许浩;侯磊;解林博
【摘 要】目前海上水工建筑物向深水延伸的情况越来越多，深水环境下的地基监测就成为亟待解决的技术问题。重点介绍通过具有水下无线传输功能的自动监测系统对深水地基土体进行实时监测的新技术，该技术能在台风等恶劣天气条件下实现对深水地基的连续监测。工程实践证明其稳定性高、数据误码率低，能够有效降低施工对监测数据的干扰，可实现信息化监测。%By now, more and more marine structures are extending into deep water. How to monitor deepwater foundation effectively becomes an urgent difficulty. A kind of new technique is introduced in real-time monitoring of deepwater foundation soil can be done by an automatic monitoring system with underwater wireless transmission function. The above technique may support the continuous real-time monitoring of deepwater foundation soil under typhoon and other inclement weather. The engineering practice proves that the technique is of high stability and low data error rate,decreases the interference on data monitoring by construction effectively,and guarantees the success of information monitoring. 【期刊名称】《港工技术》
开钻【年(卷),期】2013(000)003
【总页数】3页(P69-71)
【关键词】深水地基;自动监测;水下无线传输;信息化
www.wuu.in【作 者】许浩;侯磊;解林博
【作者单位】中交天津港湾工程研究院有限公司,天津,300222;中国人民解放军92304部队;中交天津港湾工程研究院有限公司,天津,300222
【正文语种】中 文
【中图分类】U655.531
随着我国经济高速发展和船舶大型化，港口工程海上建筑物向深水发展的趋势越发明显，深水区域风大、浪高、流急，气象水文条件和施工环境恶劣，地基基础的稳定性差，对港
口工程的设计、施工和监测等都提出了更高要求。在深水恶劣工况条件下开展地基监测的难度非常大，尤其当遭遇台风时人员和船机设备必须撤离施工区域，常规监测方法无法实时采集这期间的监测数据，也无法掌握地基土体的实际情况。因此，研发深水地基原位自动监测技术是深水工程的迫切需要。2007年中交天津港湾工程研究院开发的“水下地基原位自动成套监测技术”虽可做到实时监测，但只能延后得到监测数据[1-2]。我们以该专利技术为基础，结合工程实际需要开发出 “具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法”，成功应用于某深水防波堤工程的监测中，并于2011-07获得国家专利[3]。
1 工程概况微绿球藻
某人工块体护面抛石斜坡堤全长约2.1 km，天然水深18.0～26.0 m，原泥面以下淤泥和淤泥质粘土层的平均厚度26.0 m，最大厚度32.0 m。软基处理时通过开挖置换基本清除了上层20.0 m左右的淤泥，仍保留淤泥质粘土，底部高程-43.0～-38.0 m，挖泥底宽100～160 m。本工程开挖后的最大水深可达45.0 m，防波堤上部抛石与“扭王字块”厚达50.0 m，附加应力超过600 kPa。工程所在地平均每年有4次台风过程，施工现场均处在无掩护的外海，受季风影响较大，有效作业天数少，众多不利因素给施工和监测带来巨大挑战。为实
时掌握施工期间和竣工后防波堤地基土体的状况，特别是在台风期间及时获取地基土体参数指标的变化情况，本工程决定采用“具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术”对防波堤地基土体实施监测，全堤共设3个监测断面，均为港内侧半断面监测，监测内容为地表沉降、深层土体水平位移和孔隙水压力。
2 深水防波堤地基基础的实时监测
2.1 系统工作原理
1）水下自动监控系统：水下自动测控系统属于分布式网络测控系统，由安装测控系统软件的计算机、内置自动测量模块的分布式网络测控单元和智能式监测传感器组成。计算机通过相应的配套软件对测控单元实现通讯和监控，测量单元设有RS-232和RS-485A等2种通讯方式，可实现计算机与测量模块的通讯连接。进入操控界面后可实现配置与查询测量模块的各种参数、读取测量模块自存储的监测数据和测试系统性能等监控功能。自动测控单元的测量端子与智能式监测传感器相连，可按照设置的测量周期自动向传感器发射激励信号，采集并自动存储传感器的数据。水下自动监测系统的工作原理，见图1。树脂吸附
图1 水下自动监测系统的工作原理
干涉光刻
2）水下无线传输系统：密封式水下自动测控系统安装在海底，只能进行数据自动测量和存储，只有利用水下无线传输技术才能实现数据远程传输和实时监测。我公司和哈尔滨工程大学联合研发水下的无线传输系统是根据水声传播原理通过半双工通信的水下数据转发系统，可利用扩频通信算法将接收的海洋环境监测数据调制为扩频信号，并发送到水声信道中，再由上位机接收信号并解调数据[4-5]。水下部分为监测数据存储与转发系统，由水下发射机、收发合置换能器和48.0 V蓄电池组成，通过铠装电缆与测控系统连接[6]。水上部分由水上接收机、收发合置换能器、包含相应通信算法应用软件的PC和48.0 V蓄电池组成，水上机与水下机采用相同的收发合置换能器，主要负责声信号与电信号的转换，并能发射和接收模拟信号，接收数据时将换能器放入海水5.0～7.0 m处即可。水下无线传输系统的主要设备，见图2。
图2 水下无线传输系统的主要设备
本系统在不收发数据时保持休眠状态以降低功耗，通过RS-232串口与测控系统的自动测量模块连接，自动测量模块将监测数据由串口自动上传至水下机中存储。系统的信号发送与接收端子分别与计算机的录音与放音接口相连，点击上位机应用软件中的唤醒按钮，水上
系统的换能器在水中发射唤醒声波，水下系统的换能器向上位机发送包含响应信息的扩频声波信号，告知上位机水下系统已被唤醒并准备发送监测数据。上位机通过显控软件对水下传来的声波信号进行处理，经过PC声卡采集后利用相应的算法计算解调出声波中的数据和信息，并发送命令声波使水下系统向上位机发送监测数据。水下系统响应后将已经调制为模拟信号的数据信息以扩频信号的方式发送到上位机，上位机进行解调并还原水下数据。当数据发送完毕并经校验无误后，水上机向系统发送命令清除数据，并命令水下系统进入休眠状态。系统将进入休眠状态，接收环境监测数据，等待再次被唤醒。水上机与水下机之间均利用模拟信号进行数据收发和命令交互，传输稳定性较高、数据误码率较低。通过水下无线传输系统和自动测控系统可实现数据的自动监测化和实时无线传输，形成完整的自动监测系统。
2.2 实施自动监测与传输
电磁屏蔽导电胶由于本工程水深较大，自动测控系统和水下无线传输系统又均在海水中工作，水密至关重要也最有难度。在每个监测断面的所有传感器埋设完毕后，将传感器导线通过密封罐法兰盘顶部的预留出线孔引入罐体，并与自动测量单元的测量端子对接，然后在出线孔的内、
外侧用特制电缆锁线头将电缆锁紧，在出线孔内侧灌注环氧树脂，将自动测量单元密封在双层密封罐中达到密封止水的效果，外层大密封罐的承压能力为1.0 MPa，大密封罐体外层缠绕粘弹体密封防腐材料，防止海水腐蚀渗透[7]。自动测控系统和水下接收机的电源分别为12.0 V和48.0 V蓄电池，将其放入电池密封罐中，采用上述密封方式对连接电池罐与大密封罐的铠装电缆进行密封，再进行系统供电测试，更换电池时只需打捞电池罐。若无线传输系统遇到故障或信号干扰，也可直接将小密封罐捞出，通过自动测控系统预留的配置线读取数据。自动传输系统的水下机与自动测量单元之间连接着传输数据的铠装电缆，并以密封胶将电缆密封。全部密封工作完成后，将大密封罐和水下机安装在混凝土底座上，用起重船吊放于预定位置，电池罐安放在混凝土底座附近。最后用警示浮标设置50.0 m×50.0 m的标识区域，将混凝土底座放置在标识区的中央，禁止任何船只通过或在标识区下锚，防止将海底测量系统破坏。
2.3 接收测量数据
自动测控系统正常工作时，自动测量模块会通过测量端子按预设的周期向传感器发射激励信号，采集数据后将其存储于自身内存中，同时向水下无线传输系统的发射机上传数据，
发射机会自动存储数据。测量人员在码头上接收数据时，只需将换能器放入水中5.0～7.0 m，连好水上机和计算机终端，使用软件操控水上机发射信号将系统唤醒，便可接收传感器的原始数据。测量中如果发现水上机与水下机之间没有障碍物便可进行数据传输，且水下机对船舶噪音等的抗干扰能力强，将水上机接收数据与自动测控系统测得的数据进行多次对比后发现数据误码率非常低，说明该技术的稳定性较高。系统数据采集过程，见图3。
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