基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法
阅读说明：本技术 基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法 (Measuring point layout method based on mechanical scanning imaging sonar scanning bridge pier foundation scouring ) 是由 沈圣 陈建腾 姜绍飞 曹峥 李明贤 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明提出基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法,可通过布设多个用于安装声呐的测点对桥墩桩基础冲刷区地形进行完整检测,其特征在于：所述布设方法中,当桥墩桩基础为无承台单桩基础时,对无承台单桩基础以中心测点为基础绕桩周布设环向测点；当桥墩桩基础为有承台单排桩或有承台双排群桩基础时,在有承台的排桩基础处根据中心测点和承台位置关系对中心测点进行水平移动以布设相邻辅助测点；本发明可以实现对桥墩基础冲刷地形的完整检测,有利于进一步对桥墩基础冲刷地形进行三维重构。(The invention provides a measuring point arrangement method for scanning bridge pier foundation scouring based on mechanical scanning imaging sonar, which can carry out complete detection on the topography of a bridge pier foundation scouring area by arranging a plurality of measuring points for installing sonar, and is characterized in that: in the arrangement method, when the pile foundation of the pier is a single pile foundation without a bearing platform, annular measuring points are arranged on the single pile foundation without the bearing platform around the pile by taking a central measuring point as a foundation; when the pile foundation of the pier is a single-row pile foundation with a bearing platform or a double-row pile foundation with the bearing platform, horizontally moving the central measuring point at the pile foundation with the bearing platform according to the position relation of the central measuring point and the bearing platform so as to arrange adjacent auxiliary measuring points; the method can realize complete detection of the pier foundation erosion topography and is beneficial to further carrying out three-dimensional reconstruction on the pier foundation erosion topography.)
技术领域
本发明涉及水下桥墩基础冲刷地形检测技术领域，尤其是基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法。
背景技术
在中国，大多数的桥梁水毁破坏都是由于冲刷使得桥墩基础埋深减小，以致桩基承台能力显著下降。冲刷具有突发性和灾难性，桥梁水毁给人民的生命财产造成巨大损失，且随着桥梁数量的日益增加，桥梁基础冲刷现象日益突出，对桥梁基础冲刷进行定期检测，掌握桥梁基础冲刷状况，可以为桥梁工程的结构状态评估、冲刷灾害预防等提供有力的信息。
近年来，随着科技的进步，检测仪器和检测技术得到了快速发展。声呐在水下环境适应能力强，在浑水环境下仍能有良好的成像效果，具备高效的检测效率，因此，声呐成像技术广泛应用于桥墩基础冲刷检测。但是，目前应用声呐成像技术对基础冲刷检测时大多只是对桥墩基础冲刷较为严重区域布设测点进行检测，缺乏对桥墩基础冲刷地形的完整检测，难以进一步还原出基础冲刷整体的地形地貌信息。现研究采用声呐对基础冲刷地形进行完整检测和三维重构，而声呐测点布设是至关重要的一个因素。
因此，需要一种基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法。
发明内容
本发明提出基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法，可以实现对桥墩基础冲刷地形的完整检测，有利于进一步对桥墩基础冲刷地形进行三维重构。
本发明采用以下技术方案。
基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法，可通过布设多个用于安装声呐的测点对桥墩桩基础冲刷区地形进行完整检测，所述布设方法中，当桥墩桩基础为无承台单桩基础时，对无承台单桩基础以中心测点为基础绕桩周布设环向测点；当桥墩桩基础为有承台单排桩或有承台双排群桩基础时，在有承台的排桩基础处根据中心测点和承台位置关系对中心测点进行水平移动以布设相邻辅助测点。
当桥墩桩基础为无承台单桩基础时，若中心测点移动不受到承台遮挡影响，则通过水平横向移动布设两侧相邻辅助测点；按照相邻波束之间约为20％的波束覆盖宽度对水平移动距离Δx取值：
Δx≈(1-20％)·ab 公式一；
ab为声呐中心测点正下方波束覆盖河床宽度，计算方法如下：
其中，h为声呐和基础冲刷河床的检测距离。
在针对无承台单桩基础进行冲刷区测点布设时，若以同一方位一组测点为基础，依次环向旋转α角度布设n组测点，用于以桥墩为中心，半径为R范围内的基础冲刷地形的完整检测，则包含中心测点和两侧辅助测点的一组测点的波束覆盖宽度AB的计算公式为：
AB＝2Δx+ab＝2.6ab 公式三；
其中，相邻方位的一组测点的旋转角度的计算公式为：
环向布设测点组数n和旋转角度α之间的关系计算公式为：
公式中f(x)为取整函数，g(x)为取小数函数。f(2π/α)为基础冲刷布设测点数的整数部分，g(2π/α)为基础冲刷布设测点数的小数部分；
当2π/α能够整除时，环向布设测点组数n只需要布设该整数点个数即可；当2π/α不能整除时，在布设整数点个数基础上增加一个测点，以完整扫描基础冲刷地形；在确定出环向布设测点组数n后，最终的旋转角度α0的计算公式为：
当所述测点布设方法针对有承台单排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下限定：若通过中心测点等间距d、等角度α环向布设测点，且中心测点位于承台下方无法布设，则将承台下方的测点外延至承台边缘布设中心测点；若通过中心测点水平横向移动布设辅助测点，且位于承台边缘的测点向承台一侧进行水平横移受到承台阻挡时，则通过沿承台边缘平移方式布设相邻辅助测点，所选的布设点需避免沿承台边缘平移后的测点发射波束覆盖河床区域或和相邻桩相接触，以避免影响冲刷地形成像结果；
上述限定以公式表述为
r≤A1Op1 公式七；
其中，r为桥墩半径，A1Op1为相邻桩1中心到平移后的测点位置声呐发射波覆盖河床区域边缘的最短距离。
当所述测点布设方法针对有承台双排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下限定：若通过中心测点等间距d、等角度α环向均匀布设测点，且中心测点位于承台的下方无法布设时，则需要将承台下方测点外延至承台边缘布设中心测点；若中心测点外延时和群桩桩体产生碰撞，则在该测点、相邻测点和桩中心连线的夹角角平分线延长线和承台边缘交点处布设测点，以代替原中心测点对该方位基础冲刷地形进行检测。
当所述测点布设方法针对有承台双排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下要求：若位于承台边缘的测点向承台一侧进行水平横移受到承台阻挡，则通过沿承台边缘平移方式布设相邻辅助测点，且需保证沿承台边缘平移后的测点发射波束覆盖河床区域及和桥墩无接触；若位于承台边缘的测点发射波束向群桩内侧地形扫描时受到群桩内侧波束扫描空间限制，则在该位置不布设相邻辅助测点，但要保证该位置的测点发射波束覆盖河床区域及不和群桩内侧桩体相接触；上述的要求可以用公式表述为：
r≤Op4B1和r≤Op5A1 公式八；
其中，r为桥墩半径，Op4B1为相邻桩4中心点到中心测点位置声呐发射波束覆盖河床区域边缘的最短距离；Op5A1为相邻桩5中心点到中心测点位置声呐发射波束覆盖河床区域边缘的最短距离。
当所述测点布设方法针对有承台双排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下要求：若位于承台边缘的测点发射的波束向群桩内侧地形进行扫描时因受群桩内侧波束扫描空间限制造成发射波束容易和群桩内侧桩体接触，且难以水平移动中心测点来布设相邻辅助测点，则利用不同桩基所布设的测点其波束角平分线具有平行关系这一特点，来构建一组测点对群桩内侧地形进行检测。
本发明所述方案，可以实现对桥墩基础冲刷地形的完整检测，有利于进一步对桥墩基础冲刷地形进行三维重构。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明进一步详细的说明：
附图1是无承台单桩中心测点及相邻辅助测点布设示意图；
附图2是基于无承台单桩一组测点为基础进行环向测点布设示意图；
附图3是有承台单排桩测点布设示意图；
附图4是有承台双排群桩测点布设示意图。
附图5是利用不同桩基布设的测点构建一组测点对群桩内侧地形检测的示意图。
具体实施方式
如图所示，基于机械扫描成像声呐扫描桥墩基础冲刷的测点布设方法，可通过布设多个用于安装声呐的测点对桥墩桩基础冲刷区地形进行完整检测，所述布设方法中，当桥墩桩基础为无承台单桩基础时，对无承台单桩基础以中心测点为基础绕桩周布设环向测点；当桥墩桩基础为有承台单排桩或有承台双排群桩基础时，在有承台的排桩基础处根据中心测点和承台位置关系对中心测点进行水平移动以布设相邻辅助测点。
当桥墩桩基础为无承台单桩基础时，若中心测点移动不受到承台遮挡影响，则通过水平横向移动布设两侧相邻辅助测点；按照相邻波束之间约为20％的波束覆盖宽度对水平移动距离Δx取值：
Δx≈(1-20％)·ab 公式一；
ab为声呐中心测点正下方波束覆盖河床宽度，计算方法如下：
其中，h为声呐和基础冲刷河床的检测距离。
在针对无承台单桩基础进行冲刷区测点布设时，若以同一方位一组测点为基础，依次环向旋转α角度布设n组测点，用于以桥墩为中心，半径为R范围内的基础冲刷地形的完整检测，则包含中心测点和两侧辅助测点的一组测点的波束覆盖宽度AB的计算公式为：
AB＝2Δx+ab＝2.6ab 公式三；
其中，相邻方位的一组测点的旋转角度的计算公式为：
环向布设测点组数n和旋转角度α之间的关系计算公式为：
公式中f(x)为取整函数，g(x)为取小数函数。f(2π/α)为基础冲刷布设测点数的整数部分，g(2π/α)为基础冲刷布设测点数的小数部分；
当2π/α能够整除时，环向布设测点组数n只需要布设该整数点个数即可；当2π/α不能整除时，在布设整数点个数基础上增加一个测点，以完整扫描基础冲刷地形；在确定出环向布设测点组数n后，最终的旋转角度α0的计算公式为：
当所述测点布设方法针对有承台单排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下限定：若通过中心测点等间距d、等角度α环向布设测点，且中心测点位于承台下方无法布设，则将承台下方的测点外延至承台边缘布设中心测点；若通过中心测点水平横向移动布设辅助测点，且位于承台边缘的测点向承台一侧进行水平横移受到承台阻挡时，则通过沿承台边缘平移方式布设相邻辅助测点，所选的布设点需避免沿承台边缘平移后的测点发射波束覆盖河床区域或和相邻桩相接触，以避免影响冲刷地形成像结果；
上述限定以公式表述为
r≤A1Op1 公式七；
其中，r为桥墩半径，A1Op1为相邻桩1中心到平移后的测点位置声呐发射波覆盖河床区域边缘的最短距离。
当所述测点布设方法针对有承台双排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下限定：若通过中心测点等间距d、等角度α环向均匀布设测点，且中心测点位于承台的下方无法布设时，则需要将承台下方测点外延至承台边缘布设中心测点；若中心测点外延时和群桩桩体产生碰撞，则在该测点、相邻测点和桩中心连线的夹角角平分线延长线和承台边缘交点处布设测点，以代替原中心测点对该方位基础冲刷地形进行检测。
如图4的(a)所示，通过测点外延会和桩体碰撞，因此，通过在和夹角角平分线延长线和承台边缘的交点位置布设测点，得到测点 代替原中心测点
当所述测点布设方法针对有承台双排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下要求：若位于承台边缘的测点向承台一侧进行水平横移受到承台阻挡，则通过沿承台边缘平移方式布设相邻辅助测点，如图4(a)中测点通过沿承台边缘移动布设相邻测点和排桩情况相同，且需保证沿承台边缘平移后的测点发射波束覆盖河床区域及和桥墩无接触。
如图4的(b)所示，若位于承台边缘的测点发射波束向群桩内侧地形扫描时受到群桩内侧波束扫描空间限制，发射波束易和群桩内侧桩4、桩5接触难以沿承台边缘移动布设辅助测点，则在该位置不布设相邻辅助测点，但要保证该位置的测点发射波束覆盖河床区域及不和群桩内侧桩体(桩4、桩5)相接触；
上述的要求可以用公式表述为：
r≤Op4B1和r≤Op5A1 公式八；
其中，r为桥墩半径，Op4B1为相邻桩4中心点到中心测点位置声呐发射波束覆盖河床区域边缘的最短距离；Op5A1为相邻桩5中心点到中心测点位置声呐发射波束覆盖河床区域边缘的最短距离。
当所述测点布设方法针对有承台双排桩基础的冲刷区进行测点布设时，有以下要求：若位于承台边缘的测点发射的波束向群桩内侧地形进行扫描时因受群桩内侧波束扫描空间限制造成发射波束容易和群桩内侧桩体接触，且难以水平移动中心测点来布设相邻辅助测点，则利用不同桩基所布设的测点其波束角平分线具有平行关系这一特点，来构建一组测点对群桩内侧地形进行检测。具体如图5所示，通过测点发出的波束角平分线具有平行关系组成一组测点，同理，测点组成一组测点、测点 组成一组测点对群桩内侧区域基础冲刷地形进行检测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方法，这些具体实施方法是基于整体构思下的不同实现方式，而本发明的保护范围并不仅限于此。仅用于解释说明本发明的功能及使用方法，而并非对于本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出各种变化或替代，也应属于本发明的保护范畴。
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