CN104131527A - 河口海岸工程管袋坝信息化施工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河口海岸工程管袋坝信息化施工系统。系统由相关监测设备及系统软件两部分构成。监测设备由渗流监测设备、水平位移监测设备、气象、浪潮监测设备、流速监测设备、数据传输设备与计算机控制设备组成；系统软件包含基础信息设置模块、信息实时采集模块、信息实时分析处理模块、异常信息实时预警模块与专家知识系统模块；对系统的组成部分、连接安装方式及监测数据分析方法进行了详细的介绍。系统集成方法包含了完整、集成化的现场实施方法。本发明系统科学合理、便于操作，监测方法简单实用，对河口海岸工程管袋坝裸坝建设过程中坝体失稳的因素进行全方位的监测分析，最大限度减小坝体失稳状况的发生。

Description

河口海岸工程管袋坝信息化施工系统

技术领域

本发明涉及一种河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，采用的技术主要有Access数据库技术、无接触监测技术、无线数据传输技术、串口通信技术和实时分析预警技术，系统适用于恶劣工程环境下沿海滩涂河口海岸工程中管袋坝裸坝施工，实时监测施工信息，保证施工安全，特别是对于管袋坝安全性要求较高的坝段施工。

背景技术

所谓信息化施工，即采集施工信息进行分析处理，并用于指导、调整施工的过程。信息化施工系统主要包括工程信息采集仪器和计算机分析应用软件两个部分。工程信息采集仪器用于工程信息的采集，并将采集到的信息发送到计算机；计算机分析应用软件对接收到的信息进行实时分析与处理，通过分析结果对工程中出现的安全隐患进行实时预警，对施工质量给予实时评判，并给出相应的结论与处理措施。目前，工程中运用比较普遍的信息化施工系统主要有深基坑开挖信息化施工系统、高速公路隧道信息化施工系统和铁道建筑工程信息化施工系统等。信息化施工技术的引入极大地提高了施工效率，降低了施工成本。沿海地带地质条件差，风浪大，施工现场仪器布设困难；同时由于沿海滩涂河口海岸工程管袋坝失稳机理的复杂性，尚未有一套适用于管袋坝施工建设的信息化施工系统。

受沿海气候、地质条件的影响，沿海滩涂围垦区管袋坝裸坝施工往往会遇到各种工程问题。例如，在海浪淘刷作用下，地质条件比较差的坝基被掏空，坝体在自重作用下坍塌；在风浪、潮流等荷载作用下，坝体顶层管袋可能会出现滑塌等失稳问题。目前在大多数围垦施工现场，工程技术人员只能依据工程经验对管袋坝裸坝施工过程中坝体的稳定性进行定性的判定。

针对以上问题，经过研究分析，得到与管袋坝裸坝施工期稳定性有关的基本指标：坝体沉降、坝基侧向位移、坝基渗流压力、浪高、波坦、周期、风速、潮位、海流流速等；计算指标：坝基地基内渗流坡降、出口渗流坡降、管袋坝坝体稳定因子；当以上指标超出临界值时，管袋坝坝体将出现不稳定状况。

利用传统的采集仪器来采集上述基本指标信息理论上可以实现，实际操作往往会面临许多困难。传统采集仪器一般利用通信电缆来实现采集硬件与上位机软件之间的数据传输，给施工造成很大阻碍，且电缆极易被施工机械损坏。管袋坝施工场地一般位于潮间带，距离配电厂房较远，现场监测设备供电也无法满足要求。传统采集仪器多采用接触式采集方式，即传感器需要与建筑物贴合，在管袋坝施工现场中布设难度较大。近些年来，随着无线传输技术的发展，硬件设备之间可以通过无线通信方式实现数据的传输，极大降低了对通信电缆的依赖。太阳能电池板的引入能够满足现场设备的供电要求。以雷达传感器等无接触式传感器代替传统接触式传感器，能使使采集仪器集成更为紧凑，现场布设更加方便。

采集到的数据通过编制的计算机软件进行处理。Microsoft Visual Basic是一种基于组件且界面良好的编程开发软件，功能强大，常用于各种工程应用软件的开发。Access数据库具有强大的数据处理、统计分析能力，能够实现中小型规模数据库的开发。本发明计算机分析应用软件主体采用VB(Microsoft Visual Basic)编写，后台数据利用Access数据库进行储存。

发明内容

为预防和减少河口海岸工程管袋坝裸坝施工过程中出现的各种工程问题，本发明提供了一套完善的河口海岸工程管袋坝信息化施工系统。系统包括系统设备与系统软件两个部分；系统设备由渗流监测设备、水平位移监测设备、气象、浪潮监测设备、流速监测设备、数据传输设备及计算机控制设备共同组成；系统软件包含基础信息设置模块、信息实时采集模块、信息实时分析处理模块、异常信息实时预警模块与专家知识系统模块；渗流监测设备和水平平位移监测设备埋设于监测断面坝基中；在管袋坝坝前近海一侧建造监测平台，气象、浪潮监测设备集成安装于监测平台上；在靠近纳潮口坝头或坝线转角处的基床面位置安装流速监测设备；计算机控制设备通过无线数据传输设备与渗流监测设备、水平位移监测设备、气象、浪潮监测设备、流速监测设备连接。

渗流监测设备和水平位移监测设备包括渗压计传感器、测斜仪传感器和数据采集箱；气象、浪潮监测设备包括无接触式的气象站传感器、雷达波潮仪传感器和数据采集箱；流速监测设备包括电磁流速仪和流速仪安装支架，数据采集箱与气象、浪潮监测设备共用一套；无线数据传输设备包括无线数传电台或GPRS无线传输模块；计算机控制设备安装有管袋坝信息化施工系统的计算机。

从总平面布置上来看，围垦施工场地多为“口”字形结构，即利用一段海堤与三段管袋坝共同将围垦规划区匡围起来。在不与海堤相接的坝段之上预留纳潮口，形成右部带有缺口的近似“口”字形状。依据施工现场状况，制定了合适的施工监测断面布置方案，将整套系统的监测设备布置到典型监测断面位置处。典型监测断面的选取遵循“重点监测”的原则，即针对容易发生坍塌破坏的坝段(如坝轴线转折点、地基条件差和水流流速大的坝段)适当增加监测断面。纳潮口坝头位置受涨落潮往复水流的影响，水流流速大，坝体容易发生破坏，故本发明系统拟将典型监测断面选取在该位置处。

系统监测设备安装于选取的典型监测断面位置处，详细安装位置为：(1)渗压计和测斜仪通过打孔布设于坝基内部；(2)气象站、雷达波潮仪及其数据采集箱集成安装于坝前近海一侧的监测平台之上；(3)流速仪通过支架安装到靠近纳潮口坝头或坝线转角处的基床面位置(流速仪与气象站、雷达波潮仪共用一套数据采集箱)；(4)渗压计和测斜仪数据采集箱共用一套，放置于堤头支架上；(5)无线数据传输设备在计算机控制设备和每个数据采集箱上安装一部；当施工现场GPRS信号满足要求(SIM卡能通过GPRS连接网络)时，可以采用GPRS无线传输模块进行监测数据的传输，此时系统控制端理论上可以放置于任何位置(前提是计算机能够连接网络)，但为方便调试，系统控制端不宜距离典型监测断面位置超过10km；当现场GPRS信号无法满足要求(SIM卡无法通过GPRS连接网络)时，需要采用无线数传电台进行监测数据的传输；(6)计算机控制设备应放置于距离典型监测断面不超过5km(无遮挡环境)且供电有保证的位置。

监测设备通过无线数据传输设备将监测所得数据传送至计算机控制设备的信息实时采集模块；信息实时分析处理模块结合信息实时采集模块与基础信息设置模块的数据进行分析计算；异常信息实时预警模块对信息实时分析处理模块的计算结果进行监测，监测所得异常通过显示器以弹窗的方式显示出来；专家知识系统模块结合现场巡检信息或异常信息实时预警模块监测所得异常信息通过搜索专家知识数据库的方式给出专家结论和辅助性处理措施。

针对以上系统功能，本发明系统实现其功能所采取的技术如下：

一套河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，该系统针对管袋坝裸坝施工过程中的典型监测断面进行监测。当仅针对一个典型监测断面进行监测时，系统硬件设备至少需要包含以下部分：

——渗流监测设备，包含量程为0～0.2MPa振弦式渗压计6支，渗压计电缆(单支长度不小于35m)，无线模块1个，12V～40W太阳能电池板1块，16通道数据采集箱1套，采集箱专用支架1个；用于实时监测坝基部位渗流压力数据并将数据传输到计算机；

——水平位移监测设备，包含量程为±15°单轴测斜仪3支，测斜仪连接钢管(长度依照现场地质情况而定)，测斜仪专用滚轮2个，底部滚轮1个，顶盖1个，直径3毫米钢丝绳(长度不小于20m)1捆，内径70mm的ABS测斜管(长度依据现场地质情况而定)，数据采集箱、采集箱专用支架、无线模块、太阳能电池板和渗流监测共用同一套设备；用于实时监测坝基水平位移数据并将数据传输到计算机；

——气象、浪潮监测设备，包含波潮雷达传感器1个，气象站1个，专用数据采集箱1套，12V～40W太阳能电池板1块，数传电台2部，仪器固定支架一套；用于实时监测浪高、波坦、周期、波长、潮位、风速等数据并将数据传输到计算机；

——流速监测设备，包含测量范围0.01～10m/s电磁式流速仪1部，数据采集箱、太阳能电池板、数传电台、仪器固定支架和波浪、潮位、气象监测共用同一套设备；用于实时监测典型断面坝基位置水流流速并将数据传输到计算机；

——无线数据传输设备，包含传输距离为10km具有收发功能的无线数传电台3部，或者GPRS无线传输模块2部；

——计算机控制设备，包含安装有管袋坝信息化施工系统软件的计算机一部；如果无线数据传输设备采用GPRS无线传输模块则计算机需要联网；

系统所采用硬件设备数量众多，如果仅依靠设备自带上位机软件控制监测设备，系统集成度较低，工作效率不高，且系统软件实时分析功能将无法实现。鉴于此，本发明基于MicrosoftVisual Basic和Access数据库技术，并结合无线数据传输技术与串口通信技术，从底层通信协议做开发，编制出了一套系统的管袋坝信息化施工系统软件，其特点在于：

1)基础信息设置模块。设定与管袋坝信息化施工的有关基础信息，如设定基本指标与计算指标临界值、监测断面几何尺寸、充填泥砂和坝基泥砂土力学参数、典型监测断面坝体内外水深等参数；

2)信息实时采集模块。通过串口通信技术实现上位机软件对数据采集箱的控制，上位机软件按照设定的时间间隔定时向数据采集箱发送采集指令，数据采集箱采集到的数据通过无线数据传输技术向计算机控制端发送；

3)信息实时分析处理模块。包含管袋坝坝基渗流稳定性计算单元、坝基水平位移计算单元、管袋坝风浪作用稳定性计算单元和管袋坝坝基泥沙启动计算单元4个部分；

——对于坝基渗流稳定性计算单元，需要计算管袋坝坝基的渗流坡降，计算公式如下：

$i_l=0.001\frac{P_p-P_n}{\mathrm{\ρgL}}$

$i_v=0.001(\frac{P_B}{\mathrm{\ρg}{L}_{\mathrm{Bd}}}-\frac{H_d+Z_B}{L_{\mathrm{Bd}}})$

式中，i_l为坝基内渗流坡降；P_p、P_n为接近同一高程上前后相邻两支渗压计测量所得渗流压力，单位kPa；P_B为坝脚位置孔(坝基两侧孔)中的渗压计所测量到的渗流压力，单位kPa；ρ为水密度，ρ＝1.0×10³kg/m³；g为重力加速度，g＝9.81m/s²；L为坝基底宽半长，单位m；i_v为出口渗流坡降；L_Bd为从渗压计(坝脚位置孔中的渗压计)到出口渗径长度，单位m；H_d为渗流出口处水深，单位m；Z_B为渗压计(坝脚位置孔中的渗压计)埋设深度，单位m。

——对于坝基水平位移计算单元，需要计算坝基累计水平位移，计算公式如下：

D_i＝d₁+d₂+…+d_i，(i＝1,2,3)

式中，D_i为坝基内部第i支测斜仪处的累计水平位移，单位mm；d_i为坝基内部第i支测斜仪处的单次测量水平位移，d_i＝G_i×L(R_i-R_i0)，单位mm；G_i为仪器系数，由率定表给出，单位sinθ/Volt；L为单支传感器组成的测斜仪长度，单位mm；R_i为第i支测斜仪当前读数，单位Volt；R_i0为第i支测斜仪初始读数，单位Volt。

——对于管袋坝风浪作用稳定性计算单元，需要计算坝体稳定因子F_s和临界浪高H，坝体稳定因子F_s计算公式为：

当1.25≤m≤2时

$F_s=\frac{2\mathrm{\πB\μ}{\mathrm{\γ}}_s}{\mathrm{\γH}}\frac{L}{H}\coth \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{L}\right)\frac{1}{1.464{\left(\frac{L}{H}\right)}^{1.685}{\left(\frac{D}{H}\right)}^{0.832}{\left(\frac{D_c}{H}\right)}^{-0.93}{m}^{0.32}}$

当2＜m≤2.5时

$F_s=\frac{2\mathrm{\πB\μ}{\mathrm{\γ}}_s}{\mathrm{\γH}}\frac{L}{H}\coth \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{L}\right)\frac{1}{1.464{\left(\frac{L}{H}\right)}^{1.685}{\left(\frac{D}{H}\right)}^{0.832}{\left(\frac{D_c}{H}\right)}^{-0.93}{m}^{0.32}}$

式中，γ_s为管袋容重，单位kN/m³；B为管袋沿水流方向长度，单位m；μ为管袋间摩擦系数；H为波浪浪高，单位m；T为波周期，单位s；L为波长，单位m；D为堤前水深，单位m；D_c为坝高，单位m；m为迎浪面边坡坡比；ρ为水的密度，ρ＝1.0×10³kg/m³；

——临界浪高H计算公式为：

$H=\frac{\mathrm{\μ\Δl}}{0.75(1+k)(1-0.5m)}$

其中，式中，k＝0.75为影响系数；ρ_c为充填材料密度，单位kg/m³；ρ_w为水密度，ρ_w＝1.0×10³kg/m³；m为顶层管袋水面线以上部分面积与其整体面积之比；μ为管袋间摩擦系数。

——对于管袋坝坝基泥沙启动计算单元，需要计算管袋坝坝基泥沙启动流速u_c，计算公式如下：

$u_c=k^{\′}\left(\ln 11\frac{h}{\mathrm{\Δ}}\right){\left(\frac{d^{\′}}{d_{*}}\right)}^{1/6}\sqrt{3.6\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{gd}+{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{0*}}\right)}^{5/2}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{gh\δ}{(\mathrm{\δ}/d)}^{1/2}}{d}}$

其中， $d^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}0.5\mathrm{mm}& d\&le;0.5\mathrm{mm}\\ d& 0.5\mathrm{mm}<d<10\mathrm{mm}\\ 10\mathrm{mm}& d>10\mathrm{mm}\end{array}\right.,\mathrm{\&Delta;}=\left\{\begin{array}{cc}1.0\mathrm{mm}& d\&le;0.5\mathrm{mm}\\ 2d& 0.5\mathrm{mm}<d<10\mathrm{mm}\\ 2d_{*}^{1/2}{d}^{1/2}& d>10\mathrm{mm}\end{array}\right.;$

式中：k′为泥沙状态参数，一般取k′＝0.32；h为水深，单位m；d为泥沙粒径，单位mm；d_*＝10mm；g＝9.81m/s²为重力加速度；Δ为床面糙率高度，单位mm；δ为薄膜水厚度参数，一般取δ＝2.31×10^-5cm；ρ_s为泥沙密度，单位kg/m³；ρ为水密度，ρ＝1.0×10³kg/m³；γ₀床面泥沙干容重，单位kN/m³；γ_0*为泥沙颗粒的稳定干容重，单位kN/m³；ε₀为综合粘结力参数，对于一般泥土ε₀＝1.75cm³/s²,对于粘土，最大可达17.5cm³/s²。

3)异常信息实时预警模块。与信息实时分析处理模块对应，包含管袋坝坝基渗流稳定判别单元、坝基水平向变形稳定判别单元、管袋坝风浪作用稳定判别单元和管袋坝坝基泥沙冲刷稳定判别单元4个部分；

——对于管袋坝坝基渗流稳定判别单元，分析判别坝基内渗流坡降、出口渗流坡降与坝基内渗流坡降临界值、出口渗流坡降值的大小；当坝基内渗流坡降或出口渗流坡降计算值超出其相应临界值时，坝基有可能出现渗透破坏；

——对于坝基水平向变形稳定判别单元，分析判别坝基累计水平位移与坝基累计水平位移临界值的大小；当坝基累计水平位移超出其临界值时，管袋坝坝体可能会发生侧向倾覆；

——对于管袋坝风浪作用稳定判别单元，分析判别的指标有3个，坝体稳定因子、浪高及风速；当坝体稳定因子F_s＜1或浪高大于临界浪高或风速大于临界风速时，顶层管袋可能会出现滑塌等失稳问题；

——对于管袋坝坝基泥沙冲刷稳定判别单元，分析判别坝基位置海流流速与泥沙临界启动流速的大小；当海流流速大于泥沙临界启动流速时，坝基位置表层泥沙会被海流冲刷流失，继续冲刷可能造成管袋坝坝脚基底坍塌。

4)专家知识系统模块。针对河口海岸工程管袋坝施工建设中容易出现的问题，通过查阅文献或访问专家的方式，获取该问题产生的原因及工程中常用处理措施，信息分类并建立专家知识数据库。当指标超出临界值或人工巡查出现异常时，技术人员可以利用专家知识系统模块对专家知识数据库进行搜索，从而得到相关问题具体的结论和处理措施。

结合系统的实际运用，给出了一套完善的实施方法，步骤如下：

1)选取典型监测断面

依据施工平面布置图，按照“重点监测”的原则，在管袋坝施工现场坝体之上选取合适的典型监测断面。在实际操作时，还需要结合施工现场的情况来最终确定典型监测断面的位置，保证监测设备布设、维护方便，监测结果具有代表性。

2)设计监测设备布设方案

典型监测断面选取完成后，需要结合坝体断面图设计合理的监测设备布设方案。监测仪器主要有渗流监测设备，水平位移监测设备，气象、浪潮监测设备与流速监测设备4个部分，针对每一种监测设备，设计出合理的安装布设方案，保证安装稳固，监测结果科学有效。

对于渗流监测设备，渗压计需要埋设在典型监测断面下的坝基中。渗压计分3纵排布置，两侧坝脚各一排，坝轴线中心位置一排，每排布设2支渗压计。渗压计埋深依据典型监测断面位置坝基土体钻探勘测结果来确定，渗压计应全部埋设于砂土或粉砂土层中。若坝基土体不含砂土、粉砂土层，则渗流监测设备可不必埋设。

水平位移监测设备中的测斜管埋设于靠近坝脚的坝基中。坝脚有两个：迎浪面一侧坝脚和规划围垦区内部一侧坝脚。在现场实施时，一般选取坡比较陡的一侧。测斜管底至少应插入到稳固土层中1m，3支测斜仪在测斜管中等间隔放置。

气象、浪潮监测设备与流速监测设备实际为一体，雷达波潮仪、气象站需要安装于典型监测断面附近的监测平台之上。电磁流速仪通过放置于监测平台附近滩面上的支架进行安装，安装高度需要保证在最低潮位时流速仪仍然在水中。

3)安装与配置设备

布设方案设计完成之后，即可在典型监测断面处布设监测设备。监测设备的现场安装方式如下：

——渗压计埋设方式。在坝顶正中和坝身两侧靠近坝脚的位置打孔(共3个孔)，孔直径不小于5cm，孔深应保证穿过坝身并深入到坝基至少3m。每个孔中放置2支渗压计，下部渗压计接触或接近孔底放置，上部渗压计距离地基表面约50cm放置。渗压计和数据采集箱之间通过电缆连接。数据采集箱控制渗压计进行渗流压力数据的采集，采集到的数据临时储存到采集箱中。数据采集箱和渗压计由太阳能电池板供电；

——测斜仪安装方式。在坝基一侧(具体哪一侧需要结合现场情况而定，理论上选取打孔方便且坡较陡的一侧)靠近坝脚约1m的位置打孔并埋设测斜管，测斜管至少要插到地基较为坚硬的土层内部1m。测斜仪之间通过连接钢管连接，3只测斜仪在测斜管内部等长均匀布置，但应保证最上部测斜仪距离地基表面约50cm。测斜仪和数据采集箱之间通过电缆连接。测斜仪与渗压计共用一套数据采集箱；

——气象站及波潮仪安装方式。在坝体近海一侧设立监测平台，监测平台应保证在较大风浪作用下不被海水淹没或倾覆。气象站、数据采集箱、无线数传电台和太阳能电池板全部放置于监测平台上并加以固定；波潮仪传感器固定于支架延伸出的钢管上；数据采集箱与传感器由一块太阳能电池板供电；

——流速仪安装方式。在靠近纳潮口坝头或坝线转角处的基床面位置放置高约50cm的三角钢架，钢架顶部以块石压重，保证钢架在海流作用下的稳定性。流速仪利用锚固部件固定于钢架中心焊接的垂向钢管上，其高度可上下调节；流速仪工作时距离底部滩面高度不能低于20cm，以防止传感器被泥沙覆盖；流速仪数据采集箱与气象站、波潮仪共用一套，因此流速仪支架距离监测平台一般不超过20m；

——计算机控制端配置方式。如果典型监测断面处监测设备采用的是GPRS无线数据传输方式，计算机需要保证能够连接网络；如果监测设备采用的是无限数传电台，则计算机端也需要安装一台无线数传电台用于数据的接收。

4)连接设备

设备的连接包括两大部分：传感器与数据采集箱之间的连接、数据采集箱与计算机之间的连接。数据采集箱是用于直接控制传感器的设备，目前尚未有成熟的技术能够实现数据采集箱与传感器之间的无线连接，因此，数据采集箱与传感器之间都通过电缆连接。连接方式如下：

渗压计与测斜仪都通过电缆与专用数据采集箱连接，该数据采集箱能够实现频率信号(渗压计)与电压信号(测斜仪)的采集，同时能够设置数据采集时间间隔，采集到的数据能够储存在采集箱中；数据采集箱连接太阳能电池板。雷达波潮仪、气象站与电磁流速仪通过电缆与另外一套专用数据采集箱连接，该数据采集箱功能与连接渗压计的数据采集箱大致相同，增加了脉冲信号(流速仪)的采集功能；该数据采集箱也需太阳能电池板供电。

两套数据采集箱与计算机之间通过无线通信方式建立连接，无线通信方式的建立主要是依靠GPRS无线传输模块或无线数传电台。采用GPRS无线传输模块时，只需要在数据采集箱上连接一部无线GPRS模块，计算机端需要保证能够连接Internet网络；采用无线电台时，计算机与数据采集箱上都需要连接一部无线数传电台。

5)基础信息设置

——查阅工程设计资料，通过现场勘查的方式并结合施工技术人员施工经验综合确定浪高、风速、潮位、坝基渗流坡降、坝基水平位移的临界值；

——利用量尺对典型监测断面进行测量，测量项目包含坝顶宽度、坝底宽度、坝高、充填管袋长度、迎浪面坡比、坝体两侧基底高程；

——采集监测断面处充填泥砂和坝基部位泥砂并进行土工试验，确定充填泥砂密度、坝基部位泥砂颗分；

——采集管袋袋体材料，制作成小型管袋(10cm×10cm)并利用现场充填料充填，待固结2h后在实验室中通过拉伸力学实验确定袋体之间的摩擦系数；

以上信息采集完成后，将其输入到信息化施工系统软件中保存，完成基础信息设置。

6)开始监测

打开监测设备自带上位机软件，设定采集频率(30min、60min和180min可选)、串口通信方式(串口属性：9600，8，1，NONE)和数据传输方式(GPRS、无线数传电台可选)，并测试采集以检查连通性。测试完成之后，即可进行监测。监测流程如下：

计算机端发出采集指令，通过网络和无线数传电台对数据采集箱进行控制。数据采集箱得到采集指令后，开始控制仪器进行数据的采集。

渗压计由数据采集箱进行控制，开始采集后向数据采集箱反馈采集到的数据，数据采集箱将采集到的渗流压力数据暂时储存起来，得到计算机端的数据读取指令后通过无线模块向计算机传递采集到的渗流压力数据；测斜仪所采用的控制方法与渗压计相同；

电磁流速仪、气象传感器和雷达传感器和由数据采集箱进行控制，开始采集后电磁流速仪采集水流流速信息，气象传感器内部元件对气象信息做出反馈，雷达传感器发射雷达波对监测水面进行扫略，最终得到实时的水流流速、风速、浪高、波坦、周期、潮位等基本指标数据，数据通过电缆传递回数据采集箱，数据采集箱得到计算机端的读取指令后通过无线数传电台向计算机端传递采集到的基本指标数据；

由渗压计采集到的渗流压力数据并结合实时的潮位、坝基地质状况信息，通过计算机端的渗流分析计算程序，可以得到坝基实时的渗流坡降信息。通过比对坝基各个部位的渗流坡降与临界渗流坡降的大小，可以判别出坝基可能发生渗流破坏的位置，以便及时采取保护措施；其中渗流坡降的集成分析方法如下：

由测斜仪采集到的坝基水平位移数据通过数据采集箱的无线模块传递到计算机端，通过计算机端的水平位移计算程序，可以得到坝基水平位移累计数值。通过比对坝基累计单日水平位移、累计三日水平位移与其相应的临界值，可以判别坝体是否会因为局部水平位移过大而发生失稳；

由电磁流速仪采集到的水流流速数据，气象站采集到的风速、温度等气象信息数据以及由雷达传感器采集到的浪高、潮位数据，通过数据采集箱传递到计算机端，通过计算机端的浪高、潮位计算程序，结合坝体的断面参数，得到计算指标—管袋坝坝体稳定因子，比对浪高、潮位、风速、海流流速、稳定因子数据与其临界值，可以判别坝体在波浪作用下的稳定性。

本发明系统科学合理、便于操作，监测方法简单实用，从各个方面对管袋坝裸坝建设过程中坝体失稳的原因进行分析，最大限度减小坝体失稳状况的发生。本发明系统采用无接触式的监测方法更能适应沿海复杂多变的气候条件，减小潮水和波浪对监测仪器的影响，提高了监测结果的精确性。采用太阳能电池板对仪器供电，减少施工供电电缆的布设，提高了现场施工的安全性。系统需求设定参数简单易获取，减少了系统运行前各种繁琐的参数设定。系统采用Access数据库技术，解决了各种仪器的集成综合采集问题。本发明所涉及的仪器布设方案特别适用于沿海复杂地质、气象条件下的管袋坝裸坝施工监测，弥补了现有施工监测方法中针对管袋坝监测方法的缺失，所涉及的一套完整的参数处理与分析方案对于监测的基本指标和计算指标给出图形化的结果显示，简单明了。

附图说明

图1是本发明系统主要硬件组成及连接示意图

图2是本发明系统施工监测平面布置示意图

图3是本发明系统仪器典型监测断面布置示意图

图4是本发明系统工作流程示意图

图3中：1、计算机控制端；2、无线数传电台；3、无线模块；4、数据采集箱；5、测斜仪；6、渗压计；7、渗压计电缆；8、测斜仪电缆；9、电磁流速仪；10、流速仪电缆；11、无线数传电台；12、气象站传感器；13、雷达传感器；14、数据采集箱

具体实施方式

下面结合附图对系统的具体实施方式进行进一步的说明，实施步骤如下：

1)选取典型监测断面

从图2施工总平面布置图可以看出，该围垦施工场地为典型的“口”字形结构，西侧为一段海堤，北侧为已围垦区隔堤，东部与南部为需要建造的管袋坝，在东部坝体中部预留纳潮口。在施工建设期间，纳潮口位置受涨落潮往复水流的影响，水流流速较大，坝基容易被水流掏空；预留纳潮口，管袋未堆叠成稳定结构，顶层管袋受海浪拍打易被掀翻；纳潮口尺寸相对围垦区面积非常有限，涨落潮坝内外易形成过大的水位差，坝基发生渗流破坏的可能性较大。综合以上考虑，将典型监测断面选取在图2所示的纳潮口堤头位置。

以上典型监测断面是根据图2中所示的施工总平面布置方式进行选取的，河口海岸工程施工总平面布置方式是多种多样的，在实际选取的时候需要结合具体工程实际，同时可以参照以上所述的选取原则。

2)单个典型监测断面监测设备及计算机控制设备硬件需求

——渗流监测设备。包含量程为0～0.2MPa振弦式渗压计6支，渗压计电缆(单支长度不小于35m)，无线模块1个，12V～40W太阳能电池板1块，16通道数据采集箱1套，采集箱专用支架1个；用于实时采集坝基部位渗流压力数据并将数据传输到计算机；

——水平位移监测设备。包含量程为±15°单轴测斜仪3支，测斜仪连接钢管(长度依照现场地质情况而定)，测斜仪专用滚轮2个，底部滚轮1个，顶盖1个，直径3毫米钢丝绳(长度不小于20m)1捆，内径70mm的ABS测斜管(长度依据现场地质情况而定)，数据采集箱、采集箱专用支架、无线模块、太阳能电池板和渗流监测共用同一套设备；用于实时采集坝基水平位移数据并将数据传输到计算机；

——气象、浪潮监测设备。包含波潮雷达传感器1个，气象站1个，专用数据采集箱1套，12V～40W太阳能电池板1块，数传电台2部，仪器固定支架一套；用于实时采集浪高、周期、波长、潮位、风速等数据并将数据传输到计算机；

——流速监测设备。包含测量范围0.01～10m/s电磁式流速仪1部，数据采集箱、太阳能电池板、数传电台、仪器固定支架和波浪、潮位、气象监测共用同一套设备；用于实时采集典型断面坝基位置水流流速并将数据传输到计算机；

——计算机控制设备。包含安装有“管袋坝信息化施工系统”软件的计算机一台，接收范围为10km的无线数传电台一部。

3)安装与配置设备

典型监测断面位置监测设备按照图3的方式安装，需要安装的部件主要有渗压计、测斜仪、气象站、波潮仪和流速仪。以下均按照图3中对应的仪器标号进行说明。安装方式如下：

——渗压计埋设方式。在坝顶正中和坝身两侧靠近坝脚的位置打孔(共3个孔，孔的位置参照图3中标号6的渗压计布置方式)，孔直径不小于5cm，孔深应保证穿过坝身并深入到坝基至少3m。每个孔中放置2支渗压计，下部渗压计接触或接近孔底放置，上部渗压计距离地基表面约50cm放置。渗压计6和数据采集箱4之间通过电缆7连接。数据采集箱4控制渗压计6进行渗流压力数据的采集，采集到的数据临时储存到采集箱4中。数据采集箱4和渗压计6由太阳能电池板供电；

——测斜仪安装方式。在坝基一侧(具体哪一侧需要结合现场情况而定，理论上选取打孔方便且坡较陡的一侧)靠近坝脚约1m的位置打孔并埋设测斜管，测斜管至少要插到地基较为坚硬的土层内部1m。测斜仪之间通过连接钢管连接，3只测斜仪在测斜管内部等长均匀布置，但应保证最上部测斜仪距离地基表面约50cm。测斜仪5和数据采集箱4之间通过电缆8连接。测斜仪5与渗压计6共用一套数据采集箱4；

——气象站、波潮仪及流速仪安装方式。在坝体近海一侧设立监测平台(如图3所示)，监测平台应保证在较大风浪作用下不被海水淹没或倾覆。气象站12、数据采集箱14、无线数传电台11和太阳能电池板全部放置于监测平台上并加以固定；平台表面延伸出一根悬臂钢管(或桁架)，雷达波潮仪13固定于悬臂钢管顶端；在延伸出的悬臂钢管(或桁架)中部固定以垂直向下并延伸到海水中的钢管(整个延伸出去的钢管形如“T”)，流速仪9即固定于该钢管的底部位置；数据采集箱14同传感器(气象站、雷达波潮仪与电磁流速仪)通过电缆连接，控制传感器进行气象、浪潮及流速数据的采集。数据采集箱14与传感器(气象站、雷达波潮仪与电磁流速仪)由一块太阳能电池板供电；

——计算机配置方式。如果典型监测断面处监测设备采用的是GPRS无线数据传输方式，计算机端1需要保证能够连接网络；如果监测设备采用的是无限数传电台，则计算机端1需要安装一台无线数传电台2用于数据的接收。

4)连接设备

设备的连接方式如图1所示，具体的设备按照图3中典型监测断面处的仪器标号进行说明。连接方式如下：

对于计算机端1，连接方式为：计算机1与无线设备连接，无线设备有两种，一种是无线上网设备(联网网线或无线网卡设备)，另外一种是无线电台2，用于实时接收仪器采集到的信息；

对于渗流、水平位移和流速监测设备，连接方式为：渗压计6、测斜仪5与数据采集箱4连接，同时将太阳能电池板、无线模块3与数据采集箱4连接；

对于气象、浪潮及海流流速监测设备，其连接方式如下：气象站12、雷达波潮仪13、电磁流速仪9与数据采集箱14连接，同时将太阳能电池板、无线数传电台11与数据采集箱14连接。

5)基础信息设置

——查阅工程设计资料，通过现场勘查的方式并结合施工技术人员施工经验综合确定浪高、风速、潮位、坝基渗流坡降、坝基水平位移的临界值；

——利用量尺对图2中的典型监测断面进行测量，测量项目包含坝顶宽度、坝底宽度、坝高、充填管袋长度、迎浪面坡比、坝体两侧基底高程；

——采集监测断面处充填泥砂和坝基部位泥砂并进行土工试验，确定充填泥砂密度、坝基部位泥砂颗分；

——采集管袋袋体材料，制作成小型管袋(10cm×10cm)并利用现场充填料充填，待固结2h后在实验室中通过拉伸力学实验确定袋体之间的摩擦系数；

以上信息采集完成后，将其输入到信息化施工系统软件中保存，完成基础信息设置。

6)开始监测

打开监测设备自带上位机软件，设定采集频率(30min、60min和180min可选)、串口通信方式(串口属性：9600，8，1，NONE)和数据传输方式(GPRS、无线数传电台可选)，并测试采集以检查连通性。测试完成之后，即可进行监测。系统监测过程全自动，工作流程如图4所示。监测流程如下：

计算机端1发出采集指令，通过网络和无线数传电台2对数据采集箱4、12进行控制。数据采集箱4、12得到采集指令后，开始控制仪器进行数据的采集。

渗压计5由数据采集箱4进行控制，开始采集后向数据采集箱4反馈采集到的数据，数据采集箱4将采集到的渗流压力数据暂时储存起来，得到计算机端1的数据读取指令后通过无线模块3向计算机传递采集到的渗流压力数据；测斜仪所采用的控制方法与渗压计相同；

电磁流速仪9、气象传感器12和雷达传感器13和由数据采集箱14进行控制，开始采集后电磁流速仪9采集水流流速信息，气象传感器12内部元件对气象信息做出反馈，雷达传感器13发射雷达波对监测水面进行扫略，最终得到实时的水流流速、风速、浪高、波坦、周期、潮位等基本指标数据，数据通过电缆传递回数据采集箱14，数据采集箱14得到计算机端的读取指令后通过无线数传电台11向计算机端1传递采集到的基本指标数据；

由渗压计5采集到的渗流压力数据并结合实时的潮位、坝基地质状况信息，通过计算机端1的渗流分析计算程序，可以得到坝基实时的渗流坡降信息。通过比对坝基各个部位的渗流坡降与临界渗流坡降的大小，可以判别出坝基可能发生渗流破坏的位置，以便及时采取保护措施。

Claims (6)

1.一种河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，包括系统设备与系统软件两个部分；系统设备由渗流监测设备、水平位移监测设备、气象、浪潮监测设备、流速监测设备、数据传输设备及计算机控制设备共同组成；系统软件包含基础信息设置模块、信息实时采集模块、信息实时分析处理模块、异常信息实时预警模块与专家知识系统模块；其特征在于：所述渗流监测设备和水平位移监测设备埋设于监测断面坝基中；在管袋坝坝前近海一侧建造监测平台，气象、浪潮监测设备集成安装于监测平台上；在靠近纳潮口坝头或坝线转角处的基床面位置安装流速监测设备；计算机控制设备通过无线数据传输设备与渗流监测设备、水平位移监测设备、气象、浪潮监测设备、流速监测设备连接。

2.根据权利要求1所述的河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，其特征在于：所述渗流监测设备和水平位移监测设备包括渗压计传感器、测斜仪传感器和数据采集箱。

3.根据权利要求1所述的河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，其特征在于：所述气象、浪潮监测设备包括无接触式的气象站传感器、雷达波潮仪传感器和数据采集箱。

4.根据权利要求1所述的河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，其特征在于：所述流速监测设备包括电磁流速仪和流速仪安装支架，数据采集箱与气象、浪潮监测设备共用一套。

5.根据权利要求1所述的河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，其特征在于： 所述无线数据传输设备包括无线数传电台或GPRS无线传输模块。

6.根据权利要求1所述的河口海岸工程管袋坝信息化施工系统，其特征在于： 所述计算机控制设备安装有管袋坝信息化施工系统的计算机。