群樁基礎周圍局部沖刷地形瞬時繪制系統研制

倪 飛，陳 紅，羅云峰，朱 慶，王浩丞

(1. 江蘇航運職業技術學院 船舶與海洋工程學院 江蘇 南通 226010； 2. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京210098； 3. 南通市江海測繪院有限公司 江蘇 南通 226010)

0 引 言

局部沖刷一直是橋墩失穩和水毀的重要原因，也時刻威脅著橋梁的正常使用和航道的安全運營[1-2]。橋梁水下基礎周圍的局部沖刷，不僅會產生劇烈的三維水沙運動，造成嚴重的局部河床變形，也是一個隨時間逐漸演變發展的動態過程[3-4]。研究橋梁水下基礎局部沖刷的發展特性，有助于后期對于三維旋渦體系隨局部沖刷發展變化規律的細致探索，也有助于對局部沖刷機理的深入揭示，還能為任一洪水事件中局部沖刷防護工程的實施和維護確定最佳時機，具有非常重要的現實意義[5-6]。當前，全世界范圍內橋梁所采用的水下基礎幾乎均為群樁基礎，群樁基礎是由一系列混凝土單樁，按照一定規律排列組合而成，既能夠允許水流穿越而具有透水性，又能夠通過減小過流斷面而具有一定的阻水能力，這使得群樁基礎周圍的局部沖刷發展過程更為特殊而復雜[7-8]。由于常規的河工模型試驗中三維地形量測裝備測量精度和分辨率幾乎達不到要求，也還不能夠獲取局部沖刷動態過程中任一瞬時的地形數據，致使目前還幾乎沒有對橋梁群樁基礎周圍局部沖刷發展特性進行過細致的探索和研究[8-10]?；谏鲜隹紤]，筆者研制了一種河工模型試驗中涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統，量化了實時測繪系統的各項設計參數，并據此研究了群樁基礎周圍局部沖刷隨時間的動態發展變化特性。

1 瞬時地形測繪系統

1.1 瞬時地形測繪系統研制

通過綜合分析國內外文獻發現，隨著超聲波測繪技術、激光測距技術、光學成像技術及圖像后處理技術等的快速發展，目前國內外可用于河工模型三維水下地形量測技術裝備和方法有很多。電阻式地形儀[11-12]、激光掃描式地形儀[13]、光電反射式地形儀[14-15]、跟蹤地形儀[16]、超聲測距地形儀[17-18]及近景攝影地形儀[19-20]等儀器均有過實際應用，但模型試驗中涉水結構物周圍三維水下地形瞬時繪制的裝備及方法較少，致使還幾乎沒有對橋梁群樁基礎周圍局部沖刷發展特性進行過細致的研究[9-10]。為此，筆者研制了一種河工模型試驗中涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統及操作方法。

河工模型試驗中涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統主要由承重平臺、測繪平臺、測繪裝置、自動控制及數據傳輸裝置構成，如圖1。

圖1 河工模型涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統結構Fig. 1 Structure diagram of real-time mapping system of scouring andsilting terrain around wading structures of river engineering model

承重平臺是一種對拉結構，包括兩根矩形空心型鋼、螺栓和螺母。在每根矩形空心型鋼上打圓形通孔，螺栓桿的外徑略小于通孔孔徑，安裝時將螺栓穿過矩形空心型鋼上相對應的通孔，用螺母擰緊固定于涉水結構物周圍邊壁上，其所在位置要高于自由水面，如圖2。

圖2 承重平臺結構Fig. 2 Structure diagram of load-bearing platform

測繪平臺由若干圓形截面空心鋼管和空心彎管組成?？招匿摴芎涂招膹澒軆啥司鶠槁菁y絲扣，每兩根空心鋼管之間通過連接螺母相連?？招匿摴芘c空心彎管之間也通過連接螺母相連，空心彎管的彎曲角度要依據實際需要的轉向角度來確定?？招匿摴芘c空心彎管依次連接組成測繪平臺，并安裝于承重平臺之上。在空心鋼管水平外側面等間距開設圓形螺絲孔，測繪裝置可通過圓形螺絲孔安裝在測繪平臺之上，如圖3。

圖3 測繪平臺結構Fig. 3 Structure diagram of mapping platform

測繪裝置為不銹鋼管，在不銹鋼管側壁開設貫通狀矩形槽孔?？拷讳P鋼管兩端管頭的適當位置處，分別內襯安裝一個同心軸承。同心軸承上安裝固定一絲桿。絲桿在靠近兩個同心軸承處分別設置限位開關。不銹鋼管一端用圓形封堵蓋板封閉。封堵蓋板中心處開設圓孔，封堵蓋板上安裝一臺小型步進電機。步進電機轉動軸可穿過封堵蓋板上的圓孔，再通過聯軸器與絲桿相連。絲桿上安裝有一個絲桿套，絲桿套與圓管狀滑塊一端相連。圓管狀滑塊直徑略小于貫通狀矩形槽孔寬度，圓管狀滑塊另一端與超聲換能器保護圓殼相連。微型單波束超聲換能器固定于保護圓殼內。不銹鋼管的另一端設有螺紋絲扣，可擰接在測繪平臺中各圓形截面空心鋼管水平外側面等間距開設的圓形螺絲孔中，如圖4。

圖4 測繪裝置結構Fig. 4 Structure diagram of mapping device

自動控制裝置包括線纜、電機自動控制模塊、串口模塊、GPRS模塊和終端計算機。線纜一端與步進電機相連，另一端與電機自動控制模塊相連，電機自動控制模塊再通過串口模塊與GPRS模塊連接，然后GPRS模塊通過無線數據網絡與終端計算機通訊，終端計算機能夠發出指令，令步進電機按設定步進角度帶動絲桿轉動，絲桿上的絲桿套按一定速度帶動單波束微型超聲換能器移動，進而實現對三維水下地形的掃描。數據傳輸裝置由數據線、數據采集存儲模塊、串口模塊、GPRS模塊、終端計算機和軟件平臺構成。數據線一端與單波束微型超聲換能器相連，另一端與數據存儲模塊相連，數據存儲模塊與數據傳輸模塊相連，數據傳輸模塊再通過串口模塊與GPRS模塊相連。GPRS模塊能夠利用無線網絡與遠程計算機交互，將單波束微型超聲換能器采集到的三維地形數據傳輸至軟件平臺。軟件平臺可繪制出三維地形。

1.2 瞬時地形測繪系統工作原理及方法

終端計算機中的步進電機無線控制程序通過232串口模塊和GPRS模塊發出指令給電機驅動模塊。布設于各測繪斷面處的測繪裝置內的步進電機(圖4)按照設定的步進角度帶動絲桿轉動。轉動的絲桿會帶動絲桿套以一定的速度沿著絲桿滑動。與絲桿套連接的圓管狀滑塊帶動單波束微型超聲換能器從靠近群樁基礎的初始位置處向著遠離群樁基礎的方向掃描測繪斷面的局部沖刷地形。掃描獲取的局部沖刷瞬時地形數據存儲在數據存儲模塊中，然后再通過數據傳輸模塊和GPRS模塊將局部沖刷瞬時地形數據無線傳輸給終端計算機，瞬時測繪工作原理如圖5。

瞬時地形測繪能否實現，主要取決于單波束微型超聲換能器的工作頻率。由于室內試驗要求測繪精度達到毫米級，所以超聲換能器發射聲波波長應控制在1 mm以內。取淡水中超聲波聲速為1.45 km/s時，通過計算可得單波束微型超聲換能器的聲波最小頻率為1.45 MHz，再配備30 MHz的高速采集卡和VC++結合MALTAB語言混合編程而成的數據后處理軟件，能夠實現群樁橋墩模型周圍各典型測繪斷面上局部沖刷地形的瞬時測繪[21]。

圖5 瞬時測繪工作原理Fig. 5 Working principle of instantaneous mapping

為了進一步闡述河工模型試驗中涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統的特點及效果，結合圖1～圖5對水下地形瞬時繪制的具體實施步驟進行論述。

河工模型涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪開始之前，將承重平臺通過對拉螺栓和螺母固定在涉水結構物周圍，依據涉水結構物平面形狀組裝測繪平臺，并將其安裝于承重平臺之上，測繪裝置通過螺紋絲扣安裝在測繪平臺外側。然后，操作終端計算機發出指令，讓每個測繪裝置的步進電機帶動絲桿轉動，絲桿套會沿著絲桿滑動，使得所有單波束微型超聲換能器復位到貼近涉水結構物外側面處。建立河工模型的試驗工況，標定單波束微型超聲換能器聲透鏡表面至模型原始床沙面的距離，按測繪精度需求選取超聲換能器移動速度，設定步進電機轉動角速度。

河工模型涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪開始之后，操作終端計算機發出指令，讓步進電機正轉，超聲換能器向遠離涉水結構物方向運動，并將采集到的沖刷地形數據無限傳輸給終端計算機，當超聲換能器到達遠端處的限位開關，完成一次地形掃描。令步進電機反轉，帶動超聲換能器向靠近涉水結構物方向運動，并將采集到的沖刷地形數據無限傳輸給終端計算機，當到達近端處的限位開關后，完成又一次掃描。不斷重復上述步驟，直至河工模型試驗結束，繪制系統完成了涉水結構物周圍動態沖淤地形的全過程繪制。

2 河工模型試驗設計

為了研究群樁基礎周圍局部沖刷隨時間的動態發展變化特性，開展了一組室內河工模型試驗，河工模型試驗是在一條橫斷面為矩形的可變坡循環水槽中進行的。試驗采用的自循環水槽總長度為14.0 m，水槽寬度為1.0 m，深度為1.2 m，如圖6。水槽上游段和下游段的長度均為5.0 m，底部分別鋪設了厚度為0.3 m的硬質聚氨酯泡沫塑料板，硬質聚氨酯泡沫塑料板上鋪設了厚度為0.1 m的模型沙；水槽的中游段為試驗段，是一個長度為4.0 m、寬度為1.0 m的矩形沙坑，沙坑內填充厚度為0.4 m的模型沙。試驗采用無黏性天然石英沙為模型沙，模型沙的中值粒徑為0.51 mm，不均勻系數為1.20，密度為2.65 g/cm3。試驗選用由6根直徑為2.0 cm圓柱形有機玻璃管單樁組成的模型來模擬橋梁的高承臺水下群樁基礎。組成群樁基礎的圓柱形有機玻璃管單樁呈矩形排列，長度L=20.0 cm，寬度B=10.0 cm。相鄰兩個圓柱形有機玻璃管單樁軸線間的距離Δl均為10.0 cm。群樁頂部設置了一個長方體承臺，群樁承臺的長度為24.0 cm，寬度為13.0 cm，厚度為2.0 cm。承臺底面位于自由水面以上，其上部為橋梁橋墩。模型試驗研究過程中，設定群樁基礎迎水面上游行進流速為28.5 cm/s，試驗水深為19.5 cm，模型沙起動流速為29.4 cm/s。模型試驗利用1.1節所述的沖淤地形實時測繪系統獲取群樁基礎周圍任一瞬時的三維沖淤地形數據，沖淤地形實時測繪系統的實際布置形式如圖6(a)。由于模型試驗過程中的水流方向始終與群樁基礎縱向軸線保持一致，所以沖淤地形等值線幾乎與群樁基礎縱向軸線對稱，故測繪系統中的測繪裝置布置在虛線的4個測繪方位上，如圖6(b)，即能夠滿足群樁基礎周圍局部沖刷過程的全區域測繪精度要求。根據以往相關研究成果可知[22]，群樁基礎周圍局部沖刷范圍通常約為群樁基礎寬度的2.0倍，故測繪裝置兩端處的限位開關間距設定為25 cm，即測繪裝置能夠繪制群樁承臺外沿以外約2.5倍群樁基礎寬度范圍內的局部沖刷地形。

圖6 試驗水槽布置Fig. 6 Layout of the test flume

試驗水槽及沖淤地形實時測繪系統布置完成之后，要標定超聲換能器聲透鏡表面至水槽床沙面之間的距離，然后減去沖淤過程中超聲換能器量測得到的數值，即為群樁基礎周圍沖淤地形的實際數據。建立三維空間直角坐標系，坐標系的坐標原點O位于群樁承臺平面形心在水槽內原始床上面的投影處，順水流向為X軸方向，鉛直方向為Z軸方向，水平面內垂直流向的方向為Y軸方向，如圖6。啟動供水水泵，調節流量控制閥門的開度，利用超聲波多普勒流量計控制供水流量，運用水槽尾水門調節水槽內水位至試驗工況水位。在建立起模型試驗的水流條件之后，利用沖淤地形實時測繪系統獲取局部沖刷動態過程中任一瞬時三維地形數據。當群樁基礎周圍的極限沖刷深度在1 h內變化小于2 mm時，認為沖刷達到了極限沖刷狀態，此時停止模型試驗。為了通過對比來研究沖淤地形實時測繪系統的量測精度，選取群樁基礎周圍動態局部沖刷過程中的一個典型時刻，即沖刷到達極限狀態時，然后利用地形測針對群樁基礎周圍三維地形進行人工量測。

3 試驗結果分析

3.1 群樁基礎周圍局部沖刷發展特性

圖7、圖8分別為群樁基礎上、下游縱向鉛直對稱面內局部沖刷地形隨時間的發展變化情況。圖中X軸方向坐標利用群樁基礎寬度B進行無量綱化，Z軸方向坐標利用群樁基礎周圍出現的極限沖刷深度Hsmax進行無量綱化。河工模型試驗中總沖刷歷時t=840 min，此時群樁基礎周圍的極限沖刷深度值變化小于每小時2 mm時，局部沖刷基本達到了極限狀態，極限沖刷深度Hsmax=17.6 cm。

圖7 群樁基礎上游沖淤變化過程Fig. 7 Change process of scouring and silting in the upstream ofpile group foundation

圖8 群樁基礎下游沖淤變化過程Fig. 8 Change process of scouring and silting in the downstream ofpile group foundation

由圖7可以看出，隨著沖刷歷時的增加，群樁基礎上游各位置處的局部沖刷深度也逐漸增加。在沖刷過程的初始時刻，群樁基礎周圍局部沖刷深度增加的幅度比較大，發展變化的速度也比較快，沖刷歷時僅為7.1%的沖刷總歷時時，局部沖刷的深度就已經達到了最大沖刷深度的55.6%。然而，在整個局部沖刷過程的后半程，隨著沖刷歷時的增加，局部沖刷深度的增幅變緩，直至最后趨于穩定狀態。局部沖刷達到穩定狀態時，群樁基礎上游的最大沖刷深度約為0.9Hsmax，最大沖刷范圍約為1.9B，這與A. A. BEHESHTI[22]的研究結果基本一致。由圖8可知，群樁基礎下游各位置處的局部沖刷深度均會隨著沖刷歷時的增加而增大。沖刷深度的增幅在沖刷初始時刻較大，之后會隨著沖刷歷時的增加而逐漸減小，直至趨于極限沖刷狀態。沖刷開始之后較短的時段內(約為整個沖刷歷時的14.3%)，由于局部沖刷的迅速發展，群樁基礎周圍局部沖刷坑內沖起并流失的泥沙體量較大，附近水流還沒有發展到能夠將大體量泥沙帶往下游的強度，故在群樁基礎尾部沖刷坑的下游邊緣處，形成尺度較大的沙丘。隨著沖刷的持續發展，水流強度也逐漸增大，沙丘會在水流作用下緩慢下移，尺度逐漸減小，直至最后形成一條條帶狀沙垅。局部沖刷達到平衡狀態后，群樁基礎下游最大沖刷深度約為0.66Hsmax，最大沖刷范圍約為1.2B。對比圖7中群樁基礎上游和圖8中群樁基礎下游的沖刷歷程，可以看出，局部沖刷開始后，群樁基礎上游局部沖刷發展比下游要快，沖刷深度和范圍亦比下游大，這主要是因為群樁基礎周圍三維旋渦體系中的向下水流首先在迎水面處形成，而后沖刷才向群樁基礎側面和下游發展，故群樁基礎上游河床在向下水流作用下率先出現沖刷。

圖9和圖10分別為群樁基礎左側前方(x=-8 cm)和左側后方(x=8 cm)沿Y軸方向的局部沖刷地形隨時間的發展變化情況。圖中Y軸方向坐標利用群樁基礎寬度B進行無量綱化，Z軸方向坐標利用群樁基礎周圍出現的極限沖刷深度Hsmax進行無量綱化。河工模型試驗中總的沖刷歷時t=840 min，極限沖刷深度Hsmax=17.6 cm。

圖9 群樁基礎左側前方沖淤變化過程Fig. 9 Change process of scouring and silting on the left front ofpile group foundation

圖10 群樁基礎左側后方沖淤變化過程Fig. 10 Change process of scouring and silting behind the left side ofpile group foundation

由圖9可以看出，隨著沖刷歷時的增加，群樁基礎左側前方(x=-8 cm)各位置處的局部沖刷深度增大，而沖刷深度的增幅則逐漸減小。局部沖刷達到穩定狀態時，出現了極限沖刷深度Hsmax，位置大約在群樁基礎左側前方(x=8 cm)靠近群樁基礎處，最大沖刷范圍約為1.9B。由圖10可知，群樁基礎左側后方(x=8 cm)各位置處的局部沖刷深度隨沖刷歷時增加而增大，沖刷深度的增幅則隨著沖刷歷時的增加而逐漸減小。局部沖刷達到穩定狀態時，最大沖刷深度為0.74Hsmax，最大沖刷范圍約為2.2B。對比圖9中群樁基礎左側前方和圖10中群樁基礎左側后方的沖刷歷程可知，局部沖刷發展過程中，群樁基礎側面出現局部沖刷坑后，沖刷坑會沿著群樁基礎側壁同時向上、下游發展，沖刷向上游發展較快，向下游發展較慢，這是由馬蹄形旋渦的發展趨勢和作用強度導致的；沖刷達到極限狀態后，群樁基礎周圍的極限沖刷深度值出現在群樁基礎外側靠近迎水面處。

3.2 沖淤地形實時測繪系統量測精度

群樁基礎局部沖刷發展特性模型試驗研究表明：與現有技術相比，沖淤地形實時測繪系統結構簡單輕便，安裝維護方便易行，制造及應用成本較低，測量精度及靈敏度較高，可依據涉水結構物實際情況任意調節自身形狀尺寸和安裝固定位置，適用于任何形狀尺寸的河工模型涉水結構物在任意方位上的沖淤地形測繪，可真正實現全方位無盲區地形測繪；沖淤地形實時測繪系統的測繪方法流程簡單，操作方便，可進行遠程操控，實現測繪數據的無線獲??；沖淤地形實時測繪系統測繪效率較高，除微型超聲換能器單點入水外，整個測繪系統均位于自由水面以上，真正實現了全程無接觸測量，極大減小了測量過程中對水流結構和水下地形的擾動破壞，也能夠快速獲取任一瞬時全區域的三維水下地形數據，實現了河工模型涉水結構物附近河床沖淤發展全過程的動態實時測繪。

為了對比研究沖淤地形實時測繪系統的量測精度，選取了群樁基礎周圍動態局部沖刷過程中的一個典型時刻，即沖刷歷時為t=840 min時沖刷到達極限狀態時群樁基礎周圍的三維地形，然后利用地形測針進行了人工量測，測量結果如圖7～圖10。對比局部沖刷達到極限狀態(沖刷歷時為t=840 min)時群樁基礎周圍不同位置處的沖淤地形實時測繪系統數據和人工量測數據發現，在本研究河工模型試驗所選定的工況條件下，沖淤地形實時測繪系統獲取任一瞬時某一個測繪斷面上的全部三維水下地形數據，用時約為0.67 min，而利用地形測針對同一個測繪斷面上75個數據采集點進行人工量測，用時約為30 min，最大測量誤差約為0.96 mm。由此可見，沖淤地形實時測繪系統不僅能夠快速獲取任一瞬時任一測繪斷面上準確的三維水下地形數據，使得測繪效率極大提高，也能夠對沖刷發展的全過程進行實時跟蹤監測，具有較好的實際應用價值。

4 結 論

通過對涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統的開發及對群樁橋墩模型周圍局部沖刷隨時間的動態發展變化特性的研究，得出以下結論：

1) 河工模型試驗中涉水結構物周圍沖淤地形實時測繪系統操作簡單，能夠快速獲取任一瞬時的任一測繪斷面上準確的三維水下地形數據，使得測繪效率極大提高，最大測量誤差約為0.96 mm。

2) 利用該測繪系統進行群樁基礎周圍局部沖刷隨時間的動態發展變化特性的研究，結果表明，局部沖刷開始以后，向下水流首先在群樁基礎迎水面處形成，故群樁基礎上游河床在向下水流的作用下率先出現沖刷，而后沖刷才向群樁基礎側面和下游發展，群樁基礎上游局部沖刷發展比下游要快，沖刷深度和范圍也比下游要大。

3)局部沖刷發展過程中，群樁基礎側面出現局部沖刷坑后，馬蹄形旋渦具有同時向上游和下游發展的趨勢，所以沖刷坑也會沿著群樁基礎側壁同時向上游和下游發展，而且沖刷向上游發展很快，向下游發展較慢；沖刷達到極限狀態后，群樁基礎周圍的極限沖刷深度值出現在群樁基礎外側靠近迎水面處。

4) 所開發的測繪系統在群樁橋墩模型周圍沖淤尺度較小和采用中粗砂的局部沖刷模型試驗中的應用效果較好。筆者未考慮在變化工況條件下的超聲換能器和驅動電機性能參數的選取及匹配，后期可通過測繪系統各結構參數的優化設計，將該系統應用于多工況下的河工模型試驗和涉水建筑物原型周圍局部沖刷地形獲取及繪制。