群桩基础周围局部冲刷地形瞬时绘制系统研制

倪 飞，陈 红，罗云峰，朱 庆，王浩丞

(1. 江苏航运职业技术学院 船舶与海洋工程学院 江苏 南通 226010； 2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京210098； 3. 南通市江海测绘院有限公司 江苏 南通 226010)

0 引 言

局部冲刷一直是桥墩失稳和水毁的重要原因，也时刻威胁着桥梁的正常使用和航道的安全运营[1-2]。桥梁水下基础周围的局部冲刷，不仅会产生剧烈的三维水沙运动，造成严重的局部河床变形，也是一个随时间逐渐演变发展的动态过程[3-4]。研究桥梁水下基础局部冲刷的发展特性，有助于后期对于三维旋涡体系随局部冲刷发展变化规律的细致探索，也有助于对局部冲刷机理的深入揭示，还能为任一洪水事件中局部冲刷防护工程的实施和维护确定最佳时机，具有非常重要的现实意义[5-6]。当前，全世界范围内桥梁所采用的水下基础几乎均为群桩基础，群桩基础是由一系列混凝土单桩，按照一定规律排列组合而成，既能够允许水流穿越而具有透水性，又能够通过减小过流断面而具有一定的阻水能力，这使得群桩基础周围的局部冲刷发展过程更为特殊而复杂[7-8]。由于常规的河工模型试验中三维地形量测装备测量精度和分辨率几乎达不到要求，也还不能够获取局部冲刷动态过程中任一瞬时的地形数据，致使目前还几乎没有对桥梁群桩基础周围局部冲刷发展特性进行过细致的探索和研究[8-10]。基于上述考虑，笔者研制了一种河工模型试验中涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，量化了实时测绘系统的各项设计参数，并据此研究了群桩基础周围局部冲刷随时间的动态发展变化特性。

1 瞬时地形测绘系统

1.1 瞬时地形测绘系统研制

通过综合分析国内外文献发现，随着超声波测绘技术、激光测距技术、光学成像技术及图像后处理技术等的快速发展，目前国内外可用于河工模型三维水下地形量测技术装备和方法有很多。电阻式地形仪[11-12]、激光扫描式地形仪[13]、光电反射式地形仪[14-15]、跟踪地形仪[16]、超声测距地形仪[17-18]及近景摄影地形仪[19-20]等仪器均有过实际应用，但模型试验中涉水结构物周围三维水下地形瞬时绘制的装备及方法较少，致使还几乎没有对桥梁群桩基础周围局部冲刷发展特性进行过细致的研究[9-10]。为此，笔者研制了一种河工模型试验中涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统及操作方法。

河工模型试验中涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统主要由承重平台、测绘平台、测绘装置、自动控制及数据传输装置构成，如图1。

图1 河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统结构Fig. 1 Structure diagram of real-time mapping system of scouring andsilting terrain around wading structures of river engineering model

承重平台是一种对拉结构，包括两根矩形空心型钢、螺栓和螺母。在每根矩形空心型钢上打圆形通孔，螺栓杆的外径略小于通孔孔径，安装时将螺栓穿过矩形空心型钢上相对应的通孔，用螺母拧紧固定于涉水结构物周围边壁上，其所在位置要高于自由水面，如图2。

图2 承重平台结构Fig. 2 Structure diagram of load-bearing platform

测绘平台由若干圆形截面空心钢管和空心弯管组成。空心钢管和空心弯管两端均为螺纹丝扣，每两根空心钢管之间通过连接螺母相连。空心钢管与空心弯管之间也通过连接螺母相连，空心弯管的弯曲角度要依据实际需要的转向角度来确定。空心钢管与空心弯管依次连接组成测绘平台，并安装于承重平台之上。在空心钢管水平外侧面等间距开设圆形螺丝孔，测绘装置可通过圆形螺丝孔安装在测绘平台之上，如图3。

图3 测绘平台结构Fig. 3 Structure diagram of mapping platform

测绘装置为不锈钢管，在不锈钢管侧壁开设贯通状矩形槽孔。靠近不锈钢管两端管头的适当位置处，分别内衬安装一个同心轴承。同心轴承上安装固定一丝杆。丝杆在靠近两个同心轴承处分别设置限位开关。不锈钢管一端用圆形封堵盖板封闭。封堵盖板中心处开设圆孔，封堵盖板上安装一台小型步进电机。步进电机转动轴可穿过封堵盖板上的圆孔，再通过联轴器与丝杆相连。丝杆上安装有一个丝杆套，丝杆套与圆管状滑块一端相连。圆管状滑块直径略小于贯通状矩形槽孔宽度，圆管状滑块另一端与超声换能器保护圆壳相连。微型单波束超声换能器固定于保护圆壳内。不锈钢管的另一端设有螺纹丝扣，可拧接在测绘平台中各圆形截面空心钢管水平外侧面等间距开设的圆形螺丝孔中，如图4。

图4 测绘装置结构Fig. 4 Structure diagram of mapping device

自动控制装置包括线缆、电机自动控制模块、串口模块、GPRS模块和终端计算机。线缆一端与步进电机相连，另一端与电机自动控制模块相连，电机自动控制模块再通过串口模块与GPRS模块连接，然后GPRS模块通过无线数据网络与终端计算机通讯，终端计算机能够发出指令，令步进电机按设定步进角度带动丝杆转动，丝杆上的丝杆套按一定速度带动单波束微型超声换能器移动，进而实现对三维水下地形的扫描。数据传输装置由数据线、数据采集存储模块、串口模块、GPRS模块、终端计算机和软件平台构成。数据线一端与单波束微型超声换能器相连，另一端与数据存储模块相连，数据存储模块与数据传输模块相连，数据传输模块再通过串口模块与GPRS模块相连。GPRS模块能够利用无线网络与远程计算机交互，将单波束微型超声换能器采集到的三维地形数据传输至软件平台。软件平台可绘制出三维地形。

1.2 瞬时地形测绘系统工作原理及方法

终端计算机中的步进电机无线控制程序通过232串口模块和GPRS模块发出指令给电机驱动模块。布设于各测绘断面处的测绘装置内的步进电机(图4)按照设定的步进角度带动丝杆转动。转动的丝杆会带动丝杆套以一定的速度沿着丝杆滑动。与丝杆套连接的圆管状滑块带动单波束微型超声换能器从靠近群桩基础的初始位置处向着远离群桩基础的方向扫描测绘断面的局部冲刷地形。扫描获取的局部冲刷瞬时地形数据存储在数据存储模块中，然后再通过数据传输模块和GPRS模块将局部冲刷瞬时地形数据无线传输给终端计算机，瞬时测绘工作原理如图5。

瞬时地形测绘能否实现，主要取决于单波束微型超声换能器的工作频率。由于室内试验要求测绘精度达到毫米级，所以超声换能器发射声波波长应控制在1 mm以内。取淡水中超声波声速为1.45 km/s时，通过计算可得单波束微型超声换能器的声波最小频率为1.45 MHz，再配备30 MHz的高速采集卡和VC++结合MALTAB语言混合编程而成的数据后处理软件，能够实现群桩桥墩模型周围各典型测绘断面上局部冲刷地形的瞬时测绘[21]。

图5 瞬时测绘工作原理Fig. 5 Working principle of instantaneous mapping

为了进一步阐述河工模型试验中涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的特点及效果，结合图1～图5对水下地形瞬时绘制的具体实施步骤进行论述。

河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘开始之前，将承重平台通过对拉螺栓和螺母固定在涉水结构物周围，依据涉水结构物平面形状组装测绘平台，并将其安装于承重平台之上，测绘装置通过螺纹丝扣安装在测绘平台外侧。然后，操作终端计算机发出指令，让每个测绘装置的步进电机带动丝杆转动，丝杆套会沿着丝杆滑动，使得所有单波束微型超声换能器复位到贴近涉水结构物外侧面处。建立河工模型的试验工况，标定单波束微型超声换能器声透镜表面至模型原始床沙面的距离，按测绘精度需求选取超声换能器移动速度，设定步进电机转动角速度。

河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘开始之后，操作终端计算机发出指令，让步进电机正转，超声换能器向远离涉水结构物方向运动，并将采集到的冲刷地形数据无限传输给终端计算机，当超声换能器到达远端处的限位开关，完成一次地形扫描。令步进电机反转，带动超声换能器向靠近涉水结构物方向运动，并将采集到的冲刷地形数据无限传输给终端计算机，当到达近端处的限位开关后，完成又一次扫描。不断重复上述步骤，直至河工模型试验结束，绘制系统完成了涉水结构物周围动态冲淤地形的全过程绘制。

2 河工模型试验设计

为了研究群桩基础周围局部冲刷随时间的动态发展变化特性，开展了一组室内河工模型试验，河工模型试验是在一条横断面为矩形的可变坡循环水槽中进行的。试验采用的自循环水槽总长度为14.0 m，水槽宽度为1.0 m，深度为1.2 m，如图6。水槽上游段和下游段的长度均为5.0 m，底部分别铺设了厚度为0.3 m的硬质聚氨酯泡沫塑料板，硬质聚氨酯泡沫塑料板上铺设了厚度为0.1 m的模型沙；水槽的中游段为试验段，是一个长度为4.0 m、宽度为1.0 m的矩形沙坑，沙坑内填充厚度为0.4 m的模型沙。试验采用无黏性天然石英沙为模型沙，模型沙的中值粒径为0.51 mm，不均匀系数为1.20，密度为2.65 g/cm3。试验选用由6根直径为2.0 cm圆柱形有机玻璃管单桩组成的模型来模拟桥梁的高承台水下群桩基础。组成群桩基础的圆柱形有机玻璃管单桩呈矩形排列，长度L=20.0 cm，宽度B=10.0 cm。相邻两个圆柱形有机玻璃管单桩轴线间的距离Δl均为10.0 cm。群桩顶部设置了一个长方体承台，群桩承台的长度为24.0 cm，宽度为13.0 cm，厚度为2.0 cm。承台底面位于自由水面以上，其上部为桥梁桥墩。模型试验研究过程中，设定群桩基础迎水面上游行进流速为28.5 cm/s，试验水深为19.5 cm，模型沙起动流速为29.4 cm/s。模型试验利用1.1节所述的冲淤地形实时测绘系统获取群桩基础周围任一瞬时的三维冲淤地形数据，冲淤地形实时测绘系统的实际布置形式如图6(a)。由于模型试验过程中的水流方向始终与群桩基础纵向轴线保持一致，所以冲淤地形等值线几乎与群桩基础纵向轴线对称，故测绘系统中的测绘装置布置在虚线的4个测绘方位上，如图6(b)，即能够满足群桩基础周围局部冲刷过程的全区域测绘精度要求。根据以往相关研究成果可知[22]，群桩基础周围局部冲刷范围通常约为群桩基础宽度的2.0倍，故测绘装置两端处的限位开关间距设定为25 cm，即测绘装置能够绘制群桩承台外沿以外约2.5倍群桩基础宽度范围内的局部冲刷地形。

图6 试验水槽布置Fig. 6 Layout of the test flume

试验水槽及冲淤地形实时测绘系统布置完成之后，要标定超声换能器声透镜表面至水槽床沙面之间的距离，然后减去冲淤过程中超声换能器量测得到的数值，即为群桩基础周围冲淤地形的实际数据。建立三维空间直角坐标系，坐标系的坐标原点O位于群桩承台平面形心在水槽内原始床上面的投影处，顺水流向为X轴方向，铅直方向为Z轴方向，水平面内垂直流向的方向为Y轴方向，如图6。启动供水水泵，调节流量控制阀门的开度，利用超声波多普勒流量计控制供水流量，运用水槽尾水门调节水槽内水位至试验工况水位。在建立起模型试验的水流条件之后，利用冲淤地形实时测绘系统获取局部冲刷动态过程中任一瞬时三维地形数据。当群桩基础周围的极限冲刷深度在1 h内变化小于2 mm时，认为冲刷达到了极限冲刷状态，此时停止模型试验。为了通过对比来研究冲淤地形实时测绘系统的量测精度，选取群桩基础周围动态局部冲刷过程中的一个典型时刻，即冲刷到达极限状态时，然后利用地形测针对群桩基础周围三维地形进行人工量测。

3 试验结果分析

3.1 群桩基础周围局部冲刷发展特性

图7、图8分别为群桩基础上、下游纵向铅直对称面内局部冲刷地形随时间的发展变化情况。图中X轴方向坐标利用群桩基础宽度B进行无量纲化，Z轴方向坐标利用群桩基础周围出现的极限冲刷深度Hsmax进行无量纲化。河工模型试验中总冲刷历时t=840 min，此时群桩基础周围的极限冲刷深度值变化小于每小时2 mm时，局部冲刷基本达到了极限状态，极限冲刷深度Hsmax=17.6 cm。

图7 群桩基础上游冲淤变化过程Fig. 7 Change process of scouring and silting in the upstream ofpile group foundation

图8 群桩基础下游冲淤变化过程Fig. 8 Change process of scouring and silting in the downstream ofpile group foundation

由图7可以看出，随着冲刷历时的增加，群桩基础上游各位置处的局部冲刷深度也逐渐增加。在冲刷过程的初始时刻，群桩基础周围局部冲刷深度增加的幅度比较大，发展变化的速度也比较快，冲刷历时仅为7.1%的冲刷总历时时，局部冲刷的深度就已经达到了最大冲刷深度的55.6%。然而，在整个局部冲刷过程的后半程，随着冲刷历时的增加，局部冲刷深度的增幅变缓，直至最后趋于稳定状态。局部冲刷达到稳定状态时，群桩基础上游的最大冲刷深度约为0.9Hsmax，最大冲刷范围约为1.9B，这与A. A. BEHESHTI[22]的研究结果基本一致。由图8可知，群桩基础下游各位置处的局部冲刷深度均会随着冲刷历时的增加而增大。冲刷深度的增幅在冲刷初始时刻较大，之后会随着冲刷历时的增加而逐渐减小，直至趋于极限冲刷状态。冲刷开始之后较短的时段内(约为整个冲刷历时的14.3%)，由于局部冲刷的迅速发展，群桩基础周围局部冲刷坑内冲起并流失的泥沙体量较大，附近水流还没有发展到能够将大体量泥沙带往下游的强度，故在群桩基础尾部冲刷坑的下游边缘处，形成尺度较大的沙丘。随着冲刷的持续发展，水流强度也逐渐增大，沙丘会在水流作用下缓慢下移，尺度逐渐减小，直至最后形成一条条带状沙垅。局部冲刷达到平衡状态后，群桩基础下游最大冲刷深度约为0.66Hsmax，最大冲刷范围约为1.2B。对比图7中群桩基础上游和图8中群桩基础下游的冲刷历程，可以看出，局部冲刷开始后，群桩基础上游局部冲刷发展比下游要快，冲刷深度和范围亦比下游大，这主要是因为群桩基础周围三维旋涡体系中的向下水流首先在迎水面处形成，而后冲刷才向群桩基础侧面和下游发展，故群桩基础上游河床在向下水流作用下率先出现冲刷。

图9和图10分别为群桩基础左侧前方(x=-8 cm)和左侧后方(x=8 cm)沿Y轴方向的局部冲刷地形随时间的发展变化情况。图中Y轴方向坐标利用群桩基础宽度B进行无量纲化，Z轴方向坐标利用群桩基础周围出现的极限冲刷深度Hsmax进行无量纲化。河工模型试验中总的冲刷历时t=840 min，极限冲刷深度Hsmax=17.6 cm。

图9 群桩基础左侧前方冲淤变化过程Fig. 9 Change process of scouring and silting on the left front ofpile group foundation

图10 群桩基础左侧后方冲淤变化过程Fig. 10 Change process of scouring and silting behind the left side ofpile group foundation

由图9可以看出，随着冲刷历时的增加，群桩基础左侧前方(x=-8 cm)各位置处的局部冲刷深度增大，而冲刷深度的增幅则逐渐减小。局部冲刷达到稳定状态时，出现了极限冲刷深度Hsmax，位置大约在群桩基础左侧前方(x=8 cm)靠近群桩基础处，最大冲刷范围约为1.9B。由图10可知，群桩基础左侧后方(x=8 cm)各位置处的局部冲刷深度随冲刷历时增加而增大，冲刷深度的增幅则随着冲刷历时的增加而逐渐减小。局部冲刷达到稳定状态时，最大冲刷深度为0.74Hsmax，最大冲刷范围约为2.2B。对比图9中群桩基础左侧前方和图10中群桩基础左侧后方的冲刷历程可知，局部冲刷发展过程中，群桩基础侧面出现局部冲刷坑后，冲刷坑会沿着群桩基础侧壁同时向上、下游发展，冲刷向上游发展较快，向下游发展较慢，这是由马蹄形旋涡的发展趋势和作用强度导致的；冲刷达到极限状态后，群桩基础周围的极限冲刷深度值出现在群桩基础外侧靠近迎水面处。

3.2 冲淤地形实时测绘系统量测精度

群桩基础局部冲刷发展特性模型试验研究表明：与现有技术相比，冲淤地形实时测绘系统结构简单轻便，安装维护方便易行，制造及应用成本较低，测量精度及灵敏度较高，可依据涉水结构物实际情况任意调节自身形状尺寸和安装固定位置，适用于任何形状尺寸的河工模型涉水结构物在任意方位上的冲淤地形测绘，可真正实现全方位无盲区地形测绘；冲淤地形实时测绘系统的测绘方法流程简单，操作方便，可进行远程操控，实现测绘数据的无线获取；冲淤地形实时测绘系统测绘效率较高，除微型超声换能器单点入水外，整个测绘系统均位于自由水面以上，真正实现了全程无接触测量，极大减小了测量过程中对水流结构和水下地形的扰动破坏，也能够快速获取任一瞬时全区域的三维水下地形数据，实现了河工模型涉水结构物附近河床冲淤发展全过程的动态实时测绘。

为了对比研究冲淤地形实时测绘系统的量测精度，选取了群桩基础周围动态局部冲刷过程中的一个典型时刻，即冲刷历时为t=840 min时冲刷到达极限状态时群桩基础周围的三维地形，然后利用地形测针进行了人工量测，测量结果如图7～图10。对比局部冲刷达到极限状态(冲刷历时为t=840 min)时群桩基础周围不同位置处的冲淤地形实时测绘系统数据和人工量测数据发现，在本研究河工模型试验所选定的工况条件下，冲淤地形实时测绘系统获取任一瞬时某一个测绘断面上的全部三维水下地形数据，用时约为0.67 min，而利用地形测针对同一个测绘断面上75个数据采集点进行人工量测，用时约为30 min，最大测量误差约为0.96 mm。由此可见，冲淤地形实时测绘系统不仅能够快速获取任一瞬时任一测绘断面上准确的三维水下地形数据，使得测绘效率极大提高，也能够对冲刷发展的全过程进行实时跟踪监测，具有较好的实际应用价值。

4 结 论

通过对涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的开发及对群桩桥墩模型周围局部冲刷随时间的动态发展变化特性的研究，得出以下结论：

1) 河工模型试验中涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统操作简单，能够快速获取任一瞬时的任一测绘断面上准确的三维水下地形数据，使得测绘效率极大提高，最大测量误差约为0.96 mm。

2) 利用该测绘系统进行群桩基础周围局部冲刷随时间的动态发展变化特性的研究，结果表明，局部冲刷开始以后，向下水流首先在群桩基础迎水面处形成，故群桩基础上游河床在向下水流的作用下率先出现冲刷，而后冲刷才向群桩基础侧面和下游发展，群桩基础上游局部冲刷发展比下游要快，冲刷深度和范围也比下游要大。

3)局部冲刷发展过程中，群桩基础侧面出现局部冲刷坑后，马蹄形旋涡具有同时向上游和下游发展的趋势，所以冲刷坑也会沿着群桩基础侧壁同时向上游和下游发展，而且冲刷向上游发展很快，向下游发展较慢；冲刷达到极限状态后，群桩基础周围的极限冲刷深度值出现在群桩基础外侧靠近迎水面处。

4) 所开发的测绘系统在群桩桥墩模型周围冲淤尺度较小和采用中粗砂的局部冲刷模型试验中的应用效果较好。笔者未考虑在变化工况条件下的超声换能器和驱动电机性能参数的选取及匹配，后期可通过测绘系统各结构参数的优化设计，将该系统应用于多工况下的河工模型试验和涉水建筑物原型周围局部冲刷地形获取及绘制。