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)
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
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
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
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)
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.