涉水区软土地基大变形沉降观测装置试验研究

吴雄伟，姜建芳，金华辉

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

涉水区软土地基大变形沉降观测装置试验研究

吴雄伟1，2，姜建芳1，2，金华辉1，2

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

摘要:现阶段完全适用于超软土的大量程沉降监测仪器较少，通过大量沉降监测仪器和传感器选型，首次提出涉水区大量程沉降装置。通过室内试验论证该传感器精度和稳定性问题，并采用了大气校正探头、水位矫正探头优化该沉降装置。经工程应用对比分析 ，得出沉降观测仪的沉降量曲线和人工水准仪观测的沉降过程曲线基本吻合，且该装置不受施工作业和潮汐限制，安全可靠，可结合自动化采集技术，实现沉降监测的自动化，具有更广泛的应用空间。

关键词:大变形；振弦式传感器；沉降观测；涉水区

沉降监测是工程建设中重要技术措施，是工程设计、施工与设计变更重要依据。现阶段 ，受施工现场抛石填筑环境影响，堤防沉降监测往往采用地表沉降板法，即通过水准仪实施监测［1-7］，往往不可避免存在以下几个缺点:沉降板埋设和维护困难，施工往往采用大型船只或车辆抛石填筑，沉降板较易破损和倾斜，且开挖修复工作量极大；长距离海堤沉降监测，测距大，遇低滩涂海堤无出露工作面无法架设测量仪器，只能待海堤填筑到出露面时 ，才能进行正常测量；加之海面大风、大浪等不良天气状况，难以实现正常测量。

随着工程技术发展，不少岩土监测工程已成功应用传感器式沉降仪［8-15］。目前已有的电测和自动化沉降仪主要有:水管式沉降仪、液压式沉降仪、电测杆式沉降计。水管式沉降仪与液压式沉降仪需要管线连接，管线破坏或漏液均会导致仪器失效，后期维护需要开挖补埋或重新埋设 ，且抛石填筑极易导致管线破坏。更为重要的是目前已有传感器式位移计量程普遍偏小，不能满足软土海堤大变形的需要。中交天津港湾工程研究院有限公司开发了自己的水下地基原位自动监测成套技术方法，并实现了水下仪器密封技术及数据自动采集存储技术，但主要集中于现有监测仪器的自动化改进［3-4］。

通过上述分析表明，国内针对于适用低滩涂超软土大量程（最大量程超3 m）沉降监测装置研究较少。本文基于现有振弦式传感器选型 ，通过DCS-2型位移标定架试验，论证探头监测精度和稳定性，并采用大气矫正探头和水位探头对该装置进行优化，经过工程实践应用论证了该装置长期监测的适用性和稳定。其研究成果对海堤及港口工程沉降监测仪器开发有一定参考价值。

1　沉降装置原理简介

涉水区沉降监测装置是利用振弦式传感器水位测量原理制作而成的，通过“敞开式”通水管道，充分利用低滩涂海堤沉降作业特性，通过测量点和基准点海水液位变化，换算测量点相对沉降量。该装置一般由埋设于测量点的沉降探头、观测基准桩、连通管等组成。原理结构如图1所示。

在图1中，埋入海堤内部的是沉降盘、振弦式传感器（渗压计）探头及连通管，其中连通管为排水板夹硬质PVC管，两端分别连接基准桩和探头，以便保证测量内外水流通畅，消除超孔隙水压力影响。

图1　涉水区沉降监测原理

测量时观测人员以基准桩标尺面为相对基点，探头通过连通管与外界涉水区连接，每次测量探头水压值稳定时（做水柱高度换算），读取基准桩水位值，两值相减便可知测点相对高，前后2次高程读数之差即为该测点的相对沉降量。

计算公式如下:

式中:S为测点的沉降量（mm）；Si为第i次探头测量相对高程（mm）；S0为初始探头测量相对高程（mm）；Hi0为第 i次基准桩水位值；Hi为第i次探头水位计算值。

2　装置结构及室内性能检测

2.1沉降装置结构

涉水区沉降监测装置主要由3部分组成:基准桩组件、沉降压力探头组件和读数仪。其中，测量部分是基准桩组件、沉降压力探头组件，由以下部分组成（详见图2、图3所示）。

（1）基准桩组件包括基准桩、沉降标尺，沉降标尺位于潮水位之间；

（2）沉降压力探头组件包括探头通水连通管、沉降探头和沉降盘，探头连通管两端分别与沉降探头和基准桩连接，沉降探头固定在沉降盘内；

（3）探头通水连通管包括硬质塑料管和两个排水板，其中硬质塑料连通管和探头数据线夹于两个排水板之间，硬质塑料连通管做不规则开口并且用土工布包裹。

图2　沉降压力探头组件

图3　沉降监测装置基准桩组件

2.2探头选型

本着简单可靠、满足工程要求为基本原则，通过大量监测实践和振弦式渗压计探头量程、精度、成本选型对比试验，确定某振弦式渗压计探头为本次试验探头 ，振弦式渗压计以细钢弦做等幅连续振动属无阻尼微振动为基本原理，确定钢弦自振频率与其受力、材料、长度呈定函数关系，即不同频率乘于系数值为压力值［16］。该探头主要性能如表1所示。

表1　试验探头主要性能指标

2.3室内性能检测

由于海堤沉降观测周期长，工况复杂 ，工程中对沉降仪的可靠性和耐久性提出了更高的要求，本文通过室内试验的方法，分别确定了监测装置探头的观测精度和长期稳定性。

试验均在贴有标尺的塑料量筒进行，其中试验1每个测试数据测读间隔较短（当天完成），试验2每个测试数据测读间隔为7 d，测读期间探头均处于水中。由表2可知:

（1）试验1探头水位深度差值在-4 mm～5 mm之间，均在探头精度性能指标范围内。

（2）试验2探头水位深度差值在-12 mm～10 mm之间，相比试验1差值幅度增幅在50%～250%之间，且差值明显超出探头精度性能指标。

（3）经温度计水温测量揭露，试验1和试验2水温测量值和探头水温测读值基本一致，差值满足装置温度精度要求，可知温度差值变化对探头长期监测精度影响较为有限。

（4）探头压力计算值为大气压和水压之和，导致探头长期观测误差大幅度增加主要为大气压波动所致。

表2　探头室内试验统计表

3　存在问题及改进思路

针对测量装置的运行情况和存在的主要问题，同时考虑到工程应用的经济优化，采用大气压矫正探头和水位矫正探头对测量设备进行改进，以便提高装置检测精度和长期监测稳定性问题。

3.1气压矫正

探头压力计算值为大气压和水压之和，为精准量测水位值，探头量测时必须用同探头测量大气压值，显而易见该沉降监测装置埋设后，不能用同探头进行大气压测量，长期监测时受大气压波动影响，探头测量水位精度势必下降。

为消除大气压变化对探头长期监测稳定性的影响，选取同系数同类型振弦式探头做大气压修正（大气压矫正探头），具体做法如下:①测量沉降装置探头频率稳定值，计算压力值 P0；②同时测量同系数同类型振弦式探头大气压读数，计算压力值 P1；③P0-P1即为水压值，其水柱高程换算值 Hi即为水位深度计算值。

3.2基准桩水位校核

该沉降监测装置为涉水沉降监测装置，为保证监测数据可靠性，每次监测时必须保证水位在水位标尺之间浮动，同时为了减少施工扰动对基准桩影响，基准桩必须布置于施工影响线外围，水位读取必须涉水靠近基准桩，其大大增加劳动强度。同时随波浪涌动、海水密度随季节变化等影响，影响基准桩水位测量的可靠性。

为了减少劳动强度，加强监测电测化，选取相同类型同系数探头做为水位探头，捆绑在基准桩水下固定端（固定高程值），作为基准点；定期人工读取基准桩水位高程值，与水位探头计算值（大气压矫正值）校核修正，同时也可矫正海水密度变化情况。

4　沉降仪的应用及其展望

4.1工程应用

宁波市某围垦工程采用袋装砂斜坡堤结构，施工过程中局部区段受潮汐影响较大，需采用水上施工、陆上施工和侯潮施工相结合施工方法，其极大增加了围堰监测难度。为解决软土地基大变形，必须采取有效沉降监测技术措施。

（1）埋设

为防止浮泥淤积堵塞探头 ，在施工铺设一层装砂袋后，按照设计要求埋设一沉降盘；为保证连通管的通水性，消除超孔隙水压力值对水位计算影响，连通管外侧加套一大口径硬质塑料管保护；同时为了增加数据监测可靠性，在沉降盘上布设一人工测量沉降板进行对比分析（见图4）。

图4　人工沉降埋设效果图

（2）数据分析

图5为监测数据对比分析图，由图5可知:①装置电测和人工水准观测沉降过程曲线基本吻合，曲线走势一致，尤其是加载期表现明显；②相同时期，电测和人工水准沉降测量差值幅度在0～19 mm之间，局部差明显大于探头精度性能；③装置电测和人工水准测量最终累计沉降量分别为229 mm、245 mm，差值浮动为15 mm。

图5　监测数据对比分析图

4.2自动化展望

该种沉降仪利用振弦式传感器读取由沉降引起的测点处水位压力变化，从而确定该点的沉降量。该沉降仪埋入堤坝内部，无出露端，受堤防抛石填筑影响较小，充分利用了涉水区作业环境特征 ，不受施工作业和潮水位限制，同时该装置结构简单，价格低廉、安全可靠，其可大面积适用于水利、海洋、土工工程等淤泥质软土地基监测工程中，具有广泛的实际应用价值，并可以引进数据自动采集装置实现自动化的沉降监测。

5　结 语

宁波市某围垦工程中对涉水区大变形沉降监测装置进行了室内和现场试验，从试验结果来看，海堤大变形沉降观测仪的沉降量曲线和人工水准仪观测的沉降曲线基本吻合，符合海堤沉降发展规律。有待完善地方是，现场试验场地不够代表性 ，沉降装置埋设于袋装砂斜坡堤结构内，相对抛石填筑施工扰动较小，不能充分体现大变形沉降监测装置优点。

大变形沉降观测装置有效地避免了沉降观测与现场施工相互干扰 ，大大地降低了测量人员的劳动强度，提高了观测效率。理论最大测量量程达10 197 mm，适合软基堤防地基沉降观测，尤为低滩涂堤防沉降观测。

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中图分类号:TU43

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0042—04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.009

收稿日期 :2014-09-05修稿日期:2014-10-15

基金项目 :浙江省自然科学基金项目（LY13E090002）；浙江省科技厅创新团队建设与人才培养（2011F2042）

作者简介 :吴雄伟（1972—），男，浙江杭州人，高级工程师，主要从事软土地基、海堤监测方面的科研工作。E-mail:691436049@qq.com

Experimental Study on Large Deformation Settlement Observation Instrument Used for Soft Soil Foundation in Wading Areas

WU Xiong-wei1，2，JIANG Jian-fang1，2，JIN Hua-hui1，2
（1.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310020，China；2.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou，Zhejiang 310020，China）

Abstract:At present，the wide-range settlement monitoring instruments which are completely suitable for ultra soft soil are quite rare.So through the model selection by a large amount of settlement instruments and transformers，the idea of wide-range settlement instrument in wading area was put forward for the first time.The transducer’s accuracy and stability were demonstrated through indoor tests；meanwhile the atmospheric correction probe and water level correction probe were adopted to optimize this settlement device.By means of the comparative analysis of engineering application，the results indicate that the settlement process curve obtained from the viewer is in agreement with that of the observed results of the leveling instrument.This instrument is safe and reliable，and is not affected by construction work or tiding.By combining automatic acquisition technology，the automatization of settlement monitoring can be achieved，which will provide this instrument broader application prospect.

Keywords:large deformation；vibrating wire sensor；settlemement monitoring；wading area