液位差沉降儀在天津港半圓形防波堤中的應(yīng)用

黃作俊　吳　剛（.天津南港工業(yè)區(qū)港務(wù)有限公司，天津　30080；.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津　300000）

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液位差沉降儀在天津港半圓形防波堤中的應(yīng)用

黃作俊1吳剛2
（1.天津南港工業(yè)區(qū)港務(wù)有限公司，天津300280；2.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300000）

摘要：根據(jù)天津防波堤工程的施工特點(diǎn)，選用液位差沉降儀對該工程的地基表層沉降進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)控，闡述了其工作原理，并從儀器組裝、調(diào)試及埋設(shè)等方面，對液位差沉降儀在實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，解決了水下地表沉降的監(jiān)測問題。

關(guān)鍵詞：液位差沉降儀，表層沉降，儀器組裝，儀器埋設(shè)

半圓形防波堤是由半圓形拱圈和底板組成的預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，堤身放置在拋石基床上。由于其具有穩(wěn)定性好、工程造價低、安裝進(jìn)度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，在天津港防波堤工程中大規(guī)模應(yīng)用。

由于本工程是將半圓形防波堤應(yīng)用在淤泥質(zhì)地基上，施工過程中對地基表層沉降速率及沉降量的監(jiān)控是整個工程質(zhì)量和安全的重要保障。所以必須對本工程從基床拋石至半圓體安裝完成進(jìn)行全過程動態(tài)監(jiān)控。鑒于半圓形防波堤地基在水下的特殊性，通過傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀進(jìn)行地表沉降監(jiān)測已經(jīng)無法在本工程中使用。結(jié)合工程的實(shí)際施工特點(diǎn)，采用液位差沉降儀在水下對地基表層沉降進(jìn)行全過程動態(tài)監(jiān)控，從已完成的監(jiān)測情況來看，本方案成功解決了水下地表沉降的監(jiān)測問題。

1　工程概況

天津港大港港區(qū)東防波堤東段、北防波堤東段工程位于天津南港工業(yè)區(qū)最東端，兩段防波堤平行對稱設(shè)置，屬于在原有防波堤基礎(chǔ)上向東的延伸，使用期頂面標(biāo)高+3.5 m（新港理論最低潮面基準(zhǔn)），堤前泥面標(biāo)高-5.0 m～- 5.5 m。其中與已建防波堤相鄰段采用斜坡堤結(jié)構(gòu)，長度52.4 m，其余段采用半圓體結(jié)構(gòu)，長1 947.6 m，兩段防波堤各長2 000 m，總長4 000 m。

2　儀器介紹

2.1儀器組成

液位差沉降儀是一種通過液面高差來推算測點(diǎn)沉降的精密儀器。其核心部件是2套投入式靜壓液位變送器和智能雙通道數(shù)顯儀。由于儀器安裝是在海面以下進(jìn)行，考慮到工作環(huán)境的惡劣多變，安放液位變送器的管道必須采用耐壓防腐的高壓管，安裝液位變送器測頭的罐體也必須進(jìn)行嚴(yán)格的密封測試。

2.2工作原理

選取一個基準(zhǔn)點(diǎn)作為不動點(diǎn)，沉降點(diǎn)作為動點(diǎn)，通過數(shù)顯儀測出在同一液面高度下兩個液位變送器的讀數(shù)。由于不動點(diǎn)不會沉降，而動點(diǎn)會隨著工況的變化沉降，通過液面高差就能推算出動點(diǎn)的沉降量。假設(shè)不動點(diǎn)的標(biāo)高為0，不動點(diǎn)的初始讀數(shù)為H1，動點(diǎn)的初始讀數(shù)為h1，動點(diǎn)的標(biāo)高為H1- h1；施工過程中不動點(diǎn)的讀數(shù)為H2，動點(diǎn)的讀數(shù)為h2，動點(diǎn)的標(biāo)高為H2- h2，動點(diǎn)兩次的沉降量為：H =（H1-h1）-（H2-h2）。原理示意圖如圖1所示。

2.3儀器組裝

液位差沉降儀需要組裝的部件有：高壓管2根（40 m和13 m長各1根）、儀器罐2個、投入式靜壓液位變送器2套（55 m和15 m長各1套）。本儀器采用陸地上組裝調(diào)試完成后再運(yùn)至施工地點(diǎn)埋設(shè)。具體組裝步驟有如下幾步：1）由于高壓管較長，先將鋼絲穿入高壓管，再將液位變送器通過鋼絲引入高壓管內(nèi)，液位變送器與焊接在法蘭盤上的鋼筋綁在一起。鋼筋的一端焊接在法蘭盤上，另一端焊接一個比液位變送器直徑稍大的鋼環(huán)，將液位變送器穿入鋼環(huán)，起固定作用。儀器組裝見圖2。2）55 m長的液位變送器安裝在第一個動點(diǎn)儀器罐中，15 m長的液位變送器安裝在第二個不動點(diǎn)儀器罐中，其中動點(diǎn)儀器罐的一端開孔，并用大小配套的螺絲旋緊，此孔的作用是用來排氣。高壓管的初始端對接一個安放測線的容器罐，用來安放密封好的測線頭。3）當(dāng)液位變送器固定好以后，封閉儀器罐，法蘭盤對接固定時，提前放入膠墊，均勻涂抹密封膠（密封膠為抗腐蝕性）確保密封性。高壓管與儀器罐連接采用對絲連接，對絲一端提前焊接在法蘭盤上。完成組裝的儀器罐見圖3。

圖1　液位差沉降儀工作原理示意圖

圖2　液位差沉降儀組裝圖

圖3　完成組裝的儀器罐

2.4儀器調(diào)試

1）排氣。儀器安裝完成以后將高壓管盡量展開，從測線容器罐注水，動點(diǎn)容器罐一端的排水孔打開，并將動點(diǎn)容器罐提升40 cm左右的高度，以便在注水的過程中有利于高壓管內(nèi)氣體的排出，在注水過程中，人為左右晃動高壓管，盡量排出高壓管內(nèi)的空氣。注水過程中，對儀器罐和高壓管各個焊接的地方以及對絲連接的地方進(jìn)行密封性檢查，若發(fā)現(xiàn)有漏水的地方要及時補(bǔ)焊，或采取相應(yīng)的措施進(jìn)行密封。整個注水過程根據(jù)實(shí)際情況一般維持在30 min以上。2）液面調(diào)試。待儀器排氣完成以后，用讀數(shù)儀進(jìn)行液面調(diào)試，首先單獨(dú)測試2個液位變送器的液面高度，用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高度校核，再分別提升或者降低2個儀器罐的高度，觀測讀數(shù)儀的讀數(shù)變化是否與高度變化一致。如果液面調(diào)試沒問題，對長短液位變送器測線進(jìn)行防水接頭密封，并對測線容器罐進(jìn)行加蓋密封，在容器罐密封之前，將容器罐內(nèi)注滿水，防止高壓管在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中水在高壓管內(nèi)的流動導(dǎo)致空氣進(jìn)入兩個儀器罐。

2.5儀器埋設(shè)

第一步：現(xiàn)場調(diào)整液面的高度，通過水泵結(jié)合人工配合的方式將液面高度調(diào)至1.5 m以下，主要是為了接下來固定在鋼管樁上保持液面的穩(wěn)定性做好準(zhǔn)備。第二步：不動點(diǎn)鋼管樁的埋設(shè)，為了保證不動點(diǎn)的穩(wěn)定性，準(zhǔn)備2根6 m長的鋼管，以及1根3 m的鋼管，保證2根6 m的鋼管全部打入泥面以下，3 m的鋼管外露1.5 m～2 m，這樣就泥面以下就有至少13 m的鋼管樁，保證了不動點(diǎn)儀器罐的穩(wěn)定性。第三步：通過RTK定位，首先安裝動點(diǎn)儀器罐，再安裝不動點(diǎn)儀器罐，安裝兩個儀器罐的過程中，使高壓管的富余量盡量位于護(hù)肩石與鋼管樁之間，給動點(diǎn)儀器罐的沉降預(yù)留出沉降量。不動點(diǎn)儀器罐在水下貼泥面靠鋼管樁安裝平放，并將高壓管每隔0.5 m沿著泥面以上的鋼管樁進(jìn)行綁扎固定，保證液面的穩(wěn)定。由于鋼管樁露出泥面的高度僅為1.5 m～2 m，可以很大程度上減小水流沖擊鋼管樁時的擺動，保證了液面的穩(wěn)定性，這也是第一步調(diào)整液面到1.5 m以下的原因。第四步：高壓管固定，由于液位差沉降儀屬于高精度儀器，不僅液面的高度變化會影響讀數(shù)的變化，水平高壓管的波動也會導(dǎo)致讀數(shù)的變化，所以不動點(diǎn)和動點(diǎn)之間的高壓管采用Φ8的鋼筋加工成的“U”形卡扣插入泥面以下進(jìn)行固定，卡扣沿高壓管間距0.5 m進(jìn)行固定，經(jīng)過固定后的高壓管可以避免受水流的影響而左右晃動。待儀器埋設(shè)完成以后再次對液面高度進(jìn)行復(fù)核，確保液面的高度要低于外露鋼管樁的高度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況一般調(diào)至1.5 m以下為宜。至此整套儀器安裝全部結(jié)束。

3　數(shù)據(jù)采集

為了準(zhǔn)確掌握地基表層沉降規(guī)律，必須對防波堤施工從基床拋石開始至半圓體安裝結(jié)束進(jìn)行全過程監(jiān)測。液位差沉降儀在基床拋石之前完成安裝，并取得穩(wěn)定初值。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工進(jìn)度制定詳細(xì)的監(jiān)測頻率，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。并在拋石和半圓體安裝的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密觀測。根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)繪制沉降隨時間變化曲線圖，通過多個斷面的測量資料對地基的沉降量及沉降速率進(jìn)行分析，對比設(shè)計給出的日均沉降速率，確保防波堤施工安全，以便更好的指導(dǎo)后續(xù)施工。針對本工程選取一組典型斷面沉降曲線圖進(jìn)行分析（見圖4）。通過液位差沉降儀在現(xiàn)場取得的觀測數(shù)據(jù)能夠計算出地基沉降量及沉降速率。由圖4沉降曲線可以看出，防波堤施工過程中出現(xiàn)了兩次沉降突變，根據(jù)現(xiàn)場的施工時間節(jié)點(diǎn)對比，兩次沉降突變分別發(fā)生在基床拋石和半圓體開始安裝的時間。基床拋石初始階段地基沉降會有一個突然變大的過程，至拋石完成后地基沉降處于緩慢增加。半圓體安裝的時候地基沉降也會有一個突然變大的過程，隨著半圓體安裝結(jié)束，地基沉降處于緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4　天津港大港港區(qū)北防波堤東段U1+600斷面沉降隨時間變化曲線

4　結(jié)語

液位差沉降儀在本工程中的成功應(yīng)用，不僅解決了水下無法使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測的難題，而且能夠?qū)φ麄€防波堤施工階段進(jìn)行動態(tài)觀測。液位差沉降儀對材料設(shè)備的選取以及儀器的組裝要求非常嚴(yán)格，既要能保證材料滿足防腐、耐壓的要求，同時組裝過程中各部件連接的密封性也是儀器組裝成功的重要保障。由于海上條件復(fù)雜多變，做好儀器的改善與創(chuàng)新，將會適用于更加復(fù)雜的工況條件。通過本工程積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，液位差沉降儀將會在半圓形防波堤以及類似工程中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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The application of liquid level difference settlement instrument in Tianjin port semi-circular breakwater

Huang Zuojun1Wu Gang2
（1.Tianjin Nangang Industrial Zone Port Limited Company，Tianjin 300280，China；
2.Tianjin Beiyang Water Transport and Water Conservancy Survey and Design Institute Limited Company，Tianjin 300000，China）

Abstract：According to the construction characteristics of Tianjin breakwater engineering，this paper made dynamic monitoring to engineering ground surface settlement selection of liquid level difference settlement，elaborated its working principle，and from the instrument assembly，debugging and embedding and other aspects，system introduced the application of level difference settlement in practical engineering，solved the monitoring problems of underwater surface subsidence.

Key words：liquid level difference settlement，surface settlement，instrument assembly，instrument embedding

中圖分類號：TV131.66

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0221-02

收稿日期：2015-12-14

作者簡介：黃作俊（1981-），男，工程師；吳剛（1985-），男，工程師