CN109736285A - 一种近海远程水下地基沉降自动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，包括沉降保护装置、数据采集发射模块、供电系统、数据传输模块和数据处理模块，沉降保护装置由混凝土基座、钢护管、上部支架以及居中定位杆组成，数据采集发射模块主要由传感器和相关配套设备如储液罐、线缆及数据收发器组成，供电系统采用太阳能或蓄电池供电。当进行水下施工时，就可通过混凝土基座的沉降来自动获得水下地基的沉降量。本发明的有益效果是：将传统的沉降监测设备从水下安装提升至水上安装，解决了仪器埋设成功率低及施工人员水下作业不安全等问题，提高了工作效率，降低工作强度；对水下地基沉降做到实时监控并将监测数据传输至数据库。
Description
技术领域
本发明涉及水运工程建设领域，特别是涉及一种近海远程水下地基沉降自动监测系统。本系统具有水下沉降监测水上仪器安装并且数据自动采集发射及后处理的特点，有效避免了传统的水下作业，并将沉降保护装置、数据采集发射模块及供电系统组合成一体，降低了施工难度，简化了施工过程，提高采集数据的可靠性，保障了作业人员安全性。
背景技术
随着近几年中国经济的飞速发展，港口码头建设也进入了高速发展的阶段，为满足近海码头通航需求，码头防波堤越来越多地采用浅堤结构，即防波/砂堤顶面处于水面以下。为保证防波/砂堤工程在施工期地基和结构的稳定，控制施工期的加荷速率，保证工程质量，需要在水工建/构筑物的施工期进行地基沉降、侧向位移和孔隙水压力的现场监测工作，因此近海离岸防波堤在施工过程中的监测成为重中之重。由于海上施工环境复杂，施工难度大，人工监测工作量大、监测数据不完整等因素，造成近海水下地基自动沉降观测在国内一直是一个较少涉足的领域。最近几年随着防波堤浅堤结构的应用越来越多，其监测需求越来越高，而地基沉降观测是其最为重要的指标之一。
传统的沉降观测方法是将沉降盘放于水下泥面指定位置，并在附近海上搭建观测平台，采用水准仪进行观测，如图1所示。此方法主要有以下缺点：一是前、后站要求有距离限制，基准点要设置在岸上，距离太远；二是根据实际的沉降监测数量需要在海上搭建观测一个或多个观测平台；三是受海上气象条件、波浪等因素影响，人员有时无法进入现场进行观测。基于以上原因，采用传统的水准仪观测，不仅投入巨大，而且无法做到实时观测。
随着信息技术的发展，出现了一种自动监测方法，此法为将传感器埋设于水面以下的泥面附近，再通过线缆将数据传输到终端，再由采集终端通过无线传输技术将数据发回室内进行处理，如图2所示。此法的缺点除了需要另行搭设平台之外，最大的缺点是仪器安装全程处于水下作业，施工难度大，效率低，人员在作业过程中存在极大的安全隐患，而且由于数据传输线缆较长，保护难度大，成活率很低，很难获得完整的监测数据。
因此，为满足现代的工程需要，并基于现有技术设备解决上述诸多问题，如施工人员安全性、埋设工艺成活率、降低施工难度等，成为了现今水下自动监测的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种针对近海远程水下地基沉降监测而研制的一种具有水下沉降监测水上仪器安装并且数据自动采集发射及后处理特点的自动监测系统，将地基沉降量转化为钢护管顶部位移量，再通过储液罐、传感器将相对位移量转化为电信号，经数据收发器采用2G/3G/4G信号无线传输至数据处理模块，将数据经过处理后实时反馈给观测人员，并且输入数据库。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，将沉降保护装置、数据采集发射模块、供电系统、数据传输及处理模块等有机的结合为一体。
沉降保护装置由混凝土基座、钢护管、上部支架以及居中定位杆组成：
混凝土基座为带有部分钢护管的预制长方体钢筋混凝土块，钢护管底面与基座底面持平，尺寸为2.5m×2.5m×0.7m，具体尺寸可根据现场实际工况进行调整，其作用主要为提高底座的稳定性及随土体带动整个沉降转换系统同步发生沉降。钢护管将基座及上部支架连接，主要起到了保护内部结构、支撑上部结构及将地基沉降量转化为管顶位移值的作用，其长度尺寸可根据现场实际工况选择，一般将其制作成多个短管，再经现场安装拼接成所需长度；上部支架由底盘、钢筋支架、数据收发器保护盒及警示、防雷击装置组成，其中底盘为一片5mm厚的圆钢板，尺寸应与钢护管顶部的法兰盘尺寸对应，外围的孔方便与法兰盘连接，中部四个小圆孔用于储液罐的连接，旁边的一个大孔用于穿过线缆；钢筋支架支撑起数据收发器保护盒，其作用为便于现场线缆连接及安放数据收发器；警示及防雷击装置安装在盒子上部边缘位置；混凝土基座与上部结构通过钢护管连接成整体，居中定位杆下端埋入相对不动土层，其顶端与钢护管顶部距离根据预估沉降量来确定。传感器与居中定位杆上端固接，储液罐与上部支架的底盘及钢护管顶部固接。
当地基发生沉降时，混凝土基座带动钢护管及储液罐同步下降，储液罐变化的液体压力由传感器采集并通过线缆传输到数据收发器，由此测出地基沉降量。
数据采集发射模块主要由传感器及相关配套设备如储液罐、线缆、数据收发器等组成。传感器上部通过柔性液管连接到储液罐，预留高度根据工程需要确定；线缆连接传感器及数据收发器。
供电系统采用太阳能或蓄电池供电。
数据传输及处理模块：数据收发器采集得到的数据利用2G/3G/4G信号传输至数据后处理系统。数据传输回后台服务器，再经相关配套数据处理程序对其进行分析，实时反馈给观测者，除此之外，将处理后的数据输入数据库，为管理者们做决策提供数据支撑；由此做到实时监控，实时预警。
本发明的有益效果是：将传统的水下地基沉降监测设备从水下安装提升至水上安装，有效避免了人员水下作业，解决了仪器埋设成功率低及施工人员水下作业不安全等问题，并且将沉降自动监测、数据自动采集及自动传输等技术有机结合，大大提高了工作效率，有效降低监测人员的工作强度，革新技术；本系统可对水下地基沉降做到实时监控，并传输至数据库，其推广使用都有巨大的现实意义，经济、社会效益显著。
附图说明
图1是现有技术水准仪沉降监测示意图；
图2是现有技术自动沉降监测示意图；
图3是本发明沉降保护装置示意图；
图4是本发明近海远程水下地基沉降自动监测系统结构分解图；
图5是本发明混凝土基座示意图；
图6是本发明钢护管示意图；
图7是本发明上部支架示意图；
图8是本发明安装在上部支架上的底盘示意图。
图中：
1、混凝土基座 2、钢护管 3、居中定位杆
4、上部支架 4-1、底盘 4-2、钢筋支架
4-3、数据收发器保护盒 4-4、防雷击装置
5、数据采集发射模块 5-1储液罐 5-2传感器
5-3线缆 5-4数据收发器 6、法兰盘孔
7、储液罐连接孔 8、线缆孔
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1至8所示，一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，包括沉降保护装置、数据采集发射模块、供电系统、数据传输模块和数据处理模块。
沉降保护装置包括位于泥面上的混凝土基座1、钢护管2、上部支架4和插入泥面下面的相对不动层的居中定位杆3，所述混凝土基座1为中间带有钢护管2孔的预制长方体钢筋混凝土块，钢护管2底面与基座底面持平，钢护管2上面连接上部支架4；所述居中定位杆3位于钢护管2内的中心；所述上部支架4上设有数据采集发射模块，所述数据采集发射模块包括数据收发器5-4、传感器5-2、储液罐5-1、线缆5-3，传感器5-2通过柔性液管连接储液罐5-1，传感器5-2经线缆5-3连接数据收发器5-4；所述数据采集发射模块将数据经数据传输模块发送至带有数据处理模块的设备上。
上部支架4位于水面以上，包括与钢护管2上端面的法兰盘相连接的底盘4-1、钢筋支架4-2、数据收发器保护盒4-3和防雷击装置4-4。
底盘4-1上设有连接钢护管2的法兰盘孔6、连接储液罐连接孔7和连接线缆孔8。
底盘4-1为一片5mm厚的圆钢板，尺寸与钢护管2顶部的法兰盘尺寸对应，底盘4-1外围设有与法兰盘连接的孔，中部设有四个连接储液罐5-1的小圆孔、一个穿过线缆的大孔；钢筋支架4-2支撑起数据收发器保护盒4-3。
传感器5-2与居中定位杆3上端固接，所述储液罐5-1与上部支架4的底盘4-1及钢护管2顶部固接。
混凝土基座1采用长方体钢筋混凝土块，具体尺寸和重量可根据实际工程调整，其功能主要是提高埋设工艺稳定性、可靠性及随土体向下位移带动整个系统发生位移。钢护管2将基座及上部支架4连接，主要起到保护内部结构并将水下安装提升到水上安装的作用，其长度尺寸可根据水深及水流强度选择，一般将其分为多个短管，现场拼接成长管。上部支架4由底盘4-1、钢筋支架4-2、数据收发器保护盒4-3及防雷击装置4-4组成，其中底盘4-1为一片5mm厚的圆钢板，尺寸应与钢护管2顶部的法兰盘尺寸对应，外围的孔方便与法兰盘连接，中部较大孔用于线缆5-3通过；三根φ16螺纹钢筋支撑起数据收发器保护盒4-3，主要作用为方便现场线路连接；数据收发器保护盒4-3主要起到保护数据收发器5-4的作用；防雷击装置4-4安装在盒子上部边缘位置。居中定位杆3位于整个装置内部，杆体下端埋入海底相对不动土层，通过钻探方式埋入，上端固接到传感器5-2上。
数据采集发射模块主要由传感器5-2及相关配套设备如储液罐5-1、线缆5-3等及数据收发器5-4组成。传感器5-2上部通过柔性液管连接到储液罐5-1，预留高度根据工程需要确定。
供电系统采用太阳能或蓄电池供电。
数据传输及处理模块中数据传输采用2G/3G/4G信号传输；数据处理模块采用与之配套程序进行计算分析，计算结果不仅实时反馈给观测人员，而且输入后台数据库；为管理决策者提供数据支撑。
整个系统水上安装调试完成后，当进行水下构筑物施工时，就可通过混凝土基座1的沉降来自动获得水下地基的沉降量。
本发明将传统的沉降监测设备从水下安装提升至水上安装，有效避免了人员水下作业，解决了仪器埋设成功率低及施工人员水下作业不安全等问题，并且将沉降自动监测、数据自动采集及自动传输等技术有机结合，大大提高了工作效率，有效降低监测人员的工作强度，革新技术；本系统可对水下地基沉降做到实时监控，并传输至数据库，其推广使用都有巨大的现实意义，经济、社会效益显著。
本发明的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统的安装方式如下：
利用船上起重设备将组成一体的基座及钢护管2安放至水底指定位置。混凝土基座1应摆放平整。将混凝土基座1摆放好后，利用工程钻机在钢护管2内部钻孔，直至钻至相对不动土层，具体深度根据地质情况而定，然后将居中定位杆3通过钻孔逐节下放至相对不动土层，居中定位杆3下端为基准点，其顶端与钢护管2顶部距离按照预估沉降量来确定。传感器5-2与居中定位杆3上端固接，储液罐5-1与上部支架4的底盘4-1和钢护管2顶部固接，数据收发器5-4放置于数据收发器保护盒4-3，线缆5-3穿过线缆孔8连接至数据收发器5-4。
①混凝土基座1材质选取
混凝土基座1材质有多种，本次选用的是预制钢筋混凝土结构。基座上表面布设4个吊点，吊点采用φ32的光圆钢筋制作而成，与内部钢筋焊接，基座内部配筋采用φ20与φ7螺纹钢筋，并与钢护管2进行绑扎形成一体。最后，支模并浇筑混凝土养护。选用此种材质克服了传统钢质沉降盘重量轻导致的沉降盘不稳定的缺点。本次基座根据实际工程需要，综合考虑了水深、水流及起吊设备的起重能力等多种因素，选用尺寸为2.5m×2.5m×0.7m，具体工程中应根据实际情况选用。
②钢护管2及附属尺寸的选取
本系统中钢护管2壁厚度为9.5mm，每节护管长6m。钢护管2两端焊接法兰盘，钢护管2外径与法兰盘内径相同为325mm，法兰盘外径345mm。法兰盘与护管除了采用满焊焊接外，还对称布置4个厚10mm，长边0.2m，短边0.1mm的三角钢板，直角的一边焊接到法兰盘，另一边焊接到钢护管2外壁，起到加强作用。钢护管2间的连接采用直径18mm的螺杆连接。具体工程中钢护管2长度及规格尺寸的选择应与水环境及现场起吊设备相适应。
③上部支架4结构设计
上部支架4结构设计应尽量简洁方便仪器现场安装。支架底盘4-1φ345mm，选用钢板材质，外围的螺孔应与钢护管2法兰盘相适应，中部开设有五个圆孔，其中四个孔用于连接储液罐5-1，旁边一个稍大孔用于线缆5-3通过。钢筋支架4-2下端与底盘4-1焊接，上端焊接到数据收发器保护盒4-3。数据收发器保护盒4-3采用直径0.15m，高0.15m钢桶。于数据收发器保护盒4-3一侧焊接φ7光圆钢筋作为防雷击装置4-4。
Claims (7)
1.一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，包括沉降保护装置、数据采集发射模块、供电系统、数据传输模块和数据处理模块，其特征是：所述沉降保护装置包括位于泥面上的混凝土基座、钢护管、上部支架和插入泥面下面的相对不动层的居中定位杆，所述混凝土基座为中间带有钢护管孔的预制长方体钢筋混凝土块，钢护管底面与基座底面持平，钢护管上面连接上部支架；所述居中定位杆位于钢护管内的中心；所述上部支架上设有数据采集发射模块，所述数据采集发射模块包括数据收发器、传感器、储液罐、线缆，传感器通过柔性液管连接储液罐，传感器经线缆连接数据收发器；所述数据采集发射模块将数据经数据传输模块发送至岸上带有数据处理模块的设备上。
2.根据权利要求1所述的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，其特征是：所述上部支架位于水面以上，包括与钢护管上端面的法兰盘相连接的底盘、钢筋支架、数据收发器保护盒和警示、防雷击装置。
3.根据权利要求2所述的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，其特征是：所述底盘为一片5mm厚的圆钢板，尺寸与钢护管顶部的法兰盘尺寸对应，底盘外围设有与法兰盘连接的孔，中部设有四个连接储液罐的小圆孔、一个穿过线缆的大孔；钢筋支架支撑起数据收发器保护盒。
4.根据权利要求1所述的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，其特征是：所述传感器与居中定位杆上端固接，所述储液罐与上部支架的底盘及钢护管顶部固接。
5.根据权利要求1所述的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，其特征是：所述供电系统采用太阳能或蓄电池供电。
6.根据权利要求1所述的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，其特征是：所述数据收发器采集得到的数据利用2G/3G/4G信号传输至数据后处理系统进行分析，将处理后的数据输入数据库并实时反馈给观测者。
7.根据权利要求1所述的一种近海远程水下地基沉降自动监测系统，其特征是：所述钢护管为多个短管拼接成长管，将基座及上部支架连接为一体。
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| CN113819884B (zh) * | 2021-09-24 | 2023-11-21 | 中海石油(中国)有限公司 | 一种用于海底采油沉箱装置的竖向位移监测系统及方法 |
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