一种水下桥墩智能防冲刷装置与方法 |
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申请号 | CN202311509554.X | 申请日 | 2023-11-13 | 公开(公告)号 | CN117888502A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
申请人 | 河海大学; | 发明人 | 吴龙华; 李喜元; 杨校礼; 方陈卓; 武煜伦; 张广明; 黄慧; 邓书盼; 刘振洋; | ||||
摘要 | 本 发明 提出了一种 水 下桥墩智能防冲刷装置与方法,该装置包括防护旋转 叶轮 机构,设置在桥墩外围,防护旋转叶轮机构上的 叶片 在水流作用下带动所述叶轮 外圈 绕着桥墩发生转动;升降机构,设置在桥墩和所述防护旋转叶轮机构之间,用于带动整个防护旋转叶轮机构沿桥墩高度方向上、下移动;水位信息采集模 块 ,用于采集墩附近水位及水深信息;控制中心,其 信号 接收端与所述水位信息采集模块连接,信号输出端与所述升降机构连接。本装置在桥墩需要防护且桥墩附近来流条件发生变化时,可以智能调整防护旋转叶轮在水下的高度使得防护旋转叶轮正好处于墩前下行水流所处 位置 ;从而改变桥墩附近的水流结构、实现对水下桥墩的防冲刷保护。 | ||||||
权利要求 | 1.一种水下桥墩智能防冲刷装置,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 一种水下桥墩智能防冲刷装置与方法技术领域背景技术[0002] 桥墩局部冲刷是引起桥梁破坏的重要原因,每年汛期因洪水造成桥梁水毁的直接经济损失多达数十亿元,而且呈逐年上升的趋势。桥梁基础冲刷破坏往往在没有事先预警的情况下突然发生,而且在洪水期间很难被监测到。因桥墩被冲刷的不确定性,造成了解决冲刷问题的难度增大,受损维护成本较高。 [0003] 由于桥墩的存在,水流流经桥墩时流体运动会发生变化,形成了下行水流和绕流现象,下行水流通常在水面以下一定高度形成并在床面处会产生马蹄形漩涡,在桥墩两侧由于截面的压缩,使得流速变大,从而导致桥墩附近的水流紊动加强,在桥墩后方产生明显的尾迹涡流。目前对桥墩的防护大多从以下两个方面进行: [0004] 一种是通过在桥墩周围抛投块石、四面体等材料直接阻隔水流对桥墩的直接冲刷,但在洪水作用下仍有可能把防护材料淘刷冲走,需及时补充防护材料; [0005] 另一种则是在桥墩外围建立防护圈,通过改变水流方向、破坏桥墩周围的水流结构,从而达到防护桥墩的目的。目前,对于桥墩外围建立防护圈也存在两种形式,一种是防护圈位置固定在桥墩外围河床上,直接阻隔水流的冲刷,虽然这种方式可以起到保护桥墩的效果,但防护圈本身也存在冲刷的危险,而且在通航河道还会影响船只的通航安全; [0006] 另外一种则是通过增加浮力装置使得防护圈能随水位的波动而升降,由于防护圈与浮力装置的相对位置是固定的,这种方式只对某种特殊水流条件下的防护效果较好,当来流条件发生较大变化时,其防护效果大为减弱,而且由于防护圈一直在水中,同样对河道上船只的通航安全造成影响。 发明内容[0007] 针对现有水下桥墩防护装置存在的不足,本发明的目的在于提出了一种水下桥墩的智能防冲刷方法与装置,该装置不但可以有效阻断墩前下行水流对河床的冲刷,而且还可以有效破坏桥墩两侧的绕流漩涡,从而改变水下桥墩附近的水流运动方向并破坏原有的水流结构实现对桥墩的冲刷防护。 [0008] 不仅如此,当桥墩附近来流条件发生变化时,该装置上的防护旋转叶轮能够调整在水下的高度,使得防护旋转叶轮正好处于墩前下行水流所处位置,从而有效地阻断墩前下行水流对河床的冲刷,同时还可以通过防护旋转叶轮的旋转有效破坏桥墩两侧的绕流漩涡,改变桥墩附近的流场结构,并降低桥墩附近水流流速大小,从而实现对水下桥墩的防冲刷保护。 [0009] 当桥墩前来流不会对桥墩造成冲刷危害时,该装置的防护旋转叶轮可以脱离水面,从而避免对水上船只航行安全造成影响。 [0010] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现: [0011] 一种水下桥墩智能防冲刷装置,其特征在于,包括: [0012] 防护旋转叶轮机构,设置在桥墩外围,包括叶轮内圈和叶轮外圈,所述叶轮内圈和叶轮外圈之间转动连接,叶轮外圈上沿叶轮外圈周向均匀设置多个叶片,叶轮外圈上的叶片在水流作用下带动所述叶轮外圈绕着桥墩发生转动; [0013] 升降机构,设置在桥墩和所述防护旋转叶轮机构之间,用于带动整个防护旋转叶轮机构沿桥墩高度方向上、下移动; [0014] 水位信息采集模块,用于采集墩附近水位及水深信息; [0016] 所述升降机构包括: [0018] 柱形导轨,上端与所述圆环形底板的底部固定连接,下端沿竖直方向布置,柱形导轨的上端高度不低于最高水位线,柱形导轨上滑动连接有滑块; [0019] 连杆,一端与所述叶轮内圈的内壁固定连接,另一端与所述滑块固定连接; [0021] 所述滑轮升降组件包括: [0022] 绳索卷线轮,与电机驱动轴连接; [0023] 定滑轮,与所述桥墩固定连接; [0024] 动滑轮,固定设置在所述连杆的外壁上,动滑轮的轮轴与所述连杆的轴线共轴; [0025] 绳索,一端绕接在所述绳索卷线轮上,另一端经所述定滑轮换向,然后绕接所述动滑轮后与所述圆环形底板的底部固定连接。 [0026] 所述叶轮内圈和叶轮外圈之间通过轴承转动连接。 [0027] 所述柱形导轨沿桥墩外周均匀设置有多个,每个柱形导轨上滑动连接有一个所述滑块,每个滑块与所述叶轮内圈的内壁之间连接有一根所述连杆; [0028] 所述动滑轮包括两个,以所述桥墩中心对称布置的两根柱形导轨上的连杆上分别设有一个所述动滑轮; [0029] 所述定滑轮包括两个,每个动滑轮的上部对应设置有一个所述定滑轮。 [0030] 所述水位信息采集模块为雷达自动水位计; [0031] 所述控制中心为PLC控制器; [0032] 所述电机为步进电机; [0034] 本发明进一步公开了一种基于所述水下桥墩智能防冲刷装置的工作方法,防护旋转叶轮机构上的叶片在水流作用下带动所述叶轮外圈绕着桥墩发生转动,能够阻断桥墩前下行水流对河床的冲刷、以及破坏桥墩两侧的绕流漩涡,从而改变水下桥墩附近的水流运动方向并破坏原有的水流结构实现对桥墩的冲刷防护; [0035] 当桥墩附近来流条件发生变化时,利用所述水位信息采集模块获得水深信息,然后通过所述控制中心依据水深信息利用升降机构调整防护旋转叶轮在水下的高度,使得防护旋转叶轮正好处于墩前下行水流所处位置; [0036] 当桥墩前来流不会对桥墩造成冲刷危害时,通过控制中心利用升降机构把防护旋转叶轮机构升高脱离水面,从而避免对水上船只航行安全造成影响。 [0037] 所述防护旋转叶轮距离水面的高度h通过下式计算, 其中,H是桥墩当地水深。 [0038] 与现有技术相比,本发明的有益效果是: [0039] 第一.本发明水下桥墩智能防冲刷装置在桥墩需要防护且桥墩附近来流条件发生变化时,可以智能调整防护旋转叶轮在水下的高度使得防护旋转叶轮正好处于墩前下行水流所处位置;防护旋转叶轮在水流的作用下绕桥墩转动,不但可以有效阻断墩前下行水流对河床的冲刷,而且还可以通过防护旋转叶轮的旋转有效破坏桥墩两侧的绕流漩涡,从而改变桥墩附近的水流结构、降低桥墩附近的水流流速大小,实现对水下桥墩的防冲刷保护。 [0040] 第二.由于设有主动式的防护旋转叶轮抬升机构,可以使所述防护旋转叶轮距离水面的高度h保持在一个最佳高度,以提高防护旋转叶轮的防护效果。 [0042] 图1是一种水下桥墩的智能防冲刷方法与装置的立体示意图; [0043] 图2是本发明中柱形导轨的结构示意图; [0044] 图3是本发明中绳索的布置图; [0045] 图4是本发明中连杆的布置图; [0046] 图5是本发明中滑轮的布置图; [0047] 图6是本发明中防护旋转叶轮的结构示意图; [0048] 图7是本发明中叶片的结构示意图; [0049] 图8是本发明中防护旋转叶轮位置的示意图。 [0050] 其中:A—雷达自动水位计,B—控制中心,1—桥墩,2—柱形导轨,3—圆环形底板,4—支撑架,5—步进电机,6—电机座,7—联轴器,8—电机驱动轴,9—绳索卷线轮,10—绳索,11—滑块,12—动滑轮,13—定滑轮,14—连杆,15—紧固螺栓,16—叶轮外圈,17—叶片,18—套筒,19—轴承,20—叶轮内圈,21—水面。 具体实施方式[0051] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0052] 如图1所示,一种水下桥墩的智能防冲刷方法与装置,包括水位信息采集模块、控制中心、防护旋转叶轮、及其升降模块,其特征在于:所述水位信息采集模块设有雷达自动水位计A;所述控制中心B设有PLC编程软件;所述升降模块包括驱动装置和机械升降装置。驱动装置包括步进电机5、电机座6、联轴器7、电机驱动轴8;所述步进电机5安装在电机座6上,所述电机座6竖直安装在支撑架4上,并通过联轴器7与电机驱动轴8相连;所述机械升降装置包括滑轮组机构、柱形导轨2、滑块11、连杆14、叶轮外圈16和叶轮内圈20; [0053] 所述滑轮组机构设有绳索卷线轮9、绳索10和滑块11,所述绳索卷线轮9布设在所述电机驱动轴8上,所述绳索10的一端缠绕在所述绳索卷线轮9上,所述绳索10的另一端通过动滑轮12后固定到所述圆环形底板3的下方; [0054] 所述雷达自动水位计A、所述控制中心B和所述步进电机5之间通过相匹配的接口模块依次用RS‑485串行总线标准进行通讯;所述叶轮外圈16设置在桥墩1外围,所述叶轮外圈16的外围均匀布置套筒18,叶片17嵌入在所述套筒18内,所述叶轮外圈16与叶轮内圈20中间设置一个轴承19; [0055] 所述柱形导轨2竖直均匀布置在桥墩1外围;所述滑块11安装在所述柱形导轨2的底部;所述叶轮内圈20与所述滑块11之间通过连杆14相连接;所述机械升降装置通过滑轮组机构与所述电机驱动轴8相连接。 [0056] 当桥墩1附近来流条件发生变化时,通过雷达自动水位计A对桥墩1附近水面处的水深进行监测,将雷达自动水位计A监测的水深信息传输到控制中心B,然后通过控制中心B依据水深信息利用步进电机5调整整个防护旋转叶轮在水下的高度。 [0057] 具体地,所述雷达自动水位计A采用一体化设计,无可动部件,采用非接触式测量,不受大气、挥发物、空间等环境因素影响。 [0058] 具体地,所述防护旋转叶轮的外形设计成圆形,相比矩形结构,圆形防护旋转叶轮的防护效率不会随着水流入射角的改变而发生波动; [0059] 一般地,所述防护旋转叶轮的外径越大,其防护效果越好。但防护旋转叶轮的外径选取应综合考虑,需考虑实际的工程造价以及安装难度做出一定的取舍,不能无限增加防护旋转叶轮的外径。为防止防护旋转叶轮因水流冲蚀或碎石撞击发生破坏,防护旋转叶轮一般采用高强度且耐腐蚀的金属或合金材料。 [0060] 具体地,所述防护旋转叶轮距离水面的高度h与水深H有关,当 时,可以有效提高防护旋转叶轮的防护效果。 [0061] 一般来说,所述叶片17的叶片倾角在30度到60度之间,这样可以获得比较均匀且稳定的水流冲力。在同一水深和流速下,叶片的叶面与平面呈30度到45度之间的角度得到的水流冲力更大,所述叶片17承受水流的冲力从而带动防护旋转叶轮绕着轴承19发生转动。 |