一、項(xiàng)目背景
甘肅姚河位于平?jīng)鍪芯硟?nèi)，屬?zèng)芎又Я鳎饔騼?nèi)季節(jié)性降水差異顯著，汛期(7-9月)降水占全年總量的60%以上，洪水期水流流速可達(dá)3.5m/s，且水流裹挾大量泥沙、礫石，對(duì)沿河橋梁基礎(chǔ)造成嚴(yán)重沖刷風(fēng)險(xiǎn)。
此前橋梁運(yùn)維單位主要采用“季度人工探摸+汛期水上測(cè)深”的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)模式，存在三大核心痛點(diǎn)：一是洪水期水流湍急、含沙量高，水下作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)極大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)汛期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);二是人工測(cè)量數(shù)據(jù)離散性大，難以捕捉?jīng)_刷坑動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，曾出現(xiàn)2次預(yù)警滯后導(dǎo)致的臨時(shí)交通管制事件;三是監(jiān)測(cè)成本高，單橋年均水下探摸、巡檢費(fèi)用超18萬(wàn)元，且無(wú)法形成連續(xù)的沖刷數(shù)據(jù)檔案。
二、設(shè)備選型與部署方案
(一)設(shè)備選型
針對(duì)姚河水文特性，項(xiàng)目組對(duì)比聲吶、雷達(dá)、光纖光柵等技術(shù)路線后，最終選用大禹電子SNW-CS型一體式超聲波沖刷傳感器，核心適配性優(yōu)勢(shì)如下：
復(fù)雜工況適應(yīng)性強(qiáng)：采用超聲波脈沖測(cè)距技術(shù)，可在含沙量≤30kg/m3、流速≤3m/s的高濁度水流中穩(wěn)定工作，完全適配姚河汛期高含沙、大流速的環(huán)境;同時(shí)支持沖刷深度、河床高程、水位、流速四參數(shù)同步監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水文變化與沖刷過(guò)程的聯(lián)動(dòng)分析。
測(cè)量精度滿足規(guī)范要求：沖刷深度測(cè)量范圍0-15m，測(cè)量誤差≤±5cm，采樣頻率可根據(jù)需求設(shè)置為1分鐘-1小時(shí)可調(diào)，可精準(zhǔn)識(shí)別局部沖刷、一般沖刷的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，解決了洪水期無(wú)法監(jiān)測(cè)的行業(yè)痛點(diǎn)。
長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性高：設(shè)備防護(hù)等級(jí)達(dá)IP68，水下部分無(wú)活動(dòng)部件，搭配防水流沖擊安裝支架，設(shè)計(jì)壽命≥10年;支持RS485/Modbus-RTU協(xié)議，可直接接入現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具備斷點(diǎn)續(xù)傳、遠(yuǎn)程校準(zhǔn)功能，實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備免維護(hù)。
(二)點(diǎn)位布設(shè)與安裝
結(jié)合姚河水文勘測(cè)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組選取4個(gè)沖刷風(fēng)險(xiǎn)最高的主河槽橋墩作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，布設(shè)方案如下：
每個(gè)橋墩迎水面、側(cè)水面各安裝1臺(tái)傳感器，共布設(shè)12臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，波束垂直對(duì)準(zhǔn)河床，避開(kāi)橋墩周圍渦流區(qū)與承臺(tái)遮擋，實(shí)現(xiàn)沖刷坑發(fā)育全過(guò)程覆蓋;
水下線纜采用凱夫拉防磨護(hù)套，沿橋墩側(cè)壁采用不銹鋼抱箍固定，水下接頭處做雙重防水密封處理，抵御汛期漂浮物、礫石沖擊;
數(shù)據(jù)采集終端安裝于橋墩頂部，搭配太陽(yáng)能+鋰電池供電系統(tǒng)(續(xù)航≥30天)，無(wú)需外接電源即可實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至甘肅省橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
(三)系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)采用“感知層-傳輸層-平臺(tái)層-應(yīng)用層”四級(jí)架構(gòu)：
感知層：12臺(tái)超聲波沖刷傳感器實(shí)時(shí)采集沖刷深度數(shù)據(jù);
傳輸層：通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)上傳至墩頂采集終端，經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端平臺(tái);
平臺(tái)層：部署橋梁沖刷監(jiān)測(cè)專項(xiàng)模塊，具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、趨勢(shì)分析、閾值預(yù)警功能;
應(yīng)用層：面向運(yùn)維單位提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警推送、沖淤分析、養(yǎng)護(hù)決策支撐服務(wù)。
三、應(yīng)用成效
系統(tǒng)自2025年投運(yùn)以來(lái)，已穩(wěn)定運(yùn)行7個(gè)月，成功經(jīng)受住2026年汛期3次洪峰考驗(yàn)，核心成效如下：
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠：設(shè)備整體在線率達(dá)98.7%，汛期高含沙水流條件下未出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移、丟包問(wèn)題，精準(zhǔn)捕捉了3次洪水過(guò)程中“沖刷-回淤”的完整變化曲線，數(shù)據(jù)與人工復(fù)測(cè)結(jié)果偏差≤1.8%，完全滿足橋梁安全監(jiān)測(cè)要求。
預(yù)警響應(yīng)效率顯著提升：系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)沖刷閾值預(yù)警(一級(jí)預(yù)警：沖刷深度達(dá)設(shè)計(jì)值70%，二級(jí)：達(dá)90%，三級(jí)：超設(shè)計(jì)值)，應(yīng)急響應(yīng)效率較傳統(tǒng)模式提升62%
管養(yǎng)成本大幅降低：在線監(jiān)測(cè)替代了傳統(tǒng)水下探摸、船只測(cè)深等高危作業(yè)，年均減少水下作業(yè)量85%以上，大幅降低了人員作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。
支撐科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策：系統(tǒng)已形成4個(gè)橋墩的“一墩一檔”沖刷動(dòng)態(tài)檔案，通過(guò)對(duì)6個(gè)月沖淤數(shù)據(jù)的分析，運(yùn)維單位優(yōu)化了3個(gè)橋墩的拋石防護(hù)范圍，較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方案減少防護(hù)工程量23%，節(jié)約加固費(fèi)用近40萬(wàn)元，為橋梁全生命周期管養(yǎng)提供了數(shù)據(jù)支撐。
四、項(xiàng)目總結(jié)
本項(xiàng)目是大禹電子橋墩沖刷監(jiān)測(cè)傳感器在西北季節(jié)性河流場(chǎng)景的典型成功應(yīng)用，驗(yàn)證了超聲波沖刷監(jiān)測(cè)技術(shù)在高含沙、大流速、季節(jié)性洪水區(qū)域的適配性：一是解決了西北河流汛期無(wú)法開(kāi)展沖刷監(jiān)測(cè)的行業(yè)痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了水下隱蔽風(fēng)險(xiǎn)的透明化、連續(xù)化感知;二是形成了可復(fù)制的“設(shè)備選型-點(diǎn)位布設(shè)-平臺(tái)接入-運(yùn)維管理”標(biāo)準(zhǔn)化方案，可為黃河流域、西北內(nèi)陸河區(qū)域同類型橋梁沖刷監(jiān)測(cè)提供參考。
