離岸深水區(qū)筑堤工程水下自動化監(jiān)測及應用

孫吉 張陽

摘 要：離岸深水區(qū)有著復雜、惡劣的水文地質環(huán)境，其最常見的基礎形式為天然軟土地基。軟土地基的強度和變形均無法滿足工程要求，都必須進行加固處理，同時在施工前后監(jiān)測其穩(wěn)定性。離岸深水區(qū)筑堤工程的水下軟基監(jiān)測技術研究遠不如近海陸地軟基監(jiān)測的研究多，其自動化監(jiān)測的發(fā)展及應用應當引起重視。

關鍵詞：離岸深水區(qū)；防波堤；水下監(jiān)測；自動化

中圖分類號：U693 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）5-0038-03

當前，世界各國港口建設發(fā)展迅猛，逐漸向深水、大型、專業(yè)化發(fā)展，港址也由自然條件較好的天然海灣開始向遠海轉移，在自然條件更為惡劣的環(huán)境中修建防波堤勢在必行。離岸深水區(qū)復雜的水下環(huán)境、深厚軟土層對于防波堤的設計、施工及運營維護將帶來很大的影響，同時也對防波堤的安全穩(wěn)定性提出了較高的要求。

水下軟土地基監(jiān)測作為重要的監(jiān)控手段，具有高度的真實性和可靠性，是實現(xiàn)信息化施工的重要保障。

軟基穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在變形上，主要包括兩個方面：沉降與水平位移。目前國內普遍采用傳統(tǒng)監(jiān)測方法，比如地表沉降，一般采用沉降盤通過人工測讀水準的方式進行監(jiān)測，但其存在諸多缺點：①離岸深水區(qū)距岸線較遠，在筑堤工程上很難設立穩(wěn)固的基準點，測試精度無法保證；②沉降板布設于堤身或水下，極易受風浪、施工機械等因素影響而導致破壞，保護難度很大；③沉降板一旦遭到破壞，很難修復甚至無法原位重新埋設，數(shù)據(jù)的連續(xù)性無法保證，更無法實現(xiàn)施工過程的安全監(jiān)控；④儀器分辨率不高，通過人工讀數(shù)，精度差、效率低。

相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方法，自動化等新型監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好的解決現(xiàn)有技術在深水區(qū)使用、儀器保護及數(shù)據(jù)采集等問題。本文以美國基康公司的GK-4600型振弦式沉降儀和BGK-6150-1單軸固定測斜儀為例，介紹儀器的傳感原理及測量原理，并結合工程實例，說明其在離岸深水區(qū)筑堤工程軟基變形監(jiān)測中的實際應用效果。

1 監(jiān)測儀器簡介

1.1 GK-4600型振弦式沉降儀

GK-4600型振弦式沉降儀為液體壓差式沉降儀，由傳感器、液體傳遞管路和儲液罐等組成，其主要原理為通過讀取儲液罐與傳感器之間的壓力差值計算兩個測點之間的距離變化（如圖1所示）。

沉降儀的安裝埋設如圖2所示，先鉆探成孔，將孔底的居中定位裝置導入鉆孔內壓實并采用水泥砂漿灌漿固定在非壓縮土層內，其上連接傳感器，傳感器的通氣、通液電纜引至儲液罐，儲液罐則與沉降盤連接，最終將沉降盤安裝固定在孔口處，傳輸電纜引至岸上。當?shù)鼗两禃r，系統(tǒng)內部液壓的變化通過雙路管傳遞至傳感器，再通過數(shù)據(jù)采集裝置讀出傳感器振弦頻率的變化，則可換算為沉降值。

1.2 BGK-6150-1單軸固定測斜儀

BGK-6150-1單軸固定測斜儀是一種自動化監(jiān)測儀器，具有高靈敏度、高精度和高穩(wěn)定性等特點，通過組裝拼接成整體后，安裝在測斜管中與其同步移動，以監(jiān)測邊坡、滑坡體、堤壩等結構的水平變形。配合自動化數(shù)據(jù)采集設備，可以實現(xiàn)無人值守、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集，監(jiān)測人員能夠實時掌握土體變形情況，以便做出準確、有效的決策。

全套儀器由不銹鋼連接桿、傳輸電纜、滑輪組件（固定滑輪和彈性壓力滑輪）、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀組成。埋設時先鉆探成孔安裝測斜管，再通過邊下邊接的方式使用鋼纜繩將傳感器放入測斜管內，同時保證固定滑輪與測斜方向一致，最后將傳輸電纜引至岸上。（見圖3）

當測點部位的土體產(chǎn)生位移，測斜管同步也會發(fā)生位移，測斜管內傳感器能敏感地測量出測斜管傾斜角度發(fā)生的變化，按測點傳感器的分段長度，可以分別求出該處高程水平位移增量。假設測斜管底部為固定端，從測斜管底部測點開始逐段疊加，可以計算任一高程處的實際水平位移。

2工程實例

2.1 工程概況

某海港防波堤一期工程位于膠東半島南岸的乳山口與丁字河口之間的海陽市鳳城街道近海岸海域，共計3700米長。施工圖一階段批復防波堤工程采用拋石斜坡堤結構，外側及堤頭采用5T扭王字塊護面。

按設計要求，斷面堤身兩側擠淤鼓包須挖除，考慮到現(xiàn)場無拋泥點，以及考察周邊護堤施工設計方案，取消兩側護坦位置開挖換填，采用拋石壓腳方案。

為確定拋石及下臥軟土層的穩(wěn)定性，保證護面扭王字塊不產(chǎn)生后續(xù)滑移，設計對防波堤東側護坦部位拋石面進行表層沉降及深層水平位移監(jiān)測。

該監(jiān)測部位工作面位于水下2.0米左右，為方便監(jiān)測，表層沉降監(jiān)測選用GK-4600型振弦式沉降儀；深層水平位移監(jiān)測選用BGK-6150-1單軸固定測斜儀。監(jiān)測周期6個月，埋設后前三個月每天測量一次，后三個月每一周監(jiān)測一次，直至位移穩(wěn)定。

2.2 監(jiān)測點布置

本項目設置三個監(jiān)測斷面，平面布置示意圖及監(jiān)測斷面示意圖如圖4及圖5所示：

2.3 監(jiān)測結果及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)防波堤布設的監(jiān)測斷面剖面圖，選擇有代表性的K3+180斷面，斷面上埋設有表層沉降觀測點180-SP-1、180-SP-2以及深層水平位移觀測點180-INC-1、180-INC-2，其中編號為1和2的觀測點分別位于近堤處和遠堤處。

2.3.1 表層沉降監(jiān)測

180-SP-1號監(jiān)測點于2014年10月18日開始監(jiān)測，截止2015年3月19日，累計沉降為33mm，最大日沉降為2mm。

180-SP-2號監(jiān)測點于2014年10月31日開始監(jiān)測，截止2015年3月19日，累計沉降為22mm，最大日沉降為2mm。

由于180-SP-1號點為防波堤近端表層沉降觀測點，且施工單位提供了防波堤K3+180斷面前期實測沉降數(shù)據(jù)，宏觀結合前期實測沉降數(shù)據(jù)對K3+180斷面進行綜合分析、計算。

K3+180斷面監(jiān)測點于2012年12月21日開始監(jiān)測，截止2015年3月19日，其累積沉降為146mm。

利用Asaoka法對各監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析、計算，結果見表1、2。

2.3.2 深層水平位移監(jiān)測

180-INC-1號監(jiān)測點于2014年10月7日開始監(jiān)測，截止2015年3月19日，最大累積位移值為8mm，土體深度4.25m處；最大日位移為2mm。

180-INC-2號監(jiān)測點于2014年10月7日開始監(jiān)測，截止2015年3月19日，最大累積位移值為3mm，土體深度11.14m處；最大日位移為3mm。

2.3.3 監(jiān)測結果分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和處理結果分析可以得知，各沉降監(jiān)測點固結度均大于90%，各深層水平位移變化量極小，且處于收斂趨勢，因此，可以判斷該防波堤K3+180斷面東側護坦部位土體已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結論

（1）通過實際工程運用情況可以看出，這兩種監(jiān)測設備所測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律性好、穩(wěn)定性強、無異常點、無零飄，屬于比較理想的水下軟基監(jiān)測儀器。

（2）該類監(jiān)測設備結構簡單、操作方便、測試精度高，目前已經(jīng)可以實現(xiàn)自動監(jiān)測，云端上傳，監(jiān)測人員能夠隨時查看現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)變化情況，對于數(shù)據(jù)異常或者變形量超標能夠及時反饋發(fā)出警報，大大降低了人工成本，有效克服了現(xiàn)在技術中存在的多數(shù)缺點，具有廣泛的應用價值。

（3）理論上來說，自動化監(jiān)測受到氣候條件影響是比較小的，但為了排除其可能產(chǎn)生的影響，還需要進行長期的評估研究以及適當?shù)男拚?/p>

（4）目前我國對于離岸深水筑堤工程軟基監(jiān)測的控制指標并不完善。在實際工程運用中，各類軟基監(jiān)測均簡單借鑒堆載預壓工程的相關控制標準，為更好地保證工程安全，各類地基處理工程控制指標及標準均需按實際情況分別制定。

參考文獻：

[1] 苗中海，張敬，高志義，葉國良，港口工程水下地基原位自動監(jiān)測技術研究，中國交通建設集團有限公司第一屆科技大會論文集

[2] 傅建偉，鄧加亮，林清基，王建華，陽江某臨海工程軟基監(jiān)測，施工技術，2013，（42）

[3] 余太金，水下軟基處理工程沉降位移動態(tài)監(jiān)測，有色金屬礦產(chǎn)與勘查，1995，4（6）

[4] 王美茹，深水防波堤設計方法初探，港工技術，2010，47（3）

[5] 朱高峰，軟土地基海堤工程監(jiān)測穩(wěn)定控制標準探討，水運工程，2009，（2）

[6] 龍生海，海堤原位監(jiān)測及沉降預測研究，東南大學，2013

[7] 解林博，離岸深水構筑物軟土地基監(jiān)測研究，天津大學建筑工程學院，2013

[8] 肖忠，軟土地基上新型防波堤結構的穩(wěn)定性分析，天津大學，2009

[9] 余海忠，劉國楠，徐玉勝，拋石擠淤成堤斷面形態(tài)研究，中國鐵道科學，2011，32（3）

[10] 夏才初，潘國榮等，土木工程監(jiān)測技術，中國建筑工業(yè)出版社，2001.78～86

[11]高志義，苗中海，葉國良等，水下地基形態(tài)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，中國港灣建設，2007，（151）