液位差沉降仪在天津港半圆形防波堤中的应用

黄作俊　吴　刚（.天津南港工业区港务有限公司，天津　30080；.天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津　300000）



液位差沉降仪在天津港半圆形防波堤中的应用

黄作俊1吴刚2
（1.天津南港工业区港务有限公司，天津300280；2.天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津300000）

摘要：根据天津防波堤工程的施工特点，选用液位差沉降仪对该工程的地基表层沉降进行了动态监控，阐述了其工作原理，并从仪器组装、调试及埋设等方面，对液位差沉降仪在实际工程中的应用进行了系统介绍，解决了水下地表沉降的监测问题。

关键词：液位差沉降仪，表层沉降，仪器组装，仪器埋设

半圆形防波堤是由半圆形拱圈和底板组成的预制钢筋混凝土构件，堤身放置在抛石基床上。由于其具有稳定性好、工程造价低、安装进度快等诸多优点，在天津港防波堤工程中大规模应用。

由于本工程是将半圆形防波堤应用在淤泥质地基上，施工过程中对地基表层沉降速率及沉降量的监控是整个工程质量和安全的重要保障。所以必须对本工程从基床抛石至半圆体安装完成进行全过程动态监控。鉴于半圆形防波堤地基在水下的特殊性，通过传统的水准仪进行地表沉降监测已经无法在本工程中使用。结合工程的实际施工特点，采用液位差沉降仪在水下对地基表层沉降进行全过程动态监控，从已完成的监测情况来看，本方案成功解决了水下地表沉降的监测问题。

1　工程概况

天津港大港港区东防波堤东段、北防波堤东段工程位于天津南港工业区最东端，两段防波堤平行对称设置，属于在原有防波堤基础上向东的延伸，使用期顶面标高+3.5 m（新港理论最低潮面基准），堤前泥面标高-5.0 m～- 5.5 m。其中与已建防波堤相邻段采用斜坡堤结构，长度52.4 m，其余段采用半圆体结构，长1 947.6 m，两段防波堤各长2 000 m，总长4 000 m。

2　仪器介绍

2.1仪器组成

液位差沉降仪是一种通过液面高差来推算测点沉降的精密仪器。其核心部件是2套投入式静压液位变送器和智能双通道数显仪。由于仪器安装是在海面以下进行，考虑到工作环境的恶劣多变，安放液位变送器的管道必须采用耐压防腐的高压管，安装液位变送器测头的罐体也必须进行严格的密封测试。

2.2工作原理

选取一个基准点作为不动点，沉降点作为动点，通过数显仪测出在同一液面高度下两个液位变送器的读数。由于不动点不会沉降，而动点会随着工况的变化沉降，通过液面高差就能推算出动点的沉降量。假设不动点的标高为0，不动点的初始读数为H1，动点的初始读数为h1，动点的标高为H1- h1；施工过程中不动点的读数为H2，动点的读数为h2，动点的标高为H2- h2，动点两次的沉降量为：H =（H1-h1）-（H2-h2）。原理示意图如图1所示。

2.3仪器组装

液位差沉降仪需要组装的部件有：高压管2根（40 m和13 m长各1根）、仪器罐2个、投入式静压液位变送器2套（55 m和15 m长各1套）。本仪器采用陆地上组装调试完成后再运至施工地点埋设。具体组装步骤有如下几步：1）由于高压管较长，先将钢丝穿入高压管，再将液位变送器通过钢丝引入高压管内，液位变送器与焊接在法兰盘上的钢筋绑在一起。钢筋的一端焊接在法兰盘上，另一端焊接一个比液位变送器直径稍大的钢环，将液位变送器穿入钢环，起固定作用。仪器组装见图2。2）55 m长的液位变送器安装在第一个动点仪器罐中，15 m长的液位变送器安装在第二个不动点仪器罐中，其中动点仪器罐的一端开孔，并用大小配套的螺丝旋紧，此孔的作用是用来排气。高压管的初始端对接一个安放测线的容器罐，用来安放密封好的测线头。3）当液位变送器固定好以后，封闭仪器罐，法兰盘对接固定时，提前放入胶垫，均匀涂抹密封胶（密封胶为抗腐蚀性）确保密封性。高压管与仪器罐连接采用对丝连接，对丝一端提前焊接在法兰盘上。完成组装的仪器罐见图3。

图1　液位差沉降仪工作原理示意图

图2　液位差沉降仪组装图

图3　完成组装的仪器罐

2.4仪器调试

1）排气。仪器安装完成以后将高压管尽量展开，从测线容器罐注水，动点容器罐一端的排水孔打开，并将动点容器罐提升40 cm左右的高度，以便在注水的过程中有利于高压管内气体的排出，在注水过程中，人为左右晃动高压管，尽量排出高压管内的空气。注水过程中，对仪器罐和高压管各个焊接的地方以及对丝连接的地方进行密封性检查，若发现有漏水的地方要及时补焊，或采取相应的措施进行密封。整个注水过程根据实际情况一般维持在30 min以上。2）液面调试。待仪器排气完成以后，用读数仪进行液面调试，首先单独测试2个液位变送器的液面高度，用水准仪进行高度校核，再分别提升或者降低2个仪器罐的高度，观测读数仪的读数变化是否与高度变化一致。如果液面调试没问题，对长短液位变送器测线进行防水接头密封，并对测线容器罐进行加盖密封，在容器罐密封之前，将容器罐内注满水，防止高压管在转运过程中水在高压管内的流动导致空气进入两个仪器罐。

2.5仪器埋设

第一步：现场调整液面的高度，通过水泵结合人工配合的方式将液面高度调至1.5 m以下，主要是为了接下来固定在钢管桩上保持液面的稳定性做好准备。第二步：不动点钢管桩的埋设，为了保证不动点的稳定性，准备2根6 m长的钢管，以及1根3 m的钢管，保证2根6 m的钢管全部打入泥面以下，3 m的钢管外露1.5 m～2 m，这样就泥面以下就有至少13 m的钢管桩，保证了不动点仪器罐的稳定性。第三步：通过RTK定位，首先安装动点仪器罐，再安装不动点仪器罐，安装两个仪器罐的过程中，使高压管的富余量尽量位于护肩石与钢管桩之间，给动点仪器罐的沉降预留出沉降量。不动点仪器罐在水下贴泥面靠钢管桩安装平放，并将高压管每隔0.5 m沿着泥面以上的钢管桩进行绑扎固定，保证液面的稳定。由于钢管桩露出泥面的高度仅为1.5 m～2 m，可以很大程度上减小水流冲击钢管桩时的摆动，保证了液面的稳定性，这也是第一步调整液面到1.5 m以下的原因。第四步：高压管固定，由于液位差沉降仪属于高精度仪器，不仅液面的高度变化会影响读数的变化，水平高压管的波动也会导致读数的变化，所以不动点和动点之间的高压管采用Φ8的钢筋加工成的“U”形卡扣插入泥面以下进行固定，卡扣沿高压管间距0.5 m进行固定，经过固定后的高压管可以避免受水流的影响而左右晃动。待仪器埋设完成以后再次对液面高度进行复核，确保液面的高度要低于外露钢管桩的高度，根据现场实际情况一般调至1.5 m以下为宜。至此整套仪器安装全部结束。

3　数据采集

为了准确掌握地基表层沉降规律，必须对防波堤施工从基床抛石开始至半圆体安装结束进行全过程监测。液位差沉降仪在基床抛石之前完成安装，并取得稳定初值。根据现场实际施工进度制定详细的监测频率，保证监测数据的连续性。并在抛石和半圆体安装的关键时间节点进行加密观测。根据现场观测数据绘制沉降随时间变化曲线图，通过多个断面的测量资料对地基的沉降量及沉降速率进行分析，对比设计给出的日均沉降速率，确保防波堤施工安全，以便更好的指导后续施工。针对本工程选取一组典型断面沉降曲线图进行分析（见图4）。通过液位差沉降仪在现场取得的观测数据能够计算出地基沉降量及沉降速率。由图4沉降曲线可以看出，防波堤施工过程中出现了两次沉降突变，根据现场的施工时间节点对比，两次沉降突变分别发生在基床抛石和半圆体开始安装的时间。基床抛石初始阶段地基沉降会有一个突然变大的过程，至抛石完成后地基沉降处于缓慢增加。半圆体安装的时候地基沉降也会有一个突然变大的过程，随着半圆体安装结束，地基沉降处于缓慢增加并逐渐趋于稳定。

图4　天津港大港港区北防波堤东段U1+600断面沉降随时间变化曲线

4　结语

液位差沉降仪在本工程中的成功应用，不仅解决了水下无法使用传统水准仪进行沉降观测的难题，而且能够对整个防波堤施工阶段进行动态观测。液位差沉降仪对材料设备的选取以及仪器的组装要求非常严格，既要能保证材料满足防腐、耐压的要求，同时组装过程中各部件连接的密封性也是仪器组装成功的重要保障。由于海上条件复杂多变，做好仪器的改善与创新，将会适用于更加复杂的工况条件。通过本工程积累的经验数据，液位差沉降仪将会在半圆形防波堤以及类似工程中得到更加广泛的应用。

参考文献：

［1］宫云增，阙卫明.天津港北大防波堤工程半圆体沉降观测和初步分析［J］.中国港湾建设，2003（12）：67.

［2］张羽成.投入式液位变送器在海上平台的设计与应用［J］.仪器仪表用户，2015（1）：77.

［3］谢世楞.半圆形防波堤的设计和研究进展［J］.中国工程科学，2000（11）：265.

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

中图分类号：TV131.66

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0221-02

收稿日期：2015-12-14

作者简介：黄作俊（1981-），男，工程师；吴刚（1985-），男，工程师