海上構(gòu)筑物地基自動監(jiān)測系統(tǒng)在深水中的密封保護措施

解林博，許浩，陳運濤，楊京方，喻志發(fā)，朱耀庭

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

隨著我國水運工程建設(shè)高速發(fā)展，海上建筑物逐漸增多，離岸距離越來越遠，促使水運建設(shè)工程向深水水域發(fā)展。在深水區(qū)域施工時，水文條件惡劣，地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較差，因此開展深水地基監(jiān)測變得非常必要。

在大風(fēng)、大雪、大霧、臺風(fēng)等惡劣天氣期間，海上構(gòu)筑物地基監(jiān)測難以正常實施，而惡劣天氣對海上建筑物及地基土體的安全極為不利，如何實時、準確地獲得此時地基土體的監(jiān)測數(shù)據(jù)已成為業(yè)內(nèi)的一大難題，特別是深水建筑物施工期的安全容易受到臺風(fēng)的影響，及時獲得臺風(fēng)期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)以便進行安全分析顯得尤為重要。

“具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)”已成功地應(yīng)用于某深水防波堤工程，該技術(shù)可對深水地基土體進行實時監(jiān)測并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行遠程水下傳輸，以便對地基土體的安全性進行及時分析，為施工安全提供了很好的保障，利用該技術(shù)大大節(jié)省了人力物力，避免了施工與監(jiān)測的干擾，實現(xiàn)了自動化監(jiān)測。該技術(shù)于2011年7月獲得了國家專利[1]。

在深水地基監(jiān)測工作中，如何做好自動監(jiān)測系統(tǒng)的水密保護是監(jiān)測工作的重中之重，本文將重點介紹自動監(jiān)測系統(tǒng)在深水中的密封保護措施。

1 監(jiān)測原理

該監(jiān)測技術(shù)包括4個部分：監(jiān)測傳感器、自動測控系統(tǒng)、水下無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（PC）。

自動測控系統(tǒng)的測量端子與智能式監(jiān)測傳感器相連接，可以按照預(yù)先設(shè)置的測量周期自動定時向傳感器發(fā)射激勵信號從而采集傳感器的數(shù)據(jù)，并進行自動存儲。

自動測控系統(tǒng)通過RS-232通訊串口與水下無線傳輸系統(tǒng)進行連接，將采集到的數(shù)據(jù)自身存儲的同時上傳至水下無線傳輸系統(tǒng)的水下機中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用水聲通信原理將自身存儲的數(shù)據(jù)調(diào)制到擴頻信號，并發(fā)送到水聲信道中，由上位機接收信號并解調(diào)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的遠程傳輸，由此可以實現(xiàn)監(jiān)測的自動化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線化、實時化，形成了一套完整的自動監(jiān)測系統(tǒng)[2]。

2 應(yīng)用工程

本技術(shù)應(yīng)用的工程為南海某人工塊體護面拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，軟基處理采用開挖置換法，原泥面下分布有淤泥層和淤泥質(zhì)黏土層，軟土層平均厚度26m，最大厚度32m，自然水深18～26m，基本挖除上層淤泥，保留淤泥質(zhì)黏土，挖泥深度20 m左右，挖泥后的水深達45 m，底部高程-38.0～-43.0m，挖泥底寬100～160m，開挖邊坡1∶3。堤頂高程7.5m，軸線位置土體上部拋填堤心石加扭王字塊最厚達到了50多m，附加應(yīng)力達到了600 kPa以上。施工現(xiàn)場無掩護，平均每年夏季有4次臺風(fēng)，其余時間受季風(fēng)影響較大，有效作業(yè)天數(shù)少。

眾多不利因素在業(yè)內(nèi)非常罕見，給施工和監(jiān)測帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了及時了解施工期尤其是在臺風(fēng)期間地基土參數(shù)的變化情況，確保施工過程中地基土體的安全，并盡可能避免監(jiān)測過程中對施工船只的干擾，實施自動化監(jiān)測，決定在本工程采用“具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)”對防波堤地基土體實施監(jiān)測。全堤共設(shè)3個監(jiān)測斷面，分別進行地表沉降監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測和深層土體水平位移監(jiān)測。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的密封保護措施

由于自動采集單元和水下無線傳輸系統(tǒng)均放置在水深達25m的海底中，傳感器埋設(shè)的泥面水深達45m，故水密保護工作至關(guān)重要，也最具有難度。下面將重點介紹本工程實例中的水密保護措施。

3.1 傳感器的保護措施

由于本工程屬深水工程，上部荷載很大，故傳感器埋設(shè)完畢后需采取保護措施，防止拋填堤心石時將傳感器砸壞。

1）儀器出廠前，要求廠家加強儀器自身的密封可靠性并進行密封試驗，出具試驗報告。

2）對監(jiān)測斷面的開挖邊坡進行處理。要求施工單位在監(jiān)測斷面左右各10m范圍內(nèi)由1∶3的邊坡改為1∶5的緩坡，再鋪設(shè)一層1m厚的砂墊層，為導(dǎo)線鋪設(shè)形成比較平整的下褥層。拋砂溜平后潛水員可在邊坡上行走，進行導(dǎo)線保護處理。工作墊層應(yīng)在儀器埋設(shè)前鋪設(shè)完畢。

3）傳感器埋設(shè)完畢后，需要潛水員在水下用砂袋將傳感器完全覆蓋壓好，并用U型鐵釬將導(dǎo)線保護管每隔2～3m進行固定。

4）在每個監(jiān)測斷面儀器埋設(shè)完畢后，在儀器上部拋填一定量的中粗砂作為防砸墊層，在傳感器及導(dǎo)線上部形成一條厚3m寬10m的砂梁，防止拋石的碰砸。

3.2 導(dǎo)線的水密保護措施

1）傳感器在出廠時附帶導(dǎo)線只有2.5m左右，埋設(shè)前需要按照計算好的長度進行人工接線，導(dǎo)線焊接點的位置容易在高水頭情況下進水，導(dǎo)致儀器失靈，因此需要對其采取密封保護措施。

采用特制的導(dǎo)線連接頭進行保護，既有很好的水密功能，又能防止導(dǎo)線連接處受拉。如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線連接頭部件

將導(dǎo)線的兩個接頭分別穿過擠壓螺帽、鼓形密封墊圈、穿倉式螺母和密封平墊，其中一個接頭穿過帶螺絲的圓柱形艙體，將導(dǎo)線的兩個接頭焊接牢固并用熱縮管密封后，將左端的穿艙式螺母緊固在圓柱形艙體上，往艙體中緩慢灌滿密封膠，以起到雙重止水的作用，最后緊固右端的穿艙式螺母，最后將兩端的擠壓螺帽擰緊在穿艙式螺母上，待密封膠凝固24 h后可以完全達到防水效果。

2）儀器埋設(shè)完畢后，導(dǎo)線順斷面底部引至拋石區(qū)域外，在拋石過程中對導(dǎo)線的保護至關(guān)重要。本監(jiān)測方案中對導(dǎo)線的保護措施如下：

①各組傳感器導(dǎo)線事先用尼龍繩1m一結(jié)的捆好，繩子短而導(dǎo)線長，既將導(dǎo)線整理成束，又可避免導(dǎo)線受拉，還可以為日后地面沉降留出余量。

②傳感器埋設(shè)完畢后，將導(dǎo)線穿入高強保護管，高強保護管內(nèi)含4層鋼絲，有很強的抗沖擊抗剪切性能，可以防止在拋填堤心石過程中塊石將導(dǎo)線砸斷，從而保證了傳感器的正常使用。高強保護管的長度應(yīng)超出防波提的拋填范圍至少50m。

③導(dǎo)線上要印有長度標(biāo)記，萬一發(fā)生成束導(dǎo)線被拉斷的情況，可以按照長度標(biāo)記一一對應(yīng)進行連接。

3.3 自動測控系統(tǒng)的水密保護措施

1）將自動測控系統(tǒng)密封在內(nèi)外兩層密封罐中，起到雙重止水效果，提高了密封的性能，如圖2所示，圖中用密封膠灌裝導(dǎo)線接口的是內(nèi)罐。

圖2 在大密封罐內(nèi)放置內(nèi)灌

密封罐均采用法蘭盤密封，墊片采用耐腐蝕的聚四氟乙烯材料制作，并在墊片上涂抹密封膠，增強密封性能。

將密封罐的法蘭盤緊固完畢后，采用一種高新型密封材料——黏彈體[3]將法蘭盤縫隙及焊縫包住，防止海水滲透腐蝕。

2）大密封罐的頂部預(yù)留出線孔，用來引導(dǎo)傳感器導(dǎo)線進入大密封罐，從而與自動測控系統(tǒng)的測量端子進行連接。采用特制專用的導(dǎo)線出線孔密封件，在導(dǎo)線出線孔的內(nèi)外兩側(cè)均用此密封件將導(dǎo)線緊固，將罐體內(nèi)部的、密封件之外的導(dǎo)線外皮去掉只留芯線，并在導(dǎo)線出線孔的內(nèi)側(cè)加灌一定量的環(huán)氧樹脂密封膠，防止由于導(dǎo)線外皮破損海水沿芯線進入密封罐。接好線的大密封罐體如圖3所示。

圖3 接好線的大密封罐

3.4 水下無線傳輸系統(tǒng)的水密保護措施

水下無線傳輸系統(tǒng)的水下機與自動測控系統(tǒng)之間通過穿過大密封罐的鎧裝電纜連接，以進行數(shù)據(jù)的傳輸[2]。鎧裝電纜的兩個端頭分別通過水下連接器與二者進行連接，電纜芯線與水下連接器焊接后，在接頭的外面分別整體灌裝硫化密封膠和環(huán)氧樹指密封膠，增強其防水性能。

該水下連接器應(yīng)用于各種水下裝置及艦艇水聲設(shè)備的電氣連接，具有不大于3000m的水密性、徑向和軸向雙向密封結(jié)構(gòu)、耐海水腐蝕等特性，如圖4所示。

圖4 水下連接器

水下機[4]的內(nèi)部元件一部分密封在一個316 L鋼制圓筒中，通過O型密封圈加緊固頂絲的方式進行密封，一部分通過硫化技術(shù)密封在硫化橡膠內(nèi)，如圖5所示。

圖5 無線傳輸系統(tǒng)的水下機

3.5 監(jiān)測系統(tǒng)的保護警示措施

監(jiān)測系統(tǒng)安裝完畢后，使用警示浮鼓圍成60m×30m的標(biāo)識區(qū)域，將混凝土底座放置在標(biāo)識區(qū)的中央，禁止任何船只通過標(biāo)識區(qū)或在標(biāo)識區(qū)內(nèi)下錨，在垂直堤心軸線埋設(shè)傳感器的一側(cè)200m范圍內(nèi)亦禁止下錨，錨繩走向也應(yīng)盡量避開該區(qū)域，如圖6所示。

圖6 禁錨標(biāo)識區(qū)

4 結(jié)語

通過一系列的密封保護措施，自動監(jiān)測系統(tǒng)在深水條件下得到了可靠保護，從而使本監(jiān)測工程得以順利開展。

通過本深水工程對自動監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用，探索出了適用于本技術(shù)的施工方案，特別是深水中對系統(tǒng)的密封保護方案，為今后深水原位地基自動監(jiān)測提供了豐富的經(jīng)驗和有力的技術(shù)支持。

隨著我國港口建設(shè)的逐漸外移，水深越來越深，監(jiān)測條件越來越惡劣，該技術(shù)將有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 中交天津港灣工程研究院有限公司.具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)方法：中國，ZL201010149403.4[P].2011-07-27.

[2] 喻志發(fā)，楊京方，解林博，等.離岸深水構(gòu)筑物的自動監(jiān)測新方法[J].中國港灣建設(shè)，2012（3）：25-28.

[3] 浙江耿基新型材料股份有限公司.一種粘彈體防腐膠帶：中國，CN202054780U[P].2011-11-30.

[4] 周鋒，高金輝，孫宗鑫.基于正交頻分復(fù)用的水下轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].聲學(xué)技術(shù)，2010（3）：264-267.