群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷地形瞬時(shí)繪制系統(tǒng)研制

倪 飛，陳 紅，羅云峰，朱 慶，王浩丞

(1. 江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 江蘇 南通 226010； 2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)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(wěn)和水毀的重要原因，也時(shí)刻威脅著橋梁的正常使用和航道的安全運(yùn)營[1-2]。橋梁水下基礎(chǔ)周圍的局部沖刷，不僅會(huì)產(chǎn)生劇烈的三維水沙運(yùn)動(dòng)，造成嚴(yán)重的局部河床變形，也是一個(gè)隨時(shí)間逐漸演變發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程[3-4]。研究橋梁水下基礎(chǔ)局部沖刷的發(fā)展特性，有助于后期對(duì)于三維旋渦體系隨局部沖刷發(fā)展變化規(guī)律的細(xì)致探索，也有助于對(duì)局部沖刷機(jī)理的深入揭示，還能為任一洪水事件中局部沖刷防護(hù)工程的實(shí)施和維護(hù)確定最佳時(shí)機(jī)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。當(dāng)前，全世界范圍內(nèi)橋梁所采用的水下基礎(chǔ)幾乎均為群樁基礎(chǔ)，群樁基礎(chǔ)是由一系列混凝土單樁，按照一定規(guī)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(chǔ)周圍的局部沖刷發(fā)展過程更為特殊而復(fù)雜[7-8]。由于常規(guī)的河工模型試驗(yàn)中三維地形量測裝備測量精度和分辨率幾乎達(dá)不到要求，也還不能夠獲取局部沖刷動(dòng)態(tài)過程中任一瞬時(shí)的地形數(shù)據(jù)，致使目前還幾乎沒有對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷發(fā)展特性進(jìn)行過細(xì)致的探索和研究[8-10]。基于上述考慮，筆者研制了一種河工模型試驗(yàn)中涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)，量化了實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并據(jù)此研究了群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化特性。

1 瞬時(shí)地形測繪系統(tǒng)

1.1 瞬時(shí)地形測繪系統(tǒng)研制

通過綜合分析國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，隨著超聲波測繪技術(shù)、激光測距技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)及圖像后處理技術(shù)等的快速發(fā)展，目前國內(nèi)外可用于河工模型三維水下地形量測技術(shù)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(shí)際應(yīng)用，但模型試驗(yàn)中涉水結(jié)構(gòu)物周圍三維水下地形瞬時(shí)繪制的裝備及方法較少，致使還幾乎沒有對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷發(fā)展特性進(jìn)行過細(xì)致的研究[9-10]。為此，筆者研制了一種河工模型試驗(yàn)中涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)及操作方法。

河工模型試驗(yàn)中涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)主要由承重平臺(tái)、測繪平臺(tái)、測繪裝置、自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)傳輸裝置構(gòu)成，如圖1。

圖1 河工模型涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure diagram of real-time mapping system of scouring andsilting terrain around wading structures of river engineering model

承重平臺(tái)是一種對(duì)拉結(jié)構(gòu)，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(shí)將螺栓穿過矩形空心型鋼上相對(duì)應(yīng)的通孔，用螺母擰緊固定于涉水結(jié)構(gòu)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(tái)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure diagram of load-bearing platform

測繪平臺(tái)由若干圓形截面空心鋼管和空心彎管組成。空心鋼管和空心彎管兩端均為螺紋絲扣，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(jù)實(shí)際需要的轉(zhuǎn)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(tái)，并安裝于承重平臺(tái)之上。在空心鋼管水平外側(cè)面等間距開設(shè)圓形螺絲孔，測繪裝置可通過圓形螺絲孔安裝在測繪平臺(tái)之上，如圖3。

圖3 測繪平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure diagram of mapping platform

測繪裝置為不銹鋼管，在不銹鋼管側(cè)壁開設(shè)貫通狀矩形槽孔?？拷讳P鋼管兩端管頭的適當(dāng)位置處，分別內(nèi)襯安裝一個(gè)同心軸承。同心軸承上安裝固定一絲桿。絲桿在靠近兩個(gè)同心軸承處分別設(shè)置限位開關(guān)。不銹鋼管一端用圓形封堵蓋板封閉。封堵蓋板中心處開設(shè)圓孔，封堵蓋板上安裝一臺(tái)小型步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸可穿過封堵蓋板上的圓孔，再通過聯(lián)軸器與絲桿相連。絲桿上安裝有一個(gè)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(hù)圓殼相連。微型單波束超聲換能器固定于保護(hù)圓殼內(nèi)。不銹鋼管的另一端設(shè)有螺紋絲扣，可擰接在測繪平臺(tái)中各圓形截面空心鋼管水平外側(cè)面等間距開設(shè)的圓形螺絲孔中，如圖4。

圖4 測繪裝置結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure diagram of mapping device

自動(dòng)控制裝置包括線纜、電機(jī)自動(dòng)控制模塊、串口模塊、GPRS模塊和終端計(jì)算機(jī)。線纜一端與步進(jìn)電機(jī)相連，另一端與電機(jī)自動(dòng)控制模塊相連，電機(jī)自動(dòng)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與終端計(jì)算機(jī)通訊，終端計(jì)算機(jī)能夠發(fā)出指令，令步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定步進(jìn)角度帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的絲桿套按一定速度帶動(dòng)單波束微型超聲換能器移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維水下地形的掃描。數(shù)據(jù)傳輸裝置由數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、串口模塊、GPRS模塊、終端計(jì)算機(jī)和軟件平臺(tái)構(gòu)成。數(shù)據(jù)線一端與單波束微型超聲換能器相連，另一端與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊相連，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊相連，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)交互，將單波束微型超聲換能器采集到的三維地形數(shù)據(jù)傳輸至軟件平臺(tái)。軟件平臺(tái)可繪制出三維地形。

1.2 瞬時(shí)地形測繪系統(tǒng)工作原理及方法

終端計(jì)算機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)無線控制程序通過232串口模塊和GPRS模塊發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。布設(shè)于各測繪斷面處的測繪裝置內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)(圖4)按照設(shè)定的步進(jìn)角度帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的絲桿會(huì)帶動(dòng)絲桿套以一定的速度沿著絲桿滑動(dòng)。與絲桿套連接的圓管狀滑塊帶動(dòng)單波束微型超聲換能器從靠近群樁基礎(chǔ)的初始位置處向著遠(yuǎn)離群樁基礎(chǔ)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(shí)地形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，然后再通過數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPRS模塊將局部沖刷瞬時(shí)地形數(shù)據(jù)無線傳輸給終端計(jì)算機(jī)，瞬時(shí)測繪工作原理如圖5。

瞬時(shí)地形測繪能否實(shí)現(xiàn)，主要取決于單波束微型超聲換能器的工作頻率。由于室內(nèi)試驗(yàn)要求測繪精度達(dá)到毫米級(jí)，所以超聲換能器發(fā)射聲波波長應(yīng)控制在1 mm以內(nèi)。取淡水中超聲波聲速為1.45 km/s時(shí)，通過計(jì)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(jié)合MALTAB語言混合編程而成的數(shù)據(jù)后處理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)測繪[21]。

圖5 瞬時(shí)測繪工作原理Fig. 5 Working principle of instantaneous mapping

為了進(jìn)一步闡述河工模型試驗(yàn)中涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的特點(diǎn)及效果，結(jié)合圖1～圖5對(duì)水下地形瞬時(shí)繪制的具體實(shí)施步驟進(jìn)行論述。

河工模型涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪開始之前，將承重平臺(tái)通過對(duì)拉螺栓和螺母固定在涉水結(jié)構(gòu)物周圍，依據(jù)涉水結(jié)構(gòu)物平面形狀組裝測繪平臺(tái)，并將其安裝于承重平臺(tái)之上，測繪裝置通過螺紋絲扣安裝在測繪平臺(tái)外側(cè)。然后，操作終端計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，讓每個(gè)測繪裝置的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿套會(huì)沿著絲桿滑動(dòng)，使得所有單波束微型超聲換能器復(fù)位到貼近涉水結(jié)構(gòu)物外側(cè)面處。建立河工模型的試驗(yàn)工況，標(biāo)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(dòng)速度，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

河工模型涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪開始之后，操作終端計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，讓步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，超聲換能器向遠(yuǎn)離涉水結(jié)構(gòu)物方向運(yùn)動(dòng)，并將采集到的沖刷地形數(shù)據(jù)無限傳輸給終端計(jì)算機(jī)，當(dāng)超聲換能器到達(dá)遠(yuǎn)端處的限位開關(guān)，完成一次地形掃描。令步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)超聲換能器向靠近涉水結(jié)構(gòu)物方向運(yùn)動(dòng)，并將采集到的沖刷地形數(shù)據(jù)無限傳輸給終端計(jì)算機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)近端處的限位開關(guān)后，完成又一次掃描。不斷重復(fù)上述步驟，直至河工模型試驗(yàn)結(jié)束，繪制系統(tǒng)完成了涉水結(jié)構(gòu)物周圍動(dòng)態(tài)沖淤地形的全過程繪制。

2 河工模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化特性，開展了一組室內(nèi)河工模型試驗(yàn)，河工模型試驗(yàn)是在一條橫斷面為矩形的可變坡循環(huán)水槽中進(jìn)行的。試驗(yàn)采用的自循環(huán)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(shè)了厚度為0.3 m的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板上鋪設(shè)了厚度為0.1 m的模型沙；水槽的中游段為試驗(yàn)段，是一個(gè)長度為4.0 m、寬度為1.0 m的矩形沙坑，沙坑內(nèi)填充厚度為0.4 m的模型沙。試驗(yàn)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(shù)為1.20，密度為2.65 g/cm3。試驗(yàn)選用由6根直徑為2.0 cm圓柱形有機(jī)玻璃管單樁組成的模型來模擬橋梁的高承臺(tái)水下群樁基礎(chǔ)。組成群樁基礎(chǔ)的圓柱形有機(jī)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(gè)圓柱形有機(jī)玻璃管單樁軸線間的距離Δl均為10.0 cm。群樁頂部設(shè)置了一個(gè)長方體承臺(tái)，群樁承臺(tái)的長度為24.0 cm，寬度為13.0 cm，厚度為2.0 cm。承臺(tái)底面位于自由水面以上，其上部為橋梁橋墩。模型試驗(yàn)研究過程中，設(shè)定群樁基礎(chǔ)迎水面上游行進(jìn)流速為28.5 cm/s，試驗(yàn)水深為19.5 cm，模型沙起動(dòng)流速為29.4 cm/s。模型試驗(yàn)利用1.1節(jié)所述的沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)獲取群樁基礎(chǔ)周圍任一瞬時(shí)的三維沖淤地形數(shù)據(jù)，沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的實(shí)際布置形式如圖6(a)。由于模型試驗(yàn)過程中的水流方向始終與群樁基礎(chǔ)縱向軸線保持一致，所以沖淤地形等值線幾乎與群樁基礎(chǔ)縱向軸線對(duì)稱，故測繪系統(tǒng)中的測繪裝置布置在虛線的4個(gè)測繪方位上，如圖6(b)，即能夠滿足群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷過程的全區(qū)域測繪精度要求。根據(jù)以往相關(guān)研究成果可知[22]，群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷范圍通常約為群樁基礎(chǔ)寬度的2.0倍，故測繪裝置兩端處的限位開關(guān)間距設(shè)定為25 cm，即測繪裝置能夠繪制群樁承臺(tái)外沿以外約2.5倍群樁基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的局部沖刷地形。

圖6 試驗(yàn)水槽布置Fig. 6 Layout of the test flume

試驗(yàn)水槽及沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)布置完成之后，要標(biāo)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(shù)值，即為群樁基礎(chǔ)周圍沖淤地形的實(shí)際數(shù)據(jù)。建立三維空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O位于群樁承臺(tái)平面形心在水槽內(nèi)原始床上面的投影處，順?biāo)飨驗(yàn)閄軸方向，鉛直方向?yàn)閆軸方向，水平面內(nèi)垂直流向的方向?yàn)閅軸方向，如圖6。啟動(dòng)供水水泵，調(diào)節(jié)流量控制閥門的開度，利用超聲波多普勒流量計(jì)控制供水流量，運(yùn)用水槽尾水門調(diào)節(jié)水槽內(nèi)水位至試驗(yàn)工況水位。在建立起模型試驗(yàn)的水流條件之后，利用沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)獲取局部沖刷動(dòng)態(tài)過程中任一瞬時(shí)三維地形數(shù)據(jù)。當(dāng)群樁基礎(chǔ)周圍的極限沖刷深度在1 h內(nèi)變化小于2 mm時(shí)，認(rèn)為沖刷達(dá)到了極限沖刷狀態(tài)，此時(shí)停止模型試驗(yàn)。為了通過對(duì)比來研究沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的量測精度，選取群樁基礎(chǔ)周圍動(dòng)態(tài)局部沖刷過程中的一個(gè)典型時(shí)刻，即沖刷到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)，然后利用地形測針對(duì)群樁基礎(chǔ)周圍三維地形進(jìn)行人工量測。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷發(fā)展特性

圖7、圖8分別為群樁基礎(chǔ)上、下游縱向鉛直對(duì)稱面內(nèi)局部沖刷地形隨時(shí)間的發(fā)展變化情況。圖中X軸方向坐標(biāo)利用群樁基礎(chǔ)寬度B進(jìn)行無量綱化，Z軸方向坐標(biāo)利用群樁基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)的極限沖刷深度Hsmax進(jìn)行無量綱化。河工模型試驗(yàn)中總沖刷歷時(shí)t=840 min，此時(shí)群樁基礎(chǔ)周圍的極限沖刷深度值變化小于每小時(shí)2 mm時(shí)，局部沖刷基本達(dá)到了極限狀態(tài)，極限沖刷深度Hsmax=17.6 cm。

圖7 群樁基礎(chǔ)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(chǔ)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(shí)的增加，群樁基礎(chǔ)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(shí)刻，群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷深度增加的幅度比較大，發(fā)展變化的速度也比較快，沖刷歷時(shí)僅為7.1%的沖刷總歷時(shí)時(shí)，局部沖刷的深度就已經(jīng)達(dá)到了最大沖刷深度的55.6%。然而，在整個(gè)局部沖刷過程的后半程，隨著沖刷歷時(shí)的增加，局部沖刷深度的增幅變緩，直至最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。局部沖刷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，群樁基礎(chǔ)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(jié)果基本一致。由圖8可知，群樁基礎(chǔ)下游各位置處的局部沖刷深度均會(huì)隨著沖刷歷時(shí)的增加而增大。沖刷深度的增幅在沖刷初始時(shí)刻較大，之后會(huì)隨著沖刷歷時(shí)的增加而逐漸減小，直至趨于極限沖刷狀態(tài)。沖刷開始之后較短的時(shí)段內(nèi)(約為整個(gè)沖刷歷時(shí)的14.3%)，由于局部沖刷的迅速發(fā)展，群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷坑內(nèi)沖起并流失的泥沙體量較大，附近水流還沒有發(fā)展到能夠?qū)⒋篌w量泥沙帶往下游的強(qiáng)度，故在群樁基礎(chǔ)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(xù)發(fā)展，水流強(qiáng)度也逐漸增大，沙丘會(huì)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(dá)到平衡狀態(tài)后，群樁基礎(chǔ)下游最大沖刷深度約為0.66Hsmax，最大沖刷范圍約為1.2B。對(duì)比圖7中群樁基礎(chǔ)上游和圖8中群樁基礎(chǔ)下游的沖刷歷程，可以看出，局部沖刷開始后，群樁基礎(chǔ)上游局部沖刷發(fā)展比下游要快，沖刷深度和范圍亦比下游大，這主要是因?yàn)槿簶痘A(chǔ)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(chǔ)側(cè)面和下游發(fā)展，故群樁基礎(chǔ)上游河床在向下水流作用下率先出現(xiàn)沖刷。

圖9和圖10分別為群樁基礎(chǔ)左側(cè)前方(x=-8 cm)和左側(cè)后方(x=8 cm)沿Y軸方向的局部沖刷地形隨時(shí)間的發(fā)展變化情況。圖中Y軸方向坐標(biāo)利用群樁基礎(chǔ)寬度B進(jìn)行無量綱化，Z軸方向坐標(biāo)利用群樁基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)的極限沖刷深度Hsmax進(jìn)行無量綱化。河工模型試驗(yàn)中總的沖刷歷時(shí)t=840 min，極限沖刷深度Hsmax=17.6 cm。

圖9 群樁基礎(chǔ)左側(cè)前方?jīng)_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(chǔ)左側(cè)后方?jīng)_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(shí)的增加，群樁基礎(chǔ)左側(cè)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)了極限沖刷深度Hsmax，位置大約在群樁基礎(chǔ)左側(cè)前方(x=8 cm)靠近群樁基礎(chǔ)處，最大沖刷范圍約為1.9B。由圖10可知，群樁基礎(chǔ)左側(cè)后方(x=8 cm)各位置處的局部沖刷深度隨沖刷歷時(shí)增加而增大，沖刷深度的增幅則隨著沖刷歷時(shí)的增加而逐漸減小。局部沖刷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，最大沖刷深度為0.74Hsmax，最大沖刷范圍約為2.2B。對(duì)比圖9中群樁基礎(chǔ)左側(cè)前方和圖10中群樁基礎(chǔ)左側(cè)后方的沖刷歷程可知，局部沖刷發(fā)展過程中，群樁基礎(chǔ)側(cè)面出現(xiàn)局部沖刷坑后，沖刷坑會(huì)沿著群樁基礎(chǔ)側(cè)壁同時(shí)向上、下游發(fā)展，沖刷向上游發(fā)展較快，向下游發(fā)展較慢，這是由馬蹄形旋渦的發(fā)展趨勢和作用強(qiáng)度導(dǎo)致的；沖刷達(dá)到極限狀態(tài)后，群樁基礎(chǔ)周圍的極限沖刷深度值出現(xiàn)在群樁基礎(chǔ)外側(cè)靠近迎水面處。

3.2 沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)量測精度

群樁基礎(chǔ)局部沖刷發(fā)展特性模型試驗(yàn)研究表明：與現(xiàn)有技術(shù)相比，沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單輕便，安裝維護(hù)方便易行，制造及應(yīng)用成本較低，測量精度及靈敏度較高，可依據(jù)涉水結(jié)構(gòu)物實(shí)際情況任意調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)物在任意方位上的沖淤地形測繪，可真正實(shí)現(xiàn)全方位無盲區(qū)地形測繪；沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的測繪方法流程簡單，操作方便，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)測繪數(shù)據(jù)的無線獲??；沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)測繪效率較高，除微型超聲換能器單點(diǎn)入水外，整個(gè)測繪系統(tǒng)均位于自由水面以上，真正實(shí)現(xiàn)了全程無接觸測量，極大減小了測量過程中對(duì)水流結(jié)構(gòu)和水下地形的擾動(dòng)破壞，也能夠快速獲取任一瞬時(shí)全區(qū)域的三維水下地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了河工模型涉水結(jié)構(gòu)物附近河床沖淤發(fā)展全過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測繪。

為了對(duì)比研究沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的量測精度，選取了群樁基礎(chǔ)周圍動(dòng)態(tài)局部沖刷過程中的一個(gè)典型時(shí)刻，即沖刷歷時(shí)為t=840 min時(shí)沖刷到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)群樁基礎(chǔ)周圍的三維地形，然后利用地形測針進(jìn)行了人工量測，測量結(jié)果如圖7～圖10。對(duì)比局部沖刷達(dá)到極限狀態(tài)(沖刷歷時(shí)為t=840 min)時(shí)群樁基礎(chǔ)周圍不同位置處的沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)和人工量測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在本研究河工模型試驗(yàn)所選定的工況條件下，沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)獲取任一瞬時(shí)某一個(gè)測繪斷面上的全部三維水下地形數(shù)據(jù)，用時(shí)約為0.67 min，而利用地形測針對(duì)同一個(gè)測繪斷面上75個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行人工量測，用時(shí)約為30 min，最大測量誤差約為0.96 mm。由此可見，沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)不僅能夠快速獲取任一瞬時(shí)任一測繪斷面上準(zhǔn)確的三維水下地形數(shù)據(jù)，使得測繪效率極大提高，也能夠?qū)_刷發(fā)展的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

通過對(duì)涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)的開發(fā)及對(duì)群樁橋墩模型周圍局部沖刷隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化特性的研究，得出以下結(jié)論：

1) 河工模型試驗(yàn)中涉水結(jié)構(gòu)物周圍沖淤地形實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)操作簡單，能夠快速獲取任一瞬時(shí)的任一測繪斷面上準(zhǔn)確的三維水下地形數(shù)據(jù)，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(tǒng)進(jìn)行群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化特性的研究，結(jié)果表明，局部沖刷開始以后，向下水流首先在群樁基礎(chǔ)迎水面處形成，故群樁基礎(chǔ)上游河床在向下水流的作用下率先出現(xiàn)沖刷，而后沖刷才向群樁基礎(chǔ)側(cè)面和下游發(fā)展，群樁基礎(chǔ)上游局部沖刷發(fā)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(fā)展過程中，群樁基礎(chǔ)側(cè)面出現(xiàn)局部沖刷坑后，馬蹄形旋渦具有同時(shí)向上游和下游發(fā)展的趨勢，所以沖刷坑也會(huì)沿著群樁基礎(chǔ)側(cè)壁同時(shí)向上游和下游發(fā)展，而且沖刷向上游發(fā)展很快，向下游發(fā)展較慢；沖刷達(dá)到極限狀態(tài)后，群樁基礎(chǔ)周圍的極限沖刷深度值出現(xiàn)在群樁基礎(chǔ)外側(cè)靠近迎水面處。

4) 所開發(fā)的測繪系統(tǒng)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(yàn)中的應(yīng)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(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)的選取及匹配，后期可通過測繪系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于多工況下的河工模型試驗(yàn)和涉水建筑物原型周圍局部沖刷地形獲取及繪制。