海上构筑物地基自动监测系统在深水中的密封保护措施

2013-03-13解林博许浩陈运涛杨京方喻志发朱耀庭

中国港湾建设 2013年2期

解林博，许浩，陈运涛，杨京方，喻志发，朱耀庭

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

随着我国水运工程建设高速发展，海上建筑物逐渐增多，离岸距离越来越远，促使水运建设工程向深水水域发展。在深水区域施工时，水文条件恶劣，地基基础的稳定性较差，因此开展深水地基监测变得非常必要。

在大风、大雪、大雾、台风等恶劣天气期间，海上构筑物地基监测难以正常实施，而恶劣天气对海上建筑物及地基土体的安全极为不利，如何实时、准确地获得此时地基土体的监测数据已成为业内的一大难题，特别是深水建筑物施工期的安全容易受到台风的影响，及时获得台风期间的监测数据以便进行安全分析显得尤为重要。

“具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术”已成功地应用于某深水防波堤工程，该技术可对深水地基土体进行实时监测并对监测数据进行远程水下传输，以便对地基土体的安全性进行及时分析，为施工安全提供了很好的保障，利用该技术大大节省了人力物力，避免了施工与监测的干扰，实现了自动化监测。该技术于2011年7月获得了国家专利[1]。

在深水地基监测工作中，如何做好自动监测系统的水密保护是监测工作的重中之重，本文将重点介绍自动监测系统在深水中的密封保护措施。

1 监测原理

该监测技术包括4个部分：监测传感器、自动测控系统、水下无线传输系统、数据处理系统（PC）。

自动测控系统的测量端子与智能式监测传感器相连接，可以按照预先设置的测量周期自动定时向传感器发射激励信号从而采集传感器的数据，并进行自动存储。

自动测控系统通过RS-232通讯串口与水下无线传输系统进行连接，将采集到的数据自身存储的同时上传至水下无线传输系统的水下机中，数据传输系统利用水声通信原理将自身存储的数据调制到扩频信号，并发送到水声信道中，由上位机接收信号并解调数据，从而实现了测量数据的远程传输，由此可以实现监测的自动化和数据传输的无线化、实时化，形成了一套完整的自动监测系统[2]。

2 应用工程

本技术应用的工程为南海某人工块体护面抛石斜坡堤结构，软基处理采用开挖置换法，原泥面下分布有淤泥层和淤泥质黏土层，软土层平均厚度26m，最大厚度32m，自然水深18～26m，基本挖除上层淤泥，保留淤泥质黏土，挖泥深度20 m左右，挖泥后的水深达45 m，底部高程-38.0～-43.0m，挖泥底宽100～160m，开挖边坡1∶3。堤顶高程7.5m，轴线位置土体上部抛填堤心石加扭王字块最厚达到了50多m，附加应力达到了600 kPa以上。施工现场无掩护，平均每年夏季有4次台风，其余时间受季风影响较大，有效作业天数少。

众多不利因素在业内非常罕见，给施工和监测带来了巨大的挑战。为了及时了解施工期尤其是在台风期间地基土参数的变化情况，确保施工过程中地基土体的安全，并尽可能避免监测过程中对施工船只的干扰，实施自动化监测，决定在本工程采用“具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术”对防波堤地基土体实施监测。全堤共设3个监测断面，分别进行地表沉降监测、孔隙水压力监测和深层土体水平位移监测。

3 监测系统的密封保护措施

由于自动采集单元和水下无线传输系统均放置在水深达25m的海底中，传感器埋设的泥面水深达45m，故水密保护工作至关重要，也最具有难度。下面将重点介绍本工程实例中的水密保护措施。

3.1 传感器的保护措施

由于本工程属深水工程，上部荷载很大，故传感器埋设完毕后需采取保护措施，防止抛填堤心石时将传感器砸坏。

1）仪器出厂前，要求厂家加强仪器自身的密封可靠性并进行密封试验，出具试验报告。

2）对监测断面的开挖边坡进行处理。要求施工单位在监测断面左右各10m范围内由1∶3的边坡改为1∶5的缓坡，再铺设一层1m厚的砂垫层，为导线铺设形成比较平整的下褥层。抛砂溜平后潜水员可在边坡上行走，进行导线保护处理。工作垫层应在仪器埋设前铺设完毕。

3）传感器埋设完毕后，需要潜水员在水下用砂袋将传感器完全覆盖压好，并用U型铁钎将导线保护管每隔2～3m进行固定。

4）在每个监测断面仪器埋设完毕后，在仪器上部抛填一定量的中粗砂作为防砸垫层，在传感器及导线上部形成一条厚3m宽10m的砂梁，防止抛石的碰砸。

3.2 导线的水密保护措施

1）传感器在出厂时附带导线只有2.5m左右，埋设前需要按照计算好的长度进行人工接线，导线焊接点的位置容易在高水头情况下进水，导致仪器失灵，因此需要对其采取密封保护措施。

采用特制的导线连接头进行保护，既有很好的水密功能，又能防止导线连接处受拉。如图1所示。

图1 导线连接头部件

将导线的两个接头分别穿过挤压螺帽、鼓形密封垫圈、穿仓式螺母和密封平垫，其中一个接头穿过带螺丝的圆柱形舱体，将导线的两个接头焊接牢固并用热缩管密封后，将左端的穿舱式螺母紧固在圆柱形舱体上，往舱体中缓慢灌满密封胶，以起到双重止水的作用，最后紧固右端的穿舱式螺母，最后将两端的挤压螺帽拧紧在穿舱式螺母上，待密封胶凝固24 h后可以完全达到防水效果。

2）仪器埋设完毕后，导线顺断面底部引至抛石区域外，在抛石过程中对导线的保护至关重要。本监测方案中对导线的保护措施如下：

①各组传感器导线事先用尼龙绳1m一结的捆好，绳子短而导线长，既将导线整理成束，又可避免导线受拉，还可以为日后地面沉降留出余量。

②传感器埋设完毕后，将导线穿入高强保护管，高强保护管内含4层钢丝，有很强的抗冲击抗剪切性能，可以防止在抛填堤心石过程中块石将导线砸断，从而保证了传感器的正常使用。高强保护管的长度应超出防波提的抛填范围至少50m。

③导线上要印有长度标记，万一发生成束导线被拉断的情况，可以按照长度标记一一对应进行连接。

3.3 自动测控系统的水密保护措施

1）将自动测控系统密封在内外两层密封罐中，起到双重止水效果，提高了密封的性能，如图2所示，图中用密封胶灌装导线接口的是内罐。

图2 在大密封罐内放置内灌

密封罐均采用法兰盘密封，垫片采用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料制作，并在垫片上涂抹密封胶，增强密封性能。

将密封罐的法兰盘紧固完毕后，采用一种高新型密封材料——黏弹体[3]将法兰盘缝隙及焊缝包住，防止海水渗透腐蚀。

2）大密封罐的顶部预留出线孔，用来引导传感器导线进入大密封罐，从而与自动测控系统的测量端子进行连接。采用特制专用的导线出线孔密封件，在导线出线孔的内外两侧均用此密封件将导线紧固，将罐体内部的、密封件之外的导线外皮去掉只留芯线，并在导线出线孔的内侧加灌一定量的环氧树脂密封胶，防止由于导线外皮破损海水沿芯线进入密封罐。接好线的大密封罐体如图3所示。