CN101037864A - 水下地基原位自动监测成套技术方法 - Google Patents

Abstract

水下地基原位自动监测成套技术方法，包括：多个固定测斜仪断面地表沉降监测法；多点液压差地表沉降监测法；土体分层沉降监测法；孔隙水压力监测法；水平与垂直向位移监测法；测控系统长期放在深水海底的自动监测技术。特点：不论距岸远近，均能顺利而方便地进行水下地基原位监测，不需要水上设立基点，不需海上架设平台，不需穿过建筑物；可对工程实施全程监测，并能进行水下自动化监测和实时传输监测数据，特别是在大风浪巨台风期间仍可连续不间断地监测；自动化监测可节省监测人员，省去往返船机、节省时间；自动化的监测仪器全部在水下，对施工干扰小，减少仪器损坏率；自动化监测做到准时准点测试，消除人为读数误差，准确、快捷、精度高。

Description

水下地基原位自动监测成套技术方法

技术领域

本发明属于土木工程地基与基础的水下自动化测试技术，特别涉及一种水下地基原位自动监测成套技术法。

背景技术

一般来说，土木工程地基与基础的原位监测需监测一两年以上，其监测内容主要包括：地表沉降、地基土的分层沉降、水平向和垂直向位移、地基土的孔隙水压力、土体对基础与结构物的土压力等。

地表沉降常规的监测方法是采用水准仪，精度可达1mm，单个测站距离一般不宜超过30～50m。特别是距岸较远的水上建筑物的监测，无法在岸上设置基准点。海上监测一般都伴随着台风和巨浪，海上设置基准点困难，又无法架设海上测量平台。在建筑物基础之下监测地表沉降，沉降杆一般不允许穿过基础与建筑物，这也给水准测量带来一定困难。水准测量另一个重要缺点是不能实现自动化监测；若采用全站仪监测，也需要设置基准点，且精度为(5mm+2ppm)，也达不到监测精度要求；若采用GPS全球定位系统，精度仅为50mm(静态差分为20mm)，更达不到监测精度要求；此外，采用各种传感器进行地表沉降监测多在陆上，在水下监测时不是监测时间较短，就是距岸较近。如，大坝监测虽在水下，但距离岸很近，基准点可放在岸上，接收仪器也可放在温度和湿度适宜的室内或坝体廊道内。

分层沉降监测，国内外多采用磁环式分层沉降仪。一方面，该仪器只能人工测读，不能进行自动监测，特别是台风期间更无法进行连续监测；另一方面，监测时分层沉降管必须露出水面，极易造成来往船只或施工船只对其破坏，且受风浪影响大，所以分层沉降管的设置、水中固定、保护都存在极大的困难；此外，传感器型式的分层沉降仪较少，有者也与地表沉降仪相仿，也多为陆上或距岸较近处监测。

土体水平和垂直向的位移监测中，其中土体深层水平位移多采用活动测斜仪，水下监测时与分层沉降管相似，它必须将测斜管露出水面。同理，测斜管的设置、水中固定、保护也会遇到极大的困难；地表土体水平位移多采用边桩位移监测方法，该方法既不能实现自动监测，也很难在水下实施；地表垂直向位移(土体隆起)监测多采用水准仪测边桩顶标高的方法，也存在边桩位移相同的问题。

海面下地基中孔隙水压力随时受到潮汐、波浪、风浪的影响，监测中如何较准确地扣除这些影响，是亟待解决的问题。

施工过程中的监测是监测的重要组成部分之一。监测仪器一般均在施工初期埋设，在整个施工过程中极易对仪器损坏，如，施工机械的碰损、来往船只和施工船只的碰撞、以及向水中抛锚起锚将电缆挂断、抛石基床施工时大块石砸坏仪器、海底潮汐水流带动电缆的磨损及挂断等等。因此施工中往往将仪器或电缆损坏，甚至中断监测。所以，仪器及其设备、电缆等的保护措施，显得十分重要，往往功亏一篑，因此而失败。

在水上，特别是在海上，经常会遇到大风大浪和台风的袭击，此时的监测数据对水工建筑物的设计、施工和安全都显得特别重要。但恰在这期间，施工现场的人、船、机械设备均需全部撤离现场去避风。若采用人工测读方法，在此期间内根本无法实现。因此，实现监测自动化已是工程的迫切需要。另外，人工测读需经常乘船到现场，有时还需要潜水员的配合。采用自动监测不仅节省人、机、船费用，而且省力、省时、准点、且减少了对施工的干扰。

陆上监测实现自动化已不是难事，距岸较近工程的监测自动化也比较容易实现。但是，距岸较远的水下监测实现自动化会遇到较大困难。其一，设置基准点极其困难；其二，接收仪器放在何处？一般均放在温度湿度适宜的室内，此时根本不可能实现；放在水面浮筒上，不但极易被船只或施工机械碰坏，而且过往民船很方便地就会顺手拿走；只能放在水底地面上，此时一方面需要防碰、防砸、防挂的强有力措施。另一方面，要重点解决在较深的水下接收仪器的密封问题，即防渗漏、防潮湿的办法，以保证长期处于稳定的工作状态；其三，解决好水下实时传输监测数据问题。在空气中通过有线或无线均可实时传输数据，而在导体的水中实时传输数据又是一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一套水下地基原位自动监测成套技术方法，本方法对于水下一般建筑物，特别是距岸较远的水上建筑物，不论是白天黑夜，或是大风浪、台风期间，都能够实时地进行不间断的自动监测，取得可靠的数据，确保证建筑物的安全，以利于设计与施工水平的不断地提高。

本发明技术内容

一种水下地基原位自动监测成套技术方法，其特征在于：

包括有：

1)多个固定测斜仪断面地表沉降监测法

多个固定测斜仪监测断面沉降方法，将每个测斜仪与刚度足够大的水平向条形钢板，又称基座，呈刚性连接；其中每个测斜仪都经过两层保护，各基座间为铰接相连，多个基座连结为一个整体的基座，又称连续沉降板，从导堤外侧无沉降发生处作为起点，将整体的基座埋设在导堤与海底面之间；当导堤引起地基沉降时，各个测斜仪测得的倾斜角θ，即为那个基座发生的倾斜角θ，各基座两端的沉降差为

Δ_i＝L_isinθ_i。

整个断面各监测点的沉降值可按下式计算：

            S₀＝0

            S_i＝S_i-1+Δ_i＝S_i-1+L_i×sinθ_i(i＝1，2，……，n)

断面地表沉降监测法的技术特征：

①不需设立基准点，不需搭建水上测量平台，以连续沉降板代替沉降测杆，不需穿过建筑物及基础即可进行断面地表沉降监测。

②以多个固定测斜仪代替沉降仪，采用多个固定测斜仪固定在以铰接相连结的多个连续的刚性沉降板(基座)的方法进行沉降监测。

③接收仪器放在水下地面上，可进行自动监测。

2)多点液压差地表沉降监测法

将传感器固定在沉降盘上并放在欲测的地表，通过气、液双管和电缆与储液罐相连，储液罐固定在水下建筑物基础与水下原地面之间的相对沉降点处，该点可采用其它观测手段能够准确确定出绝对沉降值的点，如该点可为分层沉降点地表处；当监测点的地表产生沉降时传感器的振弦通过双液管即可测出液体压力的变化，从而即可换算监测点与对比点的沉降差值；再由对比点的沉降值，换算处监测点的沉降值；

多点液体压差沉降监测法的技术特征：

①一般采用该仪器时均将储液罐和干燥管放置在岸上观测室内；本成套技术将它们放在水下建筑物基础与地表之间处。

②一般采用该仪器时均将储液罐和干燥管放置在陆上不沉降处；本成套技术将它们放在水下分层沉降点之上的相对沉降处，并由分层沉降点地表处的沉降值换算出液体压差沉降仪监测点的地表沉降值。

③接收仪器设置在水下原地面上。

3)土体分层沉降监测法

采用多个钢弦式位移计串联在一起放入钻孔内，地基中每层土由一个或多个位移计进行监测；各层土分界处也是某些位移计之间由法兰盘的连结处，该处法兰盘上均设置锚头装置，使位移计与周围土体固定连结在一起；当该层土沉降压缩时，位移计的长短也随之变化，从而测出各层土的沉降量；

土体分层沉降监测法的技术特征：

①钢弦式位移计一般用于测量土体位移，本成套技术借用来监测水下土体的分层沉降；

②一般锚固装置有灌浆螺纹锚头、液压锚头、填装式锚头、弹簧套紧锚头，本技术采用自行研制的化学反应锚头。当多个位移计串联好后且放入钻孔前，将两种化学制品倒入锚头内后，随即将整套仪器放入钻孔内。通过慢慢的化学反应产生的涨力，将锚头内的几个爪子压到土层分界处的土体内，使位移计与土体牢固连接在一起。

③接收仪器一般放在陆上或水上，本技术将它放在水下的原地面上。

4)孔隙水压力监测法

采用监测点的水下地表面设置一个孔隙水压力测头，其下各孔隙水压力测头均减去该测头的实测值，即可较准确地消除潮汐、波浪及部分静水压力的影响；

其接收仪器设置在水下地面上；

5)水平与垂直向位移监测法

以固定测斜仪与测斜管相配合，用于监测土体的水平和垂直向位移；采用在测斜仪管中放置多个固定测斜仪监测位移；水平向位移监测，将测斜管竖向埋设在地基钻孔内；垂直向位移监测，将测斜管水平埋设在地基钻孔内；

其接收仪器设置在水下地面上；

6)自动化监测技术

采用美国SMARTDATA——2000测控系统进行自动监测，

自动化监测方法

为便于监测，特设置了浮筒，浮筒一则作为标记，便于每次取回监测数据时寻找到密封罐的位置，二则可作为监测用船系缆之用；将内装有测控系统的双层密封缸放在钢浮筒下的3T重混凝土锚坠子旁；又将通信接口和电源放在一个小密封罐中，小密封罐也放在锚坠子旁；每间隔半个月或一月采集数据时，需在潜水员配合下将小密封罐捞出。通过笔记本电脑连接通讯接口将监测数据取回，并更换为测控系统供电的蓄电池；待数据取回、新电源接好并密封后，再将小密封罐放回水中；各传感器测头多余的电缆放入电缆框中，以防碰断，电缆框也放在锚坠子旁；

测控系统的保护与密封

为了测控系统防水，测控系统机箱采用密封条并涂硅胶；又将机箱放在内外两层密封缸内；内外密封缸的上盖均采用精加工的法兰盘加胶垫的密封方法；进入测控系统的多个传感器的电缆以及测控系统引出的通讯接口和连接蓄电池的两根铠装电缆，这么多根电缆均要从法兰盘上穿过，每根电缆穿越法兰盘的内外侧均设置一对密封锁头防水；内外锁头之间在法兰盘的孔上穿电缆的空隙再加灌环氧树脂与硅胶形成双层防水，达到多道防水目的；机箱内和内外密封缸之间均放防潮剂，达到多层防潮。

自动监测系统的技术特征：

①自动监测系统并非放在温度、湿度适宜的陆上，而将监测系统全部放在8～9米的水下，并且它在水下监测的时间达一、两年以上。

②自动监测系统放置在水下的施工现场，它设有多道成功的防渗、防潮、防碰、防砸以及防电缆挂断的强有力措施。

本发明的优越性及技术效果

1.能顺利而方便地进行水下地基原位监测，不需要水上设立基点，不需海上架设平台，不需穿过建筑物；

2.可对工程实施全程监测，并能进行水下自动化监测和实时传输监测数据，特别是在大风浪巨台风期间仍可连续不间断地监测；

3.自动化监测可节省监测人员，省去往返船机、节省时间；

4.自动化的监测仪器全部在水下，对施工干扰小，减少仪器损坏率；

5.自动化监测做到准时准点测试，且消除人为读数误差，所以准确、快捷、精度高。

技术效果：

1.，可连续监测一两年，且监测数据连续性好；

2.监测数据长期稳定强，无忽高忽低异常数据出现，无零点漂移现象；

3.监测数据真实性高，如沉降、孔隙水压力等都随着荷载的变化而有规律性变化，并且与施工加荷完全一致。

4.监测数据精度高，如沉降可精确到0.1mm以上，孔隙水压力可精确到0.08kPa。

附图说明

图1(a)测斜仪及保护装置和基座组装正视图

图1(b)测斜仪及保护装置和基座组装俯视图

图1(c)测斜仪及保护装置和基座组装A-A视图

图中1测斜仪、2测斜仪保护罩、3测斜仪保护管、4基座、5槽钢、6铰接管、7轴销

图2(a)测斜仪沉降测量原理图

图2(b)沉降计算原理示意图

图3多点液压差地表沉降监测沉降仪安装图

8传感器、9沉降盘(监测点)、10通气管、11通液管、12对比点、13干燥管、14储液罐、15液位观测管、16机壳、17终端箱、18传感器电缆、19建筑物基础

图4振弦式土体位移计结构剖视图

20端头法兰、21传递杆、22PVC护管、23滑动杆、24定位销、25定位槽、26外筒、27线圈、28热敏电阻、29仪器电缆、30接头缩紧螺母

图5振弦式土体位移计结构框图

图6振弦式土体位移计图

图7土体分层沉降监测法工作原理图

图8分层沉降的埋设步骤

图9振弦式渗压计结构图

31透水石、32透水座、33O型圈、34膜片、35钢弦、36励磁与接受线圈、37磁铁、38导线、39避雷器、40地线、41半导体温度计、42温度计引线、43传感器壳、44内密封、45电缆

图10多个固定测斜仪组装图

46顶部托架、47顶盖、48电缆接头、49测斜管、50电缆、51连接管、52滑轮组、53传感器组件、54底盖

图11(a)单个测斜仪组装主视图

图11(b)单个测斜仪组装断面图

56仪器电缆、57连接管、58固定轮、59弹性张紧轮、60传感器外壳、61侧斜管、

图12测斜仪结构图

62仪器电缆、63安装支架、64外壳、65振弦、66线圈、67弹性铰链

图13测控系统框图

图14测控系统密封装置结构图

68密封罐、69密封盖、70测控仪器

图15自动监测水下布置图

71浮筒、72导线筐、73导线、74电源及通讯接口、75锚坠子、76密封装置、77测控仪器、78连接传感器

具体实施方式

(一)多个固定测斜仪断面地表沉降监测法

1.结构及工作原理

我所提出以多个固定测斜仪监测断面沉降方法。基座单元16个，长2000mm宽400mm，槽钢使用100mm如图1(a)所示，将每个测斜仪与刚度足够大的水平向条形钢板(简称基座)呈刚性连接。其中每个测斜仪都经过两层保护，如图1(b)所示。各基座单元间为用30铰接管铰接相连，多个基座连结为一个整体的基座，又称连续沉降板，如图1(c)所示。从导堤外侧无沉降发生处作为起点，将整体的基座埋设在导堤与海底面之间。当导堤引起地基沉降时，如图2(a)所示，各个测斜仪测得的倾斜角θ，即为那个基座发生的倾斜角θ，各基座两端的沉降差为

            Δ_i＝L_isinθ_i。

如图2(b)所示，整个断面各监测点的沉降值可按下式计算：

            S₀＝0

            S_i＝S_i-1+Δ_i＝S_i-1+L_i×sinθ_i(i＝1，2，……，n)

多个固定测斜仪沉降监测法实施前，由国内水运工程及理论界的知名专家学者组成的方案评审组评定并通过。与会的专家们对该沉降方法给予了较高的评价，认为该方法设计新颖，原理可靠，测量精度较高。

2.技术参数

量程范围        ±15°

分辨率          10秒

精确度          0.1％FSR

线性            1.5％FSR

温度漂移        ±0.01％FS/℃

工作温度        -40～+90℃

频率范围        1200～350Hz

线圈电阻        180

直径            1.250″32mm

长度            7.375″187mm

重量            1.5lbs.，0.7kg

材料            304不锈钢

电缆            2对(4芯)双绞线22AWEG

                铝箔屏蔽，PVC护套，外径6.3mm

3.技术特征

断面地表沉降监测法的技术特征有三点：

其一，不需设立基准点，不需搭建水上测量平台，以连续沉降板代替沉降测杆，不需穿过建筑物及基础即可进行断面地表沉降监测。

其二，以多个固定测斜仪代替沉降仪，采用多个固定测斜仪固定在以铰接相连结的多个连续的刚性沉降板(基座)的方法进行沉降监测。

其三，接收仪器放在水下地面上，可进行自动监测。

(二)多点液压差地表沉降监测法

1.结构与工作原理

如图3所示沉降盘上固定有传感器

工作原理：传感器固定在沉降盘上并放在欲测的地表，通过气、液双管和电缆与储液罐相连，储液罐固定在水下建筑物基础与水下原地面之间的相对沉降点处，该点可采用其它观测手段能够准确确定出绝对沉降值的点，如该点可为分层沉降点地表处。当监测点的地表产生沉降时传感器的振弦通过双液管即可测出液体压力的变化，从而即可换算监测点与对比点的沉降差值。再由对比点的沉降值，换算处监测点的沉降值。

2.技术指标

测量范围(m)：         1，15，30，60(其他量程可按需要提供)

精度：                ±0.25％F.S.～±1％F.S.

温度：                -20℃～80℃

储液罐长度×直径：    152×51mm

传感器长度×直径：    191×35mm

电缆：                2对22AGW双绞芯线、含屏蔽地线、

                      聚乙烯通气管d＝0.375inch，聚氨脂护套。

导管：                1/4″双管11尼龙套

3.技术特征

多点液体压差沉降监测法的技术特征有三点：

其一，一般采用该仪器时均将储液罐和干燥管放置在岸上观测室内；本成套技术将它们放在水下建筑物基础与地表之间处。

其二，一般采用该仪器时均将储液罐和干燥管放置在陆上不沉降处；本成套技术将它们放在水下分层沉降点之上的相对沉降处，并由分层沉降点地表处的沉降值换算出液体压差沉降仪监测点的地表沉降值。

其三，接收仪器设置在水下原地面上。

(三)土体分层沉降监测法

采用多个钢弦式位移计串联在一起放入钻孔内，地基中每层土由一个或多个位移计进行监测。如图8。各层土分界处也是某些位移计之间由法兰盘的连结处，该处法兰盘上均设置锚头装置，使位移计与周围土体固定连结在一起。当该层土沉降压缩时，位移计的长短也随之变化，从而测出各层土的沉降量。

1.结构与工作原理结构如图4、5、6所示

工作原理：土层压缩带动滑动杆压缩，滑动杆压缩引起弹簧张力的变化并产生钢弦频率的变化，从而得到土层压缩与频率变化的关系，如图7所示。

2.技术指标

量程范围              25，50，100，200，300mm

分辨率                0.02％F.S.

精确度          ±0.5％F.S.

仪器长度        1m(标准)，其它尺寸按要求提供

温度漂移        ＜0.04％F.S./℃

激励频率        1400～300Hz

频率范围        1400～2800

直径管          0.835′法兰1.250″

导线            4芯屏蔽电缆

3.技术特征

土体分层沉降监测法的技术特征有三点：

其一：钢弦式位移计一般用于测量土体位移，本成套技术借用来监测水下土体的分层沉降；

其二：一般锚固装置有灌浆螺纹锚头、液压锚头、填装式锚头、弹簧套紧锚头，本技术采用自行研制的化学反应锚头。当多个位移计串联好后且放入钻孔前，将两种化学制品倒入锚头内后，随即将整套仪器放入钻孔内。通过慢慢的化学反应产生的涨力，将锚头内的几个爪子压到土层分界处的土体内，使位移计与土体牢固连接在一起。

其三：接收仪器一般放在陆上或水上，本技术将它放在水下的原地面上。

(四)孔隙水压力监测法

1.结构与工作原理

结构：主要由透水石、不锈钢膜片、钢弦、激励与接收线圈、磁铁等组成。

工作原理：土体中孔隙水通过透水石(用于隔绝固体颗粒进入，防止损坏不锈钢膜片)进入传感器，孔隙水压力首先作用在膜片上，膜片上压力的变化引起它本身微小位移，连接在膜片上的振弦因膜片的位移而改变了振弦的频率，其频率的平方与膜片上压力呈正比，激励线圈使钢弦振动，从而测出频率的变化，即孔隙水压力的变化。

2.技术参数

量程            0.35MPa

分辨率          0.025％F.S.

线性            0.5％F.S.³

精度            0.1％F.S.⁴

过载能力        2×F.S.

温度系数        ＜0.025％F.S./℃

外径            19.05mm

长度            133.35mm

3.技术特征

孔隙水压力监测法的技术特征有两点：

其一，采用监测点的水下地表面设置一个孔隙水压力测头，其下各孔隙水压力测头均减去该测头的实测值，即可较准确地消除潮汐、波浪及部分静水压力的影响。

其二，接收仪器设置在水下地面上。

(五)水平与垂直向位移监测法

采用测斜仪管中放置多个固定测斜仪方法监测位移。水平向位移监测如图10所示，测斜管竖向埋设在地基钻孔内；垂直向位移监测，将测斜管水平埋设在地基钻孔内即可。

1.结构与原理

结构：测斜仪管内固定放置若干个测斜仪、连接杆、滑轮，如图11所示

工作原理：测斜仪由传感器和其它连结部件构成。传感器包括一个被振弦式应变计和弹性铰链支撑的摆块，见图12。应变感应摆块中心偏转引起的力的变化。摆块和传感器件装在一个防水壳体中，壳中还有其它部件连接该传感器件到滑轮组件或其它传感器件。滑轮组件使传感器件同心，使组件向下进入测斜管中。万向节用来防止测斜管扭转导致的滑轮脱离导槽。不锈钢管将传感器和滑轮组件连在一起形成一个整体。整套装置的支撑设在测斜管顶部。所以钻孔内各处的测斜度由相应的测斜仪测出，即倾斜度由摆块反映出来，摆块影响振弦频率的变化，从而可以测出倾斜度。

2.技术参数

量程            ±15°

分辨率          10弧秒

精度            0.1％FSR

线性            ±0.01％F.S./℃

工作温度        -40～+90℃

工作频率        1200～3500Hz

线圈电阻        180Ω

直径                     32mm

长度                     187mm

3.技术特征

位移监测法的技术特征有两点：

其一，以固定测斜仪与测斜管相配合，用于监测土体的水平和垂直向位移。

其二，接收仪器设置在水下地面上。

(六)自动化监测技术

1.自动化监测原理

采用美国SMARTDATA——2000测控系统进行自动监测，它是一种低功耗、多功能、高可靠性的数据采集设备。平时处于微功耗值守状态，这时大部分电路停止工作，只有很小部分电路监视外部触发或定时信号，当有信号时自动上电进入工作状态。连结传感器数量不限(可增加扩展板)。测控系统的框图如图13所示。

2.技术指标

电源：                   9-16V直流

外形尺寸：               300×210×70

功耗：                   小于50uA(自报置守工作模式)

                         小于120mA(工作状态，不含通信设备)

工作环境：               温度-25℃～+55℃

                         湿度100％无凝结

时钟精度：               1.53分钟/月

平均无故障时间(MTBF)：   10年

重量：                   1.2Kg

输入/输出端口：          8路模拟量、4路事件触发、16数字量输入、8路

                         输出、1路智能串行仪器

SPI现场总线扩展能力：    8路扩展模块

远程通信接口能力：       2路(可扩展)可互备、中继

固态存储内存：           512K

设备工作模式：           自报方式；自报-答方式；应答方式。

                         三种工作模式在同一系统中可同时混合运行

3.自动化监测方法

图14为内装有测控系统的双层密封缸。现场自动化监测布置，如图15所示。为便于监测，特设置了浮筒，测控系统的密封缸放在钢浮筒下的3T重混凝土锚坠子旁。浮筒一则作为标记，便于每次取回监测数据时寻找到密封罐的位置，二则可作为监测用船系缆之用。每间隔半个月或一月采集数据时，需在潜水员配合下将小密封罐捞出。通过笔记本电脑连接通讯接口将监测数据取回，并更换为测控系统供电的蓄电池。所以，将通信接口和电源放在一个小密封罐中。待数据取回、新电源接好并密封后，再将小密封罐放回水中。各传感器测头多余的电缆放入电缆框中，以防碰断。

测控系统一般都放在室内温度和湿度都比较适宜的条件下，本成套技术将测控系统放在远离岸线的深水内，且在风大浪高流急的恶劣自然条件下应用，这尚属首次。

4.测控系统的保护与密封

自动化监测系统无法放在远离的岸上，即使放在海面的浮筒上也行不通，因施工现场工程船、交通船、民船来来往往，不但容易挂断，民船上的人也易将它顺手牵羊。所以，只能长时间放在海底水下，在水下也需防船抛锚起锚时将电缆挂断。自动化监测设备放置水下一、两年，不仅防渗不易，而且防潮更难，这都是很棘手的问题。我们重点解决测控系统长期放在海底水下的防渗、防潮问题、电缆防挂断，以及传感器的防碰、防砸问题。

为了测控系统防水，测控系统机箱采用密封条并涂硅胶；又将机箱放在内外两层密封缸内，如图14所示；内外密封缸的上盖均采用精加工的法兰盘加胶垫的密封方法；进入测控系统的多个传感器的电缆以及测控系统引出的通讯接口和连接蓄电池的两根铠装电缆，这么多根电缆均要从法兰盘上穿过，每根电缆穿越法兰盘的内外侧均设置一对密封锁头防水；内外锁头之间在法兰盘的孔上穿电缆的空隙再加灌环氧树脂与硅胶形成双层防水。以上措施达到多道防水目的；机箱内和内外密封缸之间均放防潮剂，以达到多层防潮目的。

为防止传感器外引电缆被拉断或挂断后能够一一对应地连接起来，选择电缆外皮上刻印有长度数码的电缆；电缆从保护罩引出处，为防止电缆被保护罩磨损，特别将电缆用弹性橡胶管包捆起来；外露出仪器及设备以外的电缆束，采用中间夹尼龙绳(防电缆受拉)，然后将它们穿进厚壁橡胶管内(防电缆受磨、受砸)。最后，将一根加粗的尼龙绳捆绑在橡胶管外面(用它承受整个电缆束的抗拉力)，每隔30cm用尼龙绳与橡胶管捆绑紧，以提高电缆束的抗拉能力；电缆束隔一段距离留有沉降时电缆伸缩余量，防止沉降变形时拉断电缆；此外，出露仪器设备一直到测控系统密封缸区间内的这些电缆束全部采用上下三层内装砂的编织袋压牢的保护措施，以防基床抛石时电缆被砸破、锚挂断或水冲走等。

又如，断面沉降监测时电缆通过两基座间的铰接管处用橡胶包捆，以防止地基下沉两基座相互变位时磨损电缆；所有水下各传感器的电缆每隔30cm扎紧形成电缆束，并放在基座一侧槽钢的槽内，以防基床抛石时砸破电缆；为防止传感器被碰、被砸，将断面沉降监测仪器测头放在钢制的保护管内，保护管外又有钢板制作的保护罩，两者均用螺丝与基座牢固相连。

上述一整套的防水、防潮、防挂断、防碰、防砸措施，保证了整个自动监测系统在恶劣的自然条件下，复杂的施工环境下，在水下顺利地监测一年多，并取得了很有规律的监测资料，而且又监测到台风时密集的监测数据。所有各项保障措施，对于自动化监测，特别是对于自然条件恶劣、远离岸线的水下、施工环境复杂的水下自动监测，更具有推广应用价值。另外，自动监测系统对于省力、省时、节省费用，并能准时地监测到可靠数据具有重要意义。

5.技术特征

自动监测系统的技术特征有两点：

其一，自动监测系统并非放在温度、湿度适宜的陆上，而将监测系统全部放在8～9米的水下，并且它在水下监测的时间达一、两年以上。

其二，自动监测系统放置在水下的施工现场，它设有多道成功的防渗、防潮、防碰、防砸以及防电缆挂断的强有力措施。

六、具体实施实例

采用水下监测工程分别为：

1.1998～2000    长江口深水航道治理一期工程北导堤试验

2.2001～2002    长江口深水航道治理二期工程大圆筒试验

3.2003～2004    长江口深水航道治理二期工程南北导堤现场试验

4.2002～2004    天津港北大防波堤监测试验

5.2005～至今    天津港南疆北围埝试验

Claims (1)

1、一种水下地基原位自动监测成套技术方法，其特征在于：

包括：

1)多个固定测斜仪断面地表沉降监测法

多个固定测斜仪监测断面沉降方法，将每个测斜仪与刚度足够大的水平向条形钢板，又称基座，呈刚性连接；其中每个测斜仪都经过两层保护，各基座间为铰接相连，多个基座连结为一个整体的基座，又称连续沉降板，从导堤外侧无沉降发生处作为起点，将整体的基座埋设在导堤与海底面之间；当导堤引起地基沉降时，各个测斜仪测得的倾斜角θ，即为那个基座发生的倾斜角θ，各基座两端的沉降差为

Δ_i＝L_i sin θ_i

整个断面各监测点的沉降值可按下式计算：

                S₀＝0

                S_i＝S_i-1+Δ_i＝S_i-1+L_i×sinθ_i(i＝1，2，……，n)

断面地表沉降监测法的技术特征：

①不需设立基准点，不需搭建水上测量平台，以连续沉降板代替沉降测杆，不需穿过建筑物及基础即可进行断面地表沉降监测；

②以多个固定测斜仪代替沉降仪，采用多个固定测斜仪固定在以铰接相连结的多个连续的刚性沉降板(基座)的方法进行沉降监测；

③接收仪器放在水下地面上，可进行自动监测；

2)多点液压差地表沉降监测法

将传感器固定在沉降盘上并放在欲测的地表，通过气、液双管和电缆与储液罐相连，储液罐固定在水下建筑物基础与水下原地面之间的相对沉降点处，该点可采用其它观测手段能够准确确定出绝对沉降值的点，如该点可为分层沉降点地表处；当监测点的地表产生沉降时传感器的振弦通过双液管即可测出液体压力的变化，从而即可换算监测点与对比点的沉降差值；再由对比点的沉降值，换算处监测点的沉降值；

多点液体压差沉降监测法的技术特征：

①一般采用该仪器时均将储液罐和干燥管放置在岸上观测室内；本成套技术将它们放在水下建筑物基础与地表之间处；

②一般采用该仪器时均将储液罐和干燥管放置在陆上不沉降处；本成套技术将它们放在水下分层沉降点之上的相对沉降处，并由分层沉降点地表处的沉降值换算出液体压差沉降仪监测点的地表沉降值；

③接收仪器设置在水下原地面上；

3)土体分层沉降监测法

采用多个钢弦式位移计串联在一起放入钻孔内，地基中每层土由一个或多个位移计进行监测；各层土分界处也是某些位移计之间由法兰盘的连结处，该处法兰盘上均设置锚头装置，使位移计与周围土体固定连结在一起；当该层土沉降压缩时，位移计的长短也随之变化，从而测出各层土的沉降量；

土体分层沉降监测法的技术特征：

①钢弦式位移计一般用于测量土体位移，本成套技术借用来监测水下土体的分层沉降；

②一般锚固装置有灌浆螺纹锚头、液压锚头、填装式锚头、弹簧套紧锚头，本技术采用自行研制的化学反应锚头。当多个位移计串联好后且放入钻孔前，将两种化学制品倒入锚头内后，随即将整套仪器放入钻孔内。通过慢慢的化学反应产生的涨力，将锚头内的几个爪子压到土层分界处的土体内，使位移计与土体牢固连接在一起；

③接收仪器一般放在陆上或水上，本技术将它放在水下的原地面上；

4)孔隙水压力监测法

采用监测点的水下地表面设置一个孔隙水压力测头，其下各孔隙水压力测头均减去该测头的实测值，即可较准确地消除潮汐、波浪及部分静水压力的影响；

其接收仪器设置在水下地面上；

5)水平与垂直向位移监测法

以固定测斜仪与测斜管相配合，用于监测土体的水平和垂直向位移；采用在测斜仪管中放置多个固定测斜仪监测位移；水平向位移监测，将测斜管竖向埋设在地基钻孔内；垂直向位移监测，将测斜管水平埋设在地基钻孔内；

其接收仪器设置在水下地面上；

6)自动化监测技术

采用美国SMARTDATA——2000测控系统进行自动监测，

自动化监测方法

为便于监测，特设置了浮筒，浮筒一则作为标记，便于每次取回监测数据时寻找到密封罐的位置，二则可作为监测用船系缆之用；将内装有测控系统的双层密封缸放在钢浮筒下的3T重混凝土锚坠子旁；又将通信接口和电源放在一个小密封罐中，小密封罐也放在锚坠子旁；每间隔半个月或一月采集数据时，需在潜水员配合下将小密封罐捞出。通过笔记本电脑连接通讯接口将监测数据取回，并更换为测控系统供电的蓄电池；待数据取回、新电源接好并密封后，再将小密封罐放回水中；各传感器测头多余的电缆放入电缆框中，以防碰断，电缆框也放在锚坠子旁；

测控系统的保护与密封

为了测控系统防水，测控系统机箱采用密封条并涂硅胶；又将机箱放在内外两层密封缸内；内外密封缸的上盖均采用精加工的法兰盘加胶垫的密封方法；进入测控系统的多个传感器的电缆以及测控系统引出的通讯接口和连接蓄电池的两根铠装电缆，这么多根电缆均要从法兰盘上穿过，每根电缆穿越法兰盘的内外侧均设置一对密封锁头防水；内外锁头之间在法兰盘的孔上穿电缆的空隙再加灌环氧树脂与硅胶形成双层防水，达到多道防水目的；机箱内和内外密封缸之间均放防潮剂，达到多层防潮。

自动监测系统的技术特征：

①自动监测系统并非放在温度、湿度适宜的陆上，而将监测系统全部放在8～9米的水下，并且它在水下监测的时间达一、两年以上；

②自动监测系统放置在水下的施工现场，它设有多道成功的防渗、防潮、防碰、防砸以及防电缆挂断的强有力措施。

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