时域反射计的实验室评价桥梁冲刷测量:用超声法比较

文摘

桥梁冲刷是造成不稳定的主要因素桥梁跨越航道。过度冲刷导致他们的建设和维护成本高。设计的创新scour-monitoring仪器以确保scour-critical桥梁的安全至关重要。实时监测的能力非常重要,因为最严重冲刷通常发生在洪水流量峰值附近。新scour-monitoring仪器基于时域反射计(TDR)原则提供了实时监控的冲刷进化。一个框架基于介质混合模型已经被开发出来,它可以很容易地纳入一个自动分析算法。本文介绍了TDR法和超声法的比较研究冲刷测量。结果表明,热带病研究和培训特别规划和超声波方法能够准确地估计冲刷深度。热带病研究和培训特别规划方法,与发达的分析算法,收益率等信息在河上属性的导电性河流水和沉积物的密度。热带病研究和培训特别规划方法还发现少受到动荡和气泡的影响,都有可能发生在洪水事件。

1。介绍

桥梁冲刷或桥沉积物冲刷是指降低桥墩周围的河床或牙。典型的冲刷的类型包括:河床的长期退化,一般冲刷,包括收缩冲刷和在桥墩局部冲刷或牙4]。在这些类型的冲刷中,局部冲刷是最重要的(图1)。局部冲刷是由干扰引起的码头和牙流流。它的特点是桥墩周围冲刷坑的形成或牙,结果,周围的土壤提供的支持会减少。

桥梁冲刷对桥梁的安全构成了严重威胁。自1970年以来,超过1000座桥梁倒塌死亡由于桥梁冲刷有关。桥梁冲刷也是一个主要因素造成桥梁的建设和维护成本高。适当的冲刷预测是至关重要的经济和安全设计的桥墩和基牙。水流冲刷设计依赖于经验冲刷预测方程由实验室数据,通常不准确预测冲刷在野外条件下(5]。这需要从野外收集冲刷数据来改善当前的冲刷预测理论。因为冲刷可能导致灾难性故障等桥梁之前没有任何警告的上层建筑困境的迹象,实时scour-monitoring系统提供实时安全监测至关重要。

有一些方法目前用于实地冲刷测量包括尺度、超声波法、地面穿透雷达和费舍尔灯泡(6]。每个方法都有缺点,包括:大部分的仪表领域应用程序不够坚固。大多数这些方法不能提供实时监控洪水冲刷进化的关键事件。这些工具通常不会自动要求数量可观的人力参与信号解释(7]。

基于时域反射计的仪器(TDR)克服这些缺点,被用来监测桥梁冲刷。热带病研究和培训特别规划的潜在使用桥梁冲刷测量已被一些研究者探索。维亚道丁和皮尔斯(2)开发了一个热带病研究和培训特别规划冲刷检测系统,利用小型涡轮机安装电子电缆。涡轮机将先后公开为冲刷发展。涡轮叶片产生的转矩使剪切的电缆,可以检测到热带病研究和培训特别规划方法,然后估计(图和冲刷深度2(一个))。这个系统不是可重用由于牺牲检测电缆的特性。Yankielun和Zabilansky3)还开发了一个热带病研究和培训特别规划传感器利用多个钢管。现场评价表明,这个调查是足够坚固的抵御洪水和冰荷载(图2 (b))。他们的设计的主要缺点是,两个钢管电空结束,这使得它难以解释算法开发一个自动信号。是努力改善信号分析和有限的成功(7]。

作者最近开发出一种新的热带病研究和培训特别规划搜索信号分析方法,大大简化了数据处理的过程,可以开发一个自动实时冲刷监测系统(8]。本文简要总结了TDR冲刷测量系统的基本原理。超声波方法选择进行比较作为目前最流行的调查显示固定scour-monitoring设备由亨特(6]。在这项研究中,热带病研究和培训特别规划的性能相比,超声方法在实验室模拟冲刷/沉积条件。热带病研究和培训特别规划方法发现精度相当于冲刷深度的超声方法的决心。热带病研究和培训特别规划方法的优势是少受气泡等因素影响,悬浮沉积物可能形成洪水期间由于湍流条件。

2。时域反射计原理和超声波法

2.1。时域反射计

时域反射计(TDR)技术首次利用电气工程师定位电缆的不连续性。后来又扩展应用程序来测量材料的介电性能。典型的热带病研究和培训特别规划系统的配置图所示3。它通常包括一个热带病研究和培训特别规划设备(脉冲发生器和取样器)、连接电缆和测量探针。测量探头周围是材料的特性来衡量。热带病研究和培训特别规划是通过发送一个快速上升的阶跃脉冲或脉冲测量探头和测量反射由于系统几何形状或材料介电常数的变化。商业热带病研究和培训特别规划单位TDR100坎贝尔科学公司用作脉冲发生器和取样器。该设备可以生成一个脉冲输出的上升时间小于300秒,250 mV,幅度和持续时间14个微秒。是使用的探针CS605热带病研究和培训特别规划水分探头由3棒,每个直径30厘米长,0.48厘米,4.5厘米的间距外棒(9]。探头连接到热带病研究和培训特别规划100年的14英尺长的RG58同轴电缆。

图4显示了一个典型的热带病研究和培训特别规划测量信号时,探测器安装在一个统一的土壤。介电常数(通常被称为表观介电常数和来标示摘要)和电导率(表示摘要)通常可以很容易获得的直接分析TDR的信号。介电常数与土壤中电磁波的速度。电导率与传播电磁波的衰减率。介电常数计算 在哪里是测量介电常数;调查嵌入土壤的物理长度;被称为明显长度如图4。

热带病研究和培训特别规划测量介电常数强烈相关土壤的含水量,以及各种经验建立了描述相关性的关系。(即Topp的方程。,(2)是由各种类型的无黏性土和实验通常被称为“万能”方程: 在哪里是体积含水量定义为总量的百分比,被水占据。

导电率计算 在哪里是电压源。是长期的电压水平。有关探头配置是一个常数,可以通过理论分析或通过校准参考电子电导仪等技术。

热带病研究和培训特别规划scour-monitoring在于大的能力对比水的介电常数(81年左右),(1)或固体沉积物(干燥固体颗粒的介电常数是3至7;饱和固体的变化取决于饱和度)。因为大介电性能对比,反思将在材料层之间的接口具有不同的介电性能(包括空气/水界面和水/沉积物界面)(图5)。

2.2。超声波法

典型的超声检测系统的配置图所示6。在这项研究中使用的超声波系统包括以下组件:一个脉冲发生器通过Panametrics-NDT Inc .(模型:5077 pr), 0.5 MHz的超声换能器(美国Panametrics-NDT沃尔瑟姆,MA),和一个PC示波器3402(皮科科技有限公司,圣Neots联合王国)。超声波回波脉冲模式系统开始工作,在一个超声换能器作为发射机和接收机。发射换能器的脉冲反射波系统,介绍了宽带声学信号测试对象。材料的脉冲传播和散射或反射的接口或在非均质对象。因为大对比的声阻抗,水和沉积物之间的接口将会导致大量的散射或反射声能。的反射被接收超声换能器。的返回信号可以显示为一个阴谋振幅和时间(称为a)。冲刷深度可以确定通过确定所需的渡越时间接收回声反射。一个典型的信号记录在应用程序的超声波冲刷测量方法如图7。有一些超声波技术的最新发展,包括一种新的测试方法称为直接序列扩展频谱,超声评价(DSSSUE),据信有更高的灵敏度和更大的扫描区域与传统方法相比。超声波方法的详细信息可以在任正非的工作等。10]。

3所示。热带病研究和培训特别规划冲刷检测系统的理论和应用程序

直接识别中间反射从TDR冲刷接口信号可以非常具有挑战性的。为了克服这个困难,热带病研究和培训特别规划冲刷测量的新算法开发了作者的8,11]。它利用信息的介电常数和电导率,这可以很容易地从分析TDR获得信号。这个系统的原则简要描述在接下来的上下文。

3.1。开发和验证混合批量介电常数的公式

应用半经验的体积混合模型(12)分层媒体组成的水和沉积物,可以得到以下方程: 在哪里水的介电常数;是散装的介电常数砂(沙和水的混合物);是批量测量介电常数;和是水的厚度、层、砂层厚度和总分别(图5)。

让沉积物的厚度是,然后水层的厚度是。用这些为(4),双方的正常化可以得到以下方程:

方程表明,根体积测量介电常数的热带病研究和培训特别规划是线性相关的沉积物层厚度。正常化的过程也有助于减少测量系统的潜在影响的结果。另一方面,当冲刷深度决定,大部分沉积物层的介电常数,可以确定如下: 这可以用来估计土壤孔隙度和密度使用Topp的方程(2)。

图8显示的是测量比例与沉积物厚度从实验数据在自来水的细沙。也显示在图8理论预测,在哪里估计从Topp的方程使用砂层的密度从实验记录。比较表明,(5),它是基于介质混合配方,有效为研究分层搜索/沉积过程。作为额外的评论,饱和沉积物的介电常数也可以使用体积估计混合模型(12]: 在哪里饱和砂的介电常数;水的介电常数;孔隙度和土壤的介电常数是固体,通常在3 - 5(平均4的值是用来做什么的在这项研究中)。

3.2。开发和验证混合导电率的公式

同样,两层系统由水和饱和输沙,混合公式导电性被发现(8,11] 在哪里水的导电性;是砂层的导电性(沉积物);是测量体积电导率;水层的厚度,沉积物的厚度;是总厚度。

方程(8)可以规范化两边同时除以,也就是说,

引入概念的形成因素,阿奇(13,可以获得以下方程: 在哪里是形式因素,值为1.2时f被推荐为细砂如内华达州砂;孔隙度。

用(10)(9),我们得到

方程(11)表明,测量电导率电导率规范化的水大约是线性相关的沉积物厚度。图9比较(11)与实验测量。比较表明,混合沉积体系的电导率公式是有效的。

3.3。设计情节和应用程序的热带病研究和培训特别规划桥梁冲刷测量

热带病研究和培训特别规划算法程序应用的作者最近由(8,11]。他们都是基于两个一般线性关系确定从实验数据收集一些类型的沉积物(如数据10 ()和10 (b)), 在哪里是砂层厚度比的总厚度。和系数是依赖于当地的地质条件。其他符号熊相似的意思同前面的上下文。

考虑到水的介电常数是不常见的应用条件下的电导率影响(14]。可以采取以下程序来确定冲刷深度和沉积物属性。(1)获得的校准常数(12从模拟实验或现场数据与已知的冲刷深度(步骤0)。(2)确定介电常数,热带病研究和培训特别规划测量信号(步骤1,图11)。(3)确定沉积物层TDR探针长度的比值,(步骤2,图11)。(4)估算冲刷深度,从(步骤3,图11)。

这个过程的原理图如图11。

4所示。超声波法的理论和应用程序搜索检测

超声波反映在边界有一个材料的声阻抗差异两侧的边界。声阻抗的差异通常被称为阻抗失配。一般阻抗失配越大,大能量的百分比将反映在一个中型和另一个之间的接口或边界。给出了反射系数 在哪里和声阻抗的材料两侧的边界。

声阻抗材料被定义为产品的密度和声波速度的材料。

洗涤剂的应用超声方法检测是基于确定所需的时间接收的回波信号反映水/沉积物界面。压缩波在水中的速度是1482米/秒20°C,这对应于1450×10²克/厘米²声阻抗/ s。声阻抗范围从20004000×10²克/厘米²汉密尔顿/ s为粉质粘土砂砾石(15]。因此,声阻抗的差异会导致明显的倒影在水/沉积物界面。接口的位置,这是一个直接冲刷深度的测量,可以确定通过分析记录超声波信号。

5。实验室测试比较热带病研究和培训特别规划方法和超声波方法

5.1。实验设计

图12显示了本研究的实验设计。模拟冲刷/圆筒形储罐沉降进行了测试。TDR探针安装在坦克获得信号沉积物被添加。由细砂沉积物材料模拟,粗砂和粗砂和砾石的混合物。河条件模拟通过控制水的导电性。指定的坦克是第一个装满水的盐浓度。干沙材料然后逐渐涌入坦克。水位保持不变排水适量的水通过水箱的基础。在每个指定的砂层厚度、砂的数量将被记录和用于计算密度以及一个热带病研究和培训特别规划的信号。

热带病研究和培训特别规划和超声波方法的比较,超声波传感器和TDR传感器被安装和连接到各自的电子产品。模拟沉积物物质组成的混合粗砂和砾石1:1的质量比。坦克首次注满水的500 ppm氯化钠盐(氯化钠)浓度水平略低于探针头。热带病研究和培训特别规划和超声波信号得到的每个深度沉积物沉积。这个过程继续,直到混合物完全充满了坦克。

图13显示了TDR和超声信号的变化与沉积物层的厚度。可以看到,两个热带病研究和培训特别规划信号和超声信号的变化可预测的模式。

5.2。实验结果和分析

热带病研究和培训特别规划的分析信号跟随在前面列出的程序的一部分。明显的冲刷深度直接估计测量介电常数。这个常数也被用来估计沉积物的介电常数,孔隙度和密度的测定。电导率测量相同的热带病研究和培训特别规划信号被用来估计水的导电性。

超声测量的分析是基于所需的旅行时间的确定反映信号。如图13 (b),旅行时间变化系统与水/沉积物界面的距离。旅行时间是由挑选记录信号的峰值,代表超声换能器之间的往返旅行时间和表面的沉积物。的距离超声换能器的表面沉积物当时计算通过使用超声波在水中的速度。

5.3。热带病研究和培训特别规划的验证方法

热带病研究和培训特别规划的算法开发冲刷测量系统评估通过执行模拟冲刷试验,使用一些其他材料不同河流条件下不同类型的沉积物。与实际的冲刷深度手动测量精确的统治者。结果在图进行了总结14。冲刷深度预测的热带病研究和培训特别规划算法本文中描述一般属于1.5厘米的实际测量值。这个地图的准确性5%由TDR冲刷探针的长度归一化。引导电磁波的准确性热带病研究和培训特别规划在确定界面不受探头的长度只要信号衰减是预防。这可以使用来实现保护涂层。预计的相对误差应该减少TDR探针长度更长。

5.4。热带病研究和培训特别规划与超声测量精确度的方法

图15显示了一个例子,热带病研究和培训特别规划和超声波两种方法同时应用在模拟测试。直接测量的结果作为基准参考。沉积物是碎石和沙子的混合材料。

两个不同的方程用于冲刷深度估算的热带病研究和培训特别规划方法。第一种方法(表示热带病研究和培训特别规划方法用途(5),包含一个特定类型的沉积物的属性。第二种方法(表示热带病研究和培训特别规划方法使用一个通用设计方程(12)来自各种沉积物的材料决定的。一个详细的比较表明,虽然结果通过方法应该为实际应用有足够的精度,热带病研究和培训特别规划方法1的结果精度略高于,方法2的人。有两种实用的结论可以从这些观察:一般方程格式如(12)可以准确的申请材料广泛的沉积物。当地的沉积物的性质材料可以用来提炼(12),因此进一步提高热带病研究和培训特别规划冲刷预测的准确性。

比较热带病研究和培训特别规划方法和超声波方法的结果表明,这两种方法能够准确地估计的冲刷深度,但趋势的变化测量精度略有不同。热带病研究和培训特别规划方法的结果更准确,更大的冲刷深度。超声法更准确的对小冲刷深度。观察到的热带病研究和培训特别规划准确性的提高是由于改进的精度确定反射点时间旅行时间。观察到的变化趋势的准确性超声方法是归因于这样一个事实:更多的衰减和散射信号发生时间距离。热带病研究和培训特别规划方法的比较,测量精度越高,增加冲刷深度是更可取的从监督的角度较大的冲刷深度提出了更高的诱导损伤的可能性。

5.5。水的沉积物密度和导电性热带病研究和培训特别规划

水的导电性可以从TDR估计测量使用(13)。结果如图所示16他们与电导率仪直接测量结果。两者之间有一个合理的匹配。

从TDR测定沉积物的干密度估计根据第五步之前所描述的应用程序。在计算中,土壤的介电常数固体被认为是4,土壤的比重固体被假定为2.65。结果如图所示17。也显示在图的干密度计算实验记录。热带病研究和培训特别规划的沉积物密度测量方法匹配的实际密度。

5.6。湍流条件下对热带病研究和培训特别规划的影响和超声波方法

河洪水过程通常带来了动荡的条件与大量的气泡和悬浮沉积物。实验完成研究气泡的影响,沉积物热带病研究和培训特别规划和超声波方法。图18显示测试设置的照片中,气泡生成罐底部的测试。气泡生成的速率控制从低到高水平调查的影响。的可视化演示对热带病研究和培训特别规划和超声信号的影响如图所示19。当气泡对热带病研究和培训特别规划信号质量的影响可以忽略不计,他们表现出对超声信号的一个重要影响。超声回波信号的方法是几乎完全减毒气泡含量高。这是一个重要的因素影响超声监测方法的可靠性在关键的洪水冲刷。类似的效果被发现悬浮物。

6。讨论

本研究表明TDR和超声波方法可以提供准确的测量冲刷深度。热带病研究和培训特别规划系统是有利的,因为它是便宜和易于自动化。这些都是理想的特性实时scour-monitoring和监测系统。实时监测的能力非常重要,因为最严重冲刷通常发生在洪水流量峰值附近。洪水冲刷沉积物沉积的洞在衰退,洪水后测量不可能真正描述历史的严重程度在洪水冲刷过程。介绍了程序提供简单的冲刷深度的测量。信息状态(密度)和水沙条件(导电性)同时获得。这些可以用来使机械的理解冲刷现象。热带病研究和培训特别规划的准确性会影响电缆的电磁干扰和信号衰减长度。这需要仔细的规划系统的部署。 In addition, TDR sensors only measure scour at a given point. Multiple TDR probes will be needed to map the shape of the scour hole. A protective coating will be needed to prevent TDR wave signal attenuation for a long TDR scour probe. Potential ways to protect the TDR probe from impacts of debris, include to submerge the probe completely under the water, to place the TDR probe in locations that is less likely to be accessed by debris, and to use a strong supporting element. As mentioned in the introduction section of this paper, the TDR probe developed by Yankielun and Zabilansky [3)已经安装在该领域多年,洪水碎片和冰荷载幸存下来。在作者看来,可以减少碎片的潜在影响;然而,这种影响可能是难以完全避免的。同一父本冲刷测量的超声方法是有价值的。它要求超声换能器保持水位以下,并提供一个当地的测量。然而,这是一个不干扰技术、超声换能器可以移动来确定河床冲刷事件后的形状。超声波信号的解释可以是一个挑战,特别是对于复杂的河床。可能会有大量的背景噪声的超声信号引起的气泡在水中悬浮物,严重影响反射信号的识别。

7所示。结论

介绍了一种新的冲刷基于TDR技术的测量方法。这个方法是健壮和利用简单的分析程序。初步结果表明,它提供了冲刷深度的精确测量(沉积物厚度),密度的沉积物,河水的导电性。热带病研究和培训特别规划和超声波方法的比较研究冲刷测量也描述。发现热带病研究和培训特别规划和超声波方法可以精确测量冲刷深度;然而,更多信息状态的沉积物和水可以从热带病研究和培训特别规划测量获得。实验表明,热带病研究和培训特别规划较少受到湍流条件导致悬浮物,气泡,和快速流动的水,这是典型的洪水过程。TDR-monitoring系统是崎岖的,可以提供实时监测。他们收集的数据在大洪水冲刷进化将帮助检查各种搜索机制。超声方法,另一方面,可以是一个有用的工具来快速测量冲刷轮廓。 On-site monitoring with TDR method in conjunction with postflood survey with ultrasonic methods will enable accurate determination of the status of bridge scour during and post major flood events to help ensure the long-term safety of bridge structures.

符号列表

:	测量介电常数
:	探针测试材料的实际长度
:	明显的探针测试材料的长度
:	体积含水量
:	电压源
:	长期的电压水平
:	一个常数与探针配置
:	水的介电常数
:	介电常数的散装砂(沙和水的混合物)
:	大部分测量介电常数
:	水层厚度
:	砂层厚度
:	沙子和水的层的总厚度
:	砂(沙)层的厚度
:	水的电导率
:	介电常数的土壤固体
:	饱和砂层的导电性
:	测量整体导电性
:	形成的因素
:	形成的因素
:	砂层厚度比水和沙子的总厚度
:	反射系数
:	声阻抗
:	密度
:	声波速度。

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