离岸深水区筑堤工程水下自动化监测及应用
孙吉 张阳
摘 要：离岸深水区有着复杂、恶劣的水文地质环境，其最常见的基础形式为天然软土地基。软土地基的强度和变形均无法满足工程要求，都必须进行加固处理，同时在施工前后监测其稳定性。离岸深水区筑堤工程的水下软基监测技术研究远不如近海陆地软基监测的研究多，其自动化监测的发展及应用应当引起重视。
关键词：离岸深水区；防波堤；水下监测；自动化
中图分类号：U693 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0038-03
当前，世界各国港口建设发展迅猛，逐渐向深水、大型、专业化发展，港址也由自然条件较好的天然海湾开始向远海转移，在自然条件更为恶劣的环境中修建防波堤势在必行。离岸深水区复杂的水下环境、深厚软土层对于防波堤的设计、施工及运营维护将带来很大的影响，同时也对防波堤的安全稳定性提出了较高的要求。
水下软土地基监测作为重要的监控手段，具有高度的真实性和可靠性，是实现信息化施工的重要保障。
軟基稳定性主要体现在变形上，主要包括两个方面：沉降与水平位移。目前国内普遍采用传统监测方法，比如地表沉降，一般采用沉降盘通过人工测读水准的方式进行监测，但其存在诸多缺点：①离岸深水区距岸线较远，在筑堤工程上很难设立稳固的基准点，测试精度无法保证；②沉降板布设于堤身或水下，极易受风浪、施工机械等因素影响而导致破坏，保护难度很大；③沉降板一旦遭到破坏，很难修复甚至无法原位重新埋设，数据的连续性无法保证，更无法实现施工过程的安全监控；④仪器分辨率不高，通过人工读数，精度差、效率低。
相对于传统监测方法，自动化等新型监测系统能够很好的解决现有技术在深水区使用、仪器保护及数据采集等问题。本文以美国基康公司的GK-4600型振弦式沉降仪和BGK-6150-1单轴固定测斜仪为例，介绍仪器的传感原理及测量原理，并结合工程实例，说明其在离岸深水区筑堤工程软基变形监测中的实际应用效果。
1 监测仪器简介
1.1 GK-4600型振弦式沉降仪
GK-4600型振弦式沉降仪为液体压差式沉降仪，由传感器、液体传递管路和储液罐等组成，其主要原理为通过读取储液罐与传感器之间的压力差值计算两个测点之间的距离变化（如图1所示）。
沉降仪的安装埋设如图2所示，先钻探成孔，将孔底的居中定位装置导入钻孔内压实并采用水泥砂浆灌浆固定在非压缩土层内，其上连接传感器，传感器的通气、通液电缆引至储液罐，储液罐则与沉降盘连接，最终将沉降盘安装固定在孔口处，传输电缆引至岸上。当地基沉降时，系统内部液压的变化通过双路管传递至传感器，再通过数据采集装置读出传感器振弦频率的变化，则可换算为沉降值。
1.2 BGK-6150-1单轴固定测斜仪
BGK-6150-1单轴固定测斜仪是一种自动化监测仪器，具有高灵敏度、高精度和高稳定性等特点，通过组装拼接成整体后，安装在测斜管中与其同步移动，以监测边坡、滑坡体、堤坝等结构的水平变形。配合自动化数据采集设备，可以实现无人值守、监测数据实时采集，监测人员能够实时掌握土体变形情况，以便做出准确、有效的决策。
全套仪器由不锈钢连接杆、传输电缆、滑轮组件（固定滑轮和弹性压力滑轮）、传感器、数据采集仪组成。埋设时先钻探成孔安装测斜管，再通过边下边接的方式使用钢缆绳将传感器放入测斜管内，同时保证固定滑轮与测斜方向一致，最后将传输电缆引至岸上。（见图3）
当测点部位的土体产生位移，测斜管同步也会发生位移，测斜管内传感器能敏感地测量出测斜管倾斜角度发生的变化，按测点传感器的分段长度，可以分别求出该处高程水平位移增量。假设测斜管底部为固定端，从测斜管底部测点开始逐段叠加，可以计算任一高程处的实际水平位移。
2工程实例
2.1 工程概况
某海港防波堤一期工程位于胶东半岛南岸的乳山口与丁字河口之间的海阳市凤城街道近海岸海域，共计3700米长。施工图一阶段批复防波堤工程采用抛石斜坡堤结构，外侧及堤头采用5T扭王字块护面。
按设计要求，断面堤身两侧挤淤鼓包须挖除，考虑到现场无抛泥点，以及考察周边护堤施工设计方案，取消两侧护坦位置开挖换填，采用抛石压脚方案。
为确定抛石及下卧软土层的稳定性，保证护面扭王字块不产生后续滑移，设计对防波堤东侧护坦部位抛石面进行表层沉降及深层水平位移监测。
该监测部位工作面位于水下2.0米左右，为方便监测，表层沉降监测选用GK-4600型振弦式沉降仪；深层水平位移监测选用BGK-6150-1单轴固定测斜仪。监测周期6个月，埋设后前三个月每天测量一次，后三个月每一周监测一次，直至位移稳定。
2.2 监测点布置
本项目设置三个监测断面，平面布置示意图及监测断面示意图如图4及图5所示：
2.3 监测结果及数据处理
根据防波堤布设的监测断面剖面图，选择有代表性的K3+180断面，断面上埋设有表层沉降观测点180-SP-1、180-SP-2以及深层水平位移观测点180-INC-1、180-INC-2，其中编号为1和2的观测点分别位于近堤处和远堤处。
2.3.1 表层沉降监测
180-SP-1号监测点于2014年10月18日开始监测，截止2015年3月19日，累计沉降为33mm，最大日沉降为2mm。
180-SP-2号监测点于2014年10月31日开始监测，截止2015年3月19日，累计沉降为22mm，最大日沉降为2mm。
由于180-SP-1号点为防波堤近端表层沉降观测点，且施工单位提供了防波堤K3+180断面前期实测沉降数据，宏观结合前期实测沉降数据对K3+180断面进行综合分析、计算。
K3+180断面监测点于2012年12月21日开始监测，截止2015年3月19日，其累积沉降为146mm。
利用Asaoka法对各监测点数据进行分析、计算，结果见表1、2。
2.3.2 深层水平位移监测
180-INC-1号监测点于2014年10月7日开始监测，截止2015年3月19日，最大累积位移值为8mm，土体深度4.25m处；最大日位移为2mm。
180-INC-2号监测点于2014年10月7日开始监测，截止2015年3月19日，最大累積位移值为3mm，土体深度11.14m处；最大日位移为3mm。
2.3.3 监测结果分析
根据监测数据和处理结果分析可以得知，各沉降监测点固结度均大于90%，各深层水平位移变化量极小，且处于收敛趋势，因此，可以判断该防波堤K3+180断面东侧护坦部位土体已处于稳定状态。
3 结论
（1）通过实际工程运用情况可以看出，这两种监测设备所测得的监测数据规律性好、稳定性强、无异常点、无零飘，属于比较理想的水下软基监测仪器。
（2）该类监测设备结构简单、操作方便、测试精度高，目前已经可以实现自动监测，云端上传，监测人员能够随时查看现场实时数据变化情况，对于数据异常或者变形量超标能够及时反馈发出警报，大大降低了人工成本，有效克服了现在技术中存在的多数缺点，具有广泛的应用价值。
（3）理论上来说，自动化监测受到气候条件影响是比较小的，但为了排除其可能产生的影响，还需要进行长期的评估研究以及适当的修正。
（4）目前我国对于离岸深水筑堤工程软基监测的控制指标并不完善。在实际工程运用中，各类软基监测均简单借鉴堆载预压工程的相关控制标准，为更好地保证工程安全，各类地基处理工程控制指标及标准均需按实际情况分别制定。
参考文献：
[1] 苗中海，张敬，高志义，叶国良，港口工程水下地基原位自动监测技术研究，中国交通建设集团有限公司第一届科技大会论文集
[2] 傅建伟，邓加亮，林清基，王建华，阳江某临海工程软基监测，施工技术，2013，（42）
[3] 余太金，水下软基处理工程沉降位移动态监测，有色金属矿产与勘查，1995，4（6）
[4] 王美茹，深水防波堤设计方法初探，港工技术，2010，47（3）
[5] 朱高峰，软土地基海堤工程监测稳定控制标准探讨，水运工程，2009，（2）
[6] 龙生海，海堤原位监测及沉降预测研究，东南大学，2013
[7] 解林博，离岸深水构筑物软土地基监测研究，天津大学建筑工程学院，2013
[8] 肖忠，软土地基上新型防波堤结构的稳定性分析，天津大学，2009
[9] 余海忠，刘国楠，徐玉胜，抛石挤淤成堤断面形态研究，中国铁道科学，2011，32（3）
[10] 夏才初，潘国荣等，土木工程监测技术，中国建筑工业出版社，2001.78～86
[11]高志义，苗中海，叶国良等，水下地基形态自动监测控制系统，中国港湾建设，2007，（151）
摘 要：离岸深水区有着复杂、恶劣的水文地质环境，其最常见的基础形式为天然软土地基。软土地基的强度和变形均无法满足工程要求，都必须进行加固处理，同时在施工前后监测其稳定性。离岸深水区筑堤工程的水下软基监测技术研究远不如近海陆地软基监测的研究多，其自动化监测的发展及应用应当引起重视。
关键词：离岸深水区；防波堤；水下监测；自动化
中图分类号：U693 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0038-03
当前，世界各国港口建设发展迅猛，逐渐向深水、大型、专业化发展，港址也由自然条件较好的天然海湾开始向远海转移，在自然条件更为恶劣的环境中修建防波堤势在必行。离岸深水区复杂的水下环境、深厚软土层对于防波堤的设计、施工及运营维护将带来很大的影响，同时也对防波堤的安全稳定性提出了较高的要求。
水下软土地基监测作为重要的监控手段，具有高度的真实性和可靠性，是实现信息化施工的重要保障。
軟基稳定性主要体现在变形上，主要包括两个方面：沉降与水平位移。目前国内普遍采用传统监测方法，比如地表沉降，一般采用沉降盘通过人工测读水准的方式进行监测，但其存在诸多缺点：①离岸深水区距岸线较远，在筑堤工程上很难设立稳固的基准点，测试精度无法保证；②沉降板布设于堤身或水下，极易受风浪、施工机械等因素影响而导致破坏，保护难度很大；③沉降板一旦遭到破坏，很难修复甚至无法原位重新埋设，数据的连续性无法保证，更无法实现施工过程的安全监控；④仪器分辨率不高，通过人工读数，精度差、效率低。
相对于传统监测方法，自动化等新型监测系统能够很好的解决现有技术在深水区使用、仪器保护及数据采集等问题。本文以美国基康公司的GK-4600型振弦式沉降仪和BGK-6150-1单轴固定测斜仪为例，介绍仪器的传感原理及测量原理，并结合工程实例，说明其在离岸深水区筑堤工程软基变形监测中的实际应用效果。
1 监测仪器简介
1.1 GK-4600型振弦式沉降仪
GK-4600型振弦式沉降仪为液体压差式沉降仪，由传感器、液体传递管路和储液罐等组成，其主要原理为通过读取储液罐与传感器之间的压力差值计算两个测点之间的距离变化（如图1所示）。
沉降仪的安装埋设如图2所示，先钻探成孔，将孔底的居中定位装置导入钻孔内压实并采用水泥砂浆灌浆固定在非压缩土层内，其上连接传感器，传感器的通气、通液电缆引至储液罐，储液罐则与沉降盘连接，最终将沉降盘安装固定在孔口处，传输电缆引至岸上。当地基沉降时，系统内部液压的变化通过双路管传递至传感器，再通过数据采集装置读出传感器振弦频率的变化，则可换算为沉降值。
1.2 BGK-6150-1单轴固定测斜仪
BGK-6150-1单轴固定测斜仪是一种自动化监测仪器，具有高灵敏度、高精度和高稳定性等特点，通过组装拼接成整体后，安装在测斜管中与其同步移动，以监测边坡、滑坡体、堤坝等结构的水平变形。配合自动化数据采集设备，可以实现无人值守、监测数据实时采集，监测人员能够实时掌握土体变形情况，以便做出准确、有效的决策。
全套仪器由不锈钢连接杆、传输电缆、滑轮组件（固定滑轮和弹性压力滑轮）、传感器、数据采集仪组成。埋设时先钻探成孔安装测斜管，再通过边下边接的方式使用钢缆绳将传感器放入测斜管内，同时保证固定滑轮与测斜方向一致，最后将传输电缆引至岸上。（见图3）
当测点部位的土体产生位移，测斜管同步也会发生位移，测斜管内传感器能敏感地测量出测斜管倾斜角度发生的变化，按测点传感器的分段长度，可以分别求出该处高程水平位移增量。假设测斜管底部为固定端，从测斜管底部测点开始逐段叠加，可以计算任一高程处的实际水平位移。
2工程实例
2.1 工程概况
某海港防波堤一期工程位于胶东半岛南岸的乳山口与丁字河口之间的海阳市凤城街道近海岸海域，共计3700米长。施工图一阶段批复防波堤工程采用抛石斜坡堤结构，外侧及堤头采用5T扭王字块护面。
按设计要求，断面堤身两侧挤淤鼓包须挖除，考虑到现场无抛泥点，以及考察周边护堤施工设计方案，取消两侧护坦位置开挖换填，采用抛石压脚方案。
为确定抛石及下卧软土层的稳定性，保证护面扭王字块不产生后续滑移，设计对防波堤东侧护坦部位抛石面进行表层沉降及深层水平位移监测。
该监测部位工作面位于水下2.0米左右，为方便监测，表层沉降监测选用GK-4600型振弦式沉降仪；深层水平位移监测选用BGK-6150-1单轴固定测斜仪。监测周期6个月，埋设后前三个月每天测量一次，后三个月每一周监测一次，直至位移稳定。
2.2 监测点布置
本项目设置三个监测断面，平面布置示意图及监测断面示意图如图4及图5所示：
2.3 监测结果及数据处理
根据防波堤布设的监测断面剖面图，选择有代表性的K3+180断面，断面上埋设有表层沉降观测点180-SP-1、180-SP-2以及深层水平位移观测点180-INC-1、180-INC-2，其中编号为1和2的观测点分别位于近堤处和远堤处。
2.3.1 表层沉降监测
180-SP-1号监测点于2014年10月18日开始监测，截止2015年3月19日，累计沉降为33mm，最大日沉降为2mm。
180-SP-2号监测点于2014年10月31日开始监测，截止2015年3月19日，累计沉降为22mm，最大日沉降为2mm。
由于180-SP-1号点为防波堤近端表层沉降观测点，且施工单位提供了防波堤K3+180断面前期实测沉降数据，宏观结合前期实测沉降数据对K3+180断面进行综合分析、计算。
K3+180断面监测点于2012年12月21日开始监测，截止2015年3月19日，其累积沉降为146mm。
利用Asaoka法对各监测点数据进行分析、计算，结果见表1、2。
2.3.2 深层水平位移监测
180-INC-1号监测点于2014年10月7日开始监测，截止2015年3月19日，最大累积位移值为8mm，土体深度4.25m处；最大日位移为2mm。
180-INC-2号监测点于2014年10月7日开始监测，截止2015年3月19日，最大累積位移值为3mm，土体深度11.14m处；最大日位移为3mm。
2.3.3 监测结果分析
根据监测数据和处理结果分析可以得知，各沉降监测点固结度均大于90%，各深层水平位移变化量极小，且处于收敛趋势，因此，可以判断该防波堤K3+180断面东侧护坦部位土体已处于稳定状态。
3 结论
（1）通过实际工程运用情况可以看出，这两种监测设备所测得的监测数据规律性好、稳定性强、无异常点、无零飘，属于比较理想的水下软基监测仪器。
（2）该类监测设备结构简单、操作方便、测试精度高，目前已经可以实现自动监测，云端上传，监测人员能够随时查看现场实时数据变化情况，对于数据异常或者变形量超标能够及时反馈发出警报，大大降低了人工成本，有效克服了现在技术中存在的多数缺点，具有广泛的应用价值。
（3）理论上来说，自动化监测受到气候条件影响是比较小的，但为了排除其可能产生的影响，还需要进行长期的评估研究以及适当的修正。
（4）目前我国对于离岸深水筑堤工程软基监测的控制指标并不完善。在实际工程运用中，各类软基监测均简单借鉴堆载预压工程的相关控制标准，为更好地保证工程安全，各类地基处理工程控制指标及标准均需按实际情况分别制定。
参考文献：
[1] 苗中海，张敬，高志义，叶国良，港口工程水下地基原位自动监测技术研究，中国交通建设集团有限公司第一届科技大会论文集
[2] 傅建伟，邓加亮，林清基，王建华，阳江某临海工程软基监测，施工技术，2013，（42）
[3] 余太金，水下软基处理工程沉降位移动态监测，有色金属矿产与勘查，1995，4（6）
[4] 王美茹，深水防波堤设计方法初探，港工技术，2010，47（3）
[5] 朱高峰，软土地基海堤工程监测稳定控制标准探讨，水运工程，2009，（2）
[6] 龙生海，海堤原位监测及沉降预测研究，东南大学，2013
[7] 解林博，离岸深水构筑物软土地基监测研究，天津大学建筑工程学院，2013
[8] 肖忠，软土地基上新型防波堤结构的稳定性分析，天津大学，2009
[9] 余海忠，刘国楠，徐玉胜，抛石挤淤成堤断面形态研究，中国铁道科学，2011，32（3）
[10] 夏才初，潘国荣等，土木工程监测技术，中国建筑工业出版社，2001.78～86
[11]高志义，苗中海，叶国良等，水下地基形态自动监测控制系统，中国港湾建设，2007，（151）
