浅水环境下声学探测墩柱水下结构工作平台及方法

技术领域

本发明涉及一种浅水环境下声学探测墩柱水下结构工作平台及方法，属于墩柱水下检测领域。

背景技术

桥梁在服役过程中，在水流冲刷等因素长期作用下，会产生如裂缝、破损等病害，长此以往会对桥梁结构的整体性和稳定性产生影响，存在极大的安全隐患。因此，对桥梁墩柱水下部分的表观损害检测具有十分重要的意义。而利用声呐进行桥墩水下结构检测较传统人工探摸和光学成像检测在浑浊河水中有其独特优势。针对较浅的河流（即浅水环境），如水深在2.5m及以下，声呐探测识别会受到强烈的声信号回波反射，声呐成像效果不佳，难以准确定量分析。

发明内容

本发明提供了一种浅水环境下声学探测墩柱水下结构工作平台及方法，解决了背景技术中披露的问题。

根据本公开的一个方面，提供一种浅水环境下声学探测墩柱水下结构工作平台，包括：

漂浮平台，探测时漂浮在水面上，并通过抱箍装置与墩柱连接；

若干限位杆，探测时穿过漂浮平台或抱箍装置，底端嵌入河床；

声呐控制装置，设置在漂浮平台上，探测时安装声呐探测装置，并控制声呐探测装置的位置、垂直角度和水平角度。

在本公开的一些实施例中，漂浮平台的底部设置有消音件。

在本公开的一些实施例中，抱箍装置包括第一钳头、第二钳头和锁柱箍，第一钳头和第二钳头分别设置在漂浮平台一侧的两端，锁柱箍的两端分别连接第一钳头和第二钳头。

在本公开的一些实施例中，钳头面向墩柱的面为活动面，钳头上设置有调节装置，调节装置用以调节活动面面向墩柱的移动距离。

在本公开的一些实施例中，活动面面向墩柱的一侧、漂浮平台面向墩柱的一侧均设置有耐磨缓冲条。

在本公开的一些实施例中，声呐控制装置包括锁定式滑动组件、第一控制杆和第二控制杆，锁定式滑动组件设置在漂浮平台非面向墩柱的侧面，第一控制杆设置在锁定式滑动组件的滑动件上，并能在滑动件上升降和旋转，第一控制杆上连接有连接件，第二控制杆升降设置在连接件上，第一控制杆和第二控制杆的底部连接声呐探测装置；其中，第一控制杆升降调整声呐探测装置的入水深度，第一控制杆旋转调整声呐探测装置的水平角度，第二控制杆升降调整声呐探测装置的垂直角度，锁定式滑动组件的锁定点为探测点。

在本公开的一些实施例中，第一控制杆上设置有指示水平角度的指示件，指示件包括套在第一控制杆上的角度指示标、以及设置在滑动件上的可旋转角度盘。

根据本公开的另一个方面，提供一种浅水环境下声学探测墩柱水下结构工作平台的使用方法，包括：根据浅水环境和墩柱信息，在水面一个方位搭建上述工作平台；通过声呐控制装置控制声呐探测装置的位置、垂直角度和水平角度，获取不同位置、不同垂直角度和不同水平角度的水下声呐数据。

根据本公开的另一个方面，提供墩柱水下结构的损害分析方法，包括：采用上述工作平台的使用方法，获取不同方位的水下声呐数据；根据不同方位的水下声呐数据，对墩柱水下结构损害情况进行分析。

本发明所达到的有益效果：本发明实现了浅水环境下的声呐探测工作平台，通过声呐控制装置控制声呐探测装置的位置、垂直角度和水平角度，可实现声呐数据定量定性分析，结合即作为稳定件又作为标识物的限位杆，可实现准确的病害位置、大小等信息分析。

附图说明

图1为工作平台的结构示意图；

图2为工作平台的俯视图；

图3为钳头内部的结构示意图；

图4为声呐控制装置的结构示意图；

图5为垂直角度调节的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外具有说明，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置、不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不做详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同值。

应注意到：相似的符号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了解决浅水环境下无法准确定量分析的问题，本公开提出一种浅水环境下声学探测墩柱1水下结构工作平台及其使用方法，通过对声呐探测装置10进行三维定位，即定位声呐探测装置10的位置、垂直角度和水平角度，实现声呐数据定量定性分析。

图1为本公开浅水环境下声学探测墩柱1水下结构工作平台一个实施例的示意图，包括漂浮平台2、若干限位杆5和声呐控制装置；其中，探测时，漂浮平台2漂浮在水面上，并通过抱箍装置6与墩柱1连接；探测时，限位杆5穿过漂浮平台2或抱箍装置6，限位杆5的底端嵌入河床，即可以稳定漂浮平台2，也可以作为分析时的标识物；声呐控制装置安装在漂浮平台2上，探测时，声呐控制装置上安装声呐探测装置10，声呐控制装置用以控制声呐探测装置10的位置、垂直角度和水平角度。

需要说明的是，漂浮平台2的长宽根据墩柱1的直径确定，一般长度设置为3~5倍的墩柱1直径，宽度设置为2~3倍的墩柱1直径。漂浮平台2可以采用可拆卸式浮箱平台，具体包括多个边缘带孔位的浮箱块，各浮箱块通过插入螺栓连接，此种结构可实现快速安装和拆卸。

在一些实施例中，为了降低漂浮平台2对声信号的反射，一般可通过卡扣等，在漂浮平台2的底部安装消音件3，具体为消音垫，消声垫材料可采用吸声系数不少于0.8的高频消声材料，如岩棉纤维、有机纤维、泡沫棉、玻璃纤维等的一种或多种组成，厚度不超过0.1倍水深。

需要说明的是，抱箍装置6可以直接采用现有的抱箍，但是抱箍拆卸不是很方便，因此在一些实施例中，如图2所示，抱箍装置6包括第一钳头601、第二钳头602和锁柱箍604，第一钳头601和第二钳头602分别安装在漂浮平台2一侧的两端，钳头长度不应小于0.8倍墩柱1直径，最大偏移中心距离（即钳头安装位置到漂浮平台2侧部中心距离）不能超过0.7倍墩柱1直径，锁柱箍604绕过墩柱1，锁柱箍604的两端分别连接第一钳头601和第二钳头602，通过第一钳头601、第二钳头602和锁柱箍604共同箍紧墩柱1。

需要说明的是，锁柱箍604为一种软绳，材料耐磨耐腐蚀，可以由如纤维、聚乙烯、钢丝等的一种或多种组成。为了便于锁柱箍604连接，可在钳头端部开连接孔，锁柱箍604的端部可以穿过连接孔系在钳头上，方便连接和拆卸。

由于不同的墩柱1往往存在不同的直径，为了适配多种直径的墩柱1，同时为了增强连接可靠性，在一些实施例中，将钳头面向墩柱1的面设置为活动面，具体在钳头上设置调节装置，通过调节装置调节活动面面向墩柱1的移动距离。即当墩柱1位于第一钳头601和第二钳头602之间、且需要箍紧墩柱1时，可调节活动面，使活动面最大程度的抵靠墩柱1，当需要拆卸时，也仅需调节活动面，使活动面远离墩柱1。

调节装置可以如图3所示，包括安装在钳头上的旋钮603，旋钮603通过传动组件连接活动面，传动组件的结构可以有多种，如现有的链齿传动，最简单的可以包括一个转动安装在钳头内齿轮和一个滑动安装在钳头内的齿条，旋钮603带动齿轮旋转（旋钮603和齿轮可同轴连接，或者旋钮603通过皮带等带动齿轮），齿轮与齿条啮合，齿轮转动时，齿条带动固定在齿条上的活动面前后移动，当活动面已经最大程度的抵靠墩柱1时，可将旋钮603限位，或者齿条限位，具体如采用插销进行限位。

在一些实施例中，活动面面向墩柱1的一侧、漂浮平台2面向墩柱1的一侧均安装有耐磨缓冲条4，采用橡胶材质；其中，漂浮平台2面侧面的耐磨缓冲条4为长方体，具体可安装在漂浮平台2面侧面中心，可以有效防止漂浮平台2侧面与墩柱1的摩擦；活动面的耐磨缓冲条4与墩柱1适配，如弧形耐磨缓冲条4，一般长70cm，宽10cm左右，在增大活动面与墩柱1摩擦力的同时防护活动面。

需要说明的是，限位杆5的安装位置可根据实际情况而定，如图1中，设置了四个限位杆5，两个位于远离墩柱1的漂浮平台2拐角处，具体是远离墩柱1的漂浮平台2拐角处开设限位孔，另外两个分别位于第一钳头601和第二钳头602处，具体是在第一钳头601和第二钳头602上开设限位孔，限位杆5穿过限位孔嵌入河床。为了适配不同深度的河床，限位杆5由多节可拆卸串联而成，每节的内径约为25mm~35mm。限位杆5用来增加漂浮平台2的稳定性，同时也可作为标识物，在探测墩柱1水下结构时能指示观测位置以及分析病害的位置、大小等信息。

在一些实施例中，如图4所示，声呐控制装置包括锁定式滑动组件7、第一控制杆8和第二控制杆9，锁定式滑动组件7安装在漂浮平台2非面向墩柱1的侧面，第一控制杆8安装在锁定式滑动组件7的滑动件上，并能在滑动件上升降和旋转，第一控制杆8上安装连接件803，第二控制杆9升降安装在连接件803上，第一控制杆8和第二控制杆9的底部连接声呐探测装置10；其中，第一控制杆8升降调整声呐探测装置10的入水深度，第一控制杆8旋转调整声呐探测装置10的水平角度，第二控制杆9升降调整声呐探测装置10的垂直角度，锁定式滑动组件7的锁定点为探测点。

声呐控制装置通过锁定式滑动组件7移动声呐探测装置10，实现探测点的调节（即探测点到墩柱1距离），通过第一控制杆8实现探测深度（即入水深度）和水平角度的调节，通过第二控制杆9实现垂直角度的调节。该声呐控制装置结构简单，组装方便。

需要说明的是，锁定式滑动组件7具体包括锁定式滑轨701和与锁定式滑轨701匹配的滑块703。

以图1中的漂浮平台2为例，锁定式滑轨701可安装在非面向墩柱1的三个侧面上，并且沿侧面长度方向设置。由于在进行墩柱1水下检测时，距离过近或声呐探头方向与墩柱1的夹角过小等均不能有良好的成像，因此锁定式滑轨701在漂浮平台2两侧的长度最多不宜超过0.8倍的漂浮平台2台宽，另一面侧的长度与漂浮平台2台宽相同。

锁定式滑轨701是在传统滑轨的基础上增加了一些锁定凸起702，锁定凸起702朝向且间隔分布，锁定凸起702根据观测点位进行分布，即每个锁定凸起702对应一个观测点位，这里的间隔设置为50cm，锁定凸起702采用圆柱形凸起，圆柱形凸起的直径范围为15mm-20mm。

与锁定式滑轨701匹配的滑块703，具体是在滑块703上固定锁扣704，当需要固定时，仅需将锁扣704扣在锁定凸起702上。当然为了进一步防止滑块703移动，可在滑块703上安装紧固螺栓，当需要固定时，不仅将锁扣704扣在锁定凸起702上，还拧动紧固螺栓，使紧固螺栓的底端抵住滑轨，保证滑块703与滑轨之间完全固定。

需要说明的是，杆的升降结构有很多，如采用电缸升降等，为了降低成本，在本发明中采用一些常见的结构实现杆升降固定，如图4，具体在滑块703上开设穿第一控制杆8的孔，滑块703上拧有伸入孔的紧固螺栓，第一控制杆8穿在孔内，采用手动方式实现第一控制杆8的转动和升降，当需要固定时，拧动紧固螺栓，使紧固螺栓端部抵靠第一控制杆8，实现第一控制杆8固定。

如图5，连接件803安装在第一控制杆8的上端，连接件803上开设螺孔，第二控制杆9采用的是螺杆，第二控制杆9拧入螺孔内，通过第二控制杆9的转动实现第二控制杆9的升降。为了便于拧第二控制杆9，在第二控制杆9的上端安装把手901。

第一控制杆8与声呐探测装置10的安装处、以及第二控制杆9与声呐探测装置10的安装处均位于声呐探测装置10的同一侧面，第一控制杆8的底部可通过径向转轴转动连接声呐探测装置10侧面，第二控制杆9的底部可同轴转动连接一延长杆，延长杆的底部可通过径向转轴转动连接声呐探测装置10侧面。当第一控制杆8转动时，带动声呐探测装置10在水平方向转动，从而调节声呐探测装置10的水平角度，当第一控制杆8固定、第二控制杆9转动时，与第一控制杆8连接的声呐探测装置10端部不动，与第二控制杆9连接的声呐探测装置10端部升降，从而调节声呐探测装置10的垂直角度。

为了便于调节指示，可在锁定式滑轨701上设置指示距离的指示件，在第一控制杆8上设置指示深度的指示件和指示水平角度的指示件；其中，指示距离的指示件采用设置在滑轨上的距离刻度，指示深度的指示件采用设置在第一控制杆8上的深度刻度，指示水平角度的指示件包括套在第一控制杆8上的角度指示标、以及安装在滑块703上的可旋转角度盘801。第一控制杆8控制声呐探测装置10深度，第二控制杆9的上端把手901控制声呐探测装置10垂直角度，角度指示标和可旋转角度盘801等控制声呐探测装置10水平角度，从而控制声呐探测装置10三维变化。

见图4，角度指示标可采用深槽式角度指示标802，可旋转角度盘801为半圆筒状，顶部有角度盘，底部与滑块703连接且可旋转，具体可使用紧固螺母使可旋转角度盘801固定，以便于在任何观测点位都能灵活控制水平角度变化。

声呐控制装置移动并固定至某一位置后，调整可旋转角度盘801使其顶部角度盘的弧顶朝向与声呐探测装置10朝向相同，然后使用紧固螺母将可旋转角度盘801固定，同时调整深槽式角度指示标802使其指向至某一刻度（如0度方向）作为初始位置，并将其固定在第一控制杆8上，此时仅需转动第一控制杆8即可带动整深槽式角度指示标802在可旋转角度盘801上转动，即可按所需的水平角度调整声呐探测装置10。

在上述平台的基础上，本公开了上述平台的使用方法，包括：

步骤1，根据浅水环境和墩柱1信息，在水面一个方位搭建上述工作平台；

步骤2，通过声呐控制装置控制声呐探测装置10的位置、垂直角度和水平角度，获取不同位置、不同垂直角度和不同水平角度的水下声呐数据。

需要说明的是，结合图1的结构，上述方法的具体步骤为：

（1）依据所测墩柱1直径与实际水深分别测算出漂浮平台2的长宽（即所需浮箱块数量）和限位杆5的长度，搭建漂浮平台2并连接抱箍装置6。

（2）选择检测方向后，将抱箍装置6的第一钳头601和第二钳头602扣在墩柱1侧壁上，适当转动旋钮603，使耐磨缓冲条4与墩柱1贴紧，插入限位杆5，使用锤压击打等方式使其稳定插入河床，再将锁柱箍604绕过墩柱1且系紧。

（3）将声呐探测装置10固定在声呐控制装置上，根据观测点位，将第一控制杆8移至相应位置并固定滑块703。

（4）根据观测点位与所测墩柱1的方位，调节可旋转角度盘801并固定，下放声呐探测装置10至合适深度，将深槽式角度指示标802与可旋转角度盘801略微贴合并紧固。

（5）使用声呐控制装置调节声呐探测装置10，获取不同位置、不同垂直角度和不同水平角度的水下声呐数据。

需要说明的是，上述工作平台需要配合终端使用，如电脑等，在终端侧进行数据分析，即墩柱水下结构的损害分析方法，可以包括：采用上述工作平台的使用方法，获取不同方位的水下声呐数据；根据不同方位的水下声呐数据，对墩柱水下结构损害情况进行分析。

具体是：取出限位杆5，放松抱箍装置6，旋转漂浮平台2至其他方位，重复（2）~（5），对墩柱1进行全方位水下检测，根据所测墩柱1水下结构的声呐数据，对墩柱1水下结构损害情况进行分析。

本发明采用漂浮平台2，并且漂浮平台2通过抱箍装置6与墩柱1连接，采用限位杆5对漂浮平台2进行限位，可在起伏的水流中更加平稳，且可围绕墩柱1四周转动；本发明通过声呐控制装置控制声呐探测装置10的位置（包括距离和深度）、垂直角度和水平角度，即精准控制声呐探测装置10的三维位置，可实现声呐数据定量定性分析，结合即作为稳定件又作为标识物的限位杆5，可实现准确的病害位置、大小等信息分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。