温度等的影响，测量精度高，稳定可靠，成本低。另外，本发明实施例还提供一种基于上述河床冲刷深度实时监测系统的监测方法。
43.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。