一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测装置及方法与流程

本发明涉及海洋吹填施工沉降监测领域，具体的说是涉及一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测装置及方法。

背景技术：

海洋吹填造陆是采用水力吹砂方法形成沉积土填筑施工，其吹填砂为含泥量较少的中粗砂，常通过抽沙船的压力泵将水下大量的中砂连水混合泵送至填筑区，待水排出后，中粗砂便成了填筑材料；一般说来，吹填排水后的沉积土具有较大的压缩系数，抗剪切强度较低，具有较强的流变性特点，因而待孔隙水压力逐渐消散，土体有效应力逐渐增大，体积固结缩减后，土体将产生较大的竖向变形，形成地基沉降。

因此，在海洋吹填造陆施工过程中，需要对填筑区沉降变形进行监测，以此监测数据来进行施工方案调整，但由于吹填施工填筑区泥沙承载力较差，人员进入现场非常困难，进而使得远程自动化监测方案具有非常大的优势及意义。

目前来说，传统的适用于海洋吹填造陆施工的沉降监测方式是采用磁环沉降计人工监测，如方法1，首先采用钻机在预定孔位上钻孔，其孔深由沉降管长度而定，孔径以能恰好放入磁环为佳；然后放入沉降管，沉降管连接时要用内接头或套接式螺纹，使外壳光滑，且不影响磁环的上、下移动；最后在沉降管和孔壁间用膨润土球充填并捣实，至底部第一个磁环的标高再用专用工具将磁环套在沉降管外送至填充的粘土面上，施加一定压力，使磁环上的三个铁爪插入土中，然后再用膨润土球充填并捣实至第二个磁环的标高，按上述方法安装第二个磁环，直至完成整个钻孔中的磁环埋设；或方法2，采用在沉降管下孔前将磁环按设计距离安装在沉降管上，磁环之间可利用沉降管外接头(或定位环)进行隔离，成孔后将带磁环的沉降管插入孔内；磁环在接头处遇阻后被迫随沉降管送至设计标高；然后将沉降管向上拔起1m，这样可使磁环上、下各1m左右范围内移动时不受阻，然后用细砂在沉降管和孔壁之间进行填充至管口标高。

但是需要说明是，上述采用磁环沉降计人工监测需要划沙船或其它重型机械才能保证人员进入填筑区，且耗费巨大，效率极低。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测装置，该监测装置为沉降数据自动化监测装置，其无需人工现场操作，有效提高了测量频率及测量精度，且实现了数据远程采集及网络实时查看。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测装置，该装置部分或者全部被设置于待测填筑土层中，其特征在于，包括：

埋设于待测填筑土层中且其下端深入稳固土层内的支撑结构，该支撑结构为高度可调的空心结构，且沿其高度方向上至少设置一个监测结构；

埋设于待测填筑土层中且能够随着待测填筑土层的沉降而同步沉降的监测结构，该监测结构包括套设于所述支撑结构外壁上且内部预装有液体溶液的储液罐、若干设置于所述储液罐外壁上并嵌插于待测填筑土层中使得储液罐能够随着待测填筑土层的沉降而同步沉降的沉降插片以及被设置于所述支撑结构内部的压力检测元件，该压力检测元件通过可自由活动的连通件与所述储液罐底部连通，以实时检测储液罐内的液体溶液的压力数据；

与所述压力检测元件相连接的数据采集模块，其用以实时采集所述压力数据；

与所述数据采集模块相连接的数据通信模块，其通过与上位机进行数据通信，将所采集到的压力数据发送至上位机，以完成对待测填筑土层沉降数据的监测。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述支撑结构包括至少一个被埋设于待测填筑土层中且其下端深入稳固土层内的支撑钢管，且各所述支撑钢管通过连接套管连接为一体，进而实现按照监测需要调节所述支撑结构的整体高度。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述支撑钢管上端套设有便于储液罐定位固定的定位环。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述储液罐为套设于所述支撑结构外壁上的环形储液罐，其上部通过通气结构连通外界大气；其底部通过可自由活动的连通件与所述压力检测元件连通。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述装置还包括为装置提供电源的供电模块。

基于上述装置，本发明的另一目的是要提供一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测方法，以实现待测填筑土层沉降数据的自动化监测，进而有效提高测量频率及测量精度，其具体步骤包括：

步骤1、依据监测需要选取监测点即自动化沉降监测装置的布设位置；

步骤2、在待测填筑土层中预埋入所述自动化沉降监测装置，且保证其支撑结构的下端深入稳固土层内，同时依据待测填筑土层的厚度，调节自动化沉降监测装置的支撑结构的高度数据并沿所述支撑结构高度方向依次设置若干所述监测结构；

步骤3、通过所述自动化沉降监测装置的数据采集模块实时采集各压力检测元件所检测到的压力数据并通过与上位机进行数据通信的数据通信模块将所采集到的压力数据发送至上位机，随后由上位机完成对待测填筑土层沉降数据的自动监测。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明区别于现有的沉降监测设备-静力水准仪，其是根据液位变化引起液压变化的原理而设计的，进而避免了静力水准仪的固有的安装条件限制；

2.本发明有效解决了已有的吹填施工土体监测装置-位磁环式设备在进行监测时每次测量均需要人工操作的弊端，实现了沉降数据的自动化监测，且大大提高了监测效率；

3.本发明其将部分检测元件安装在支撑结构内部，能够防止周边泥沙海水侵蚀，耐用性得到保证，具有设计结构紧凑合理，适用性更广的优点。

附图说明

图1为本发明所述自动化沉降监测装置的结构示意图；

图2为本发明所述支撑钢管与储液罐位置布设关系俯视图；

图3为本发明所述支撑钢管与储液罐位置布设关系剖视图；

图4为本发明所述支撑钢管与连接管套之间的结构示意图；

图5为本发明所述自动化沉降监测装置的监测原理示意图；

图中：1、支撑钢管，2、通气管，3、环形储液罐，31、通气孔，32、出水口，4、沉降插片，5、连通件，6、压力变送器，7、通信线缆，8、定位环，9、数据采集模块，10、数据通信模块，12、连接管套，13、螺栓。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了有效解决海洋吹填造陆施工中的吹填土体不能实现自动化沉降监测的缺陷，本发明设计了一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测装置，以达到在提高测量频率及测量精度的同时，实现无需人工现场操作，且可以通过数据远程采集及网络实时查看的效果；具体的，该装置部分或者全部被设置于待测填筑土层中，如图1-图4，其特征在于，该装置包括：

(1)埋设于待测填筑土层中且其下端深入稳固土层内、作为支撑桩的支撑结构，该支撑结构为高度可调的空心结构，且沿其高度方向上至少设置一个监测结构，所述稳固土层是指不需监测的不会发生沉降的土层结构；进一步的，作为本发明的优选实例，所述支撑结构包括至少一个被埋设于待测填筑土层中且其下端深入稳固土层内的支撑钢管1，且各所述支撑钢管1通过连接套管11连接为一体，进而实现按照监测需要调节所述支撑结构的整体高度。如，若待测填筑土层厚度为10m，而每一支撑钢管长2m，安装时可利用连接套管将5个支撑钢管依次连接为10m长的支撑结构，且连接套管与每节支撑钢管之间靠螺栓11固定连接，如图4，这样可不限长度的延长支撑结构高度或称为长度，以提高其实用性以及便利性；更进一步的，作为本发明的优选实例，所述支撑钢管1连接时设置密封结构，以防止周围泥沙进入，阻隔海水侵蚀，进而有效保护设置于其内部的传感器-压力变送器6、通讯线缆7、通气管2及管接头等元件；更进一步的，作为本发明的优选实例，所述支撑钢管1上端套设有便于储液罐定位固定的定位环8。

(2)埋设于待测填筑土层中且能够随着待测填筑土层的沉降而同步沉降的监测结构，该监测结构包括套设于所述支撑结构外壁上且内部预装有液体溶液的储液罐、若干设置于所述储液罐外壁上并嵌插于待测填筑土层中使得储液罐能够随着待测填筑土层的沉降而同步沉降的沉降插片4以及被设置于所述支撑结构内部的压力检测元件，该压力检测元件通过可自由活动的连通件5与所述储液罐底部连通，以实时检测储液罐内的液体溶液的压力数据，如图1；进一步的，作为本发明的优选实例，所述储液罐为套设于所述支撑钢管1外壁上的环形储液罐3且环形储液罐3与支撑钢管1的外壁之间最好间隔一定距离，如图2-3，使得环形储液罐3能够自由随着测填筑土层的沉降而同步沉降，其上部设置通气孔31并通过通气结构-通气管2连通外界大气；其底部设置有出水口32，通过可自由活动的连通件5与所述压力检测元件连通，所述可自由活动是指连通件长度应大于支撑结构长度，以使其能够沿着所述支撑钢管的高度方向进行小范围移动，这样的设计使得所述环形储液罐在周围土体发生沉降时，会一同沉降，当所述环形储液罐与压力检测元件之间的高度变小，压力检测元件测得的液体压力相应变小，并由数据采集模块采集9所测到的高差变化数据，优选的其充满储液罐的容积的3/4，进一步的，作为本发明的优选实例，所述沉降插片4为薄片结构，其嵌插于待测填筑土层并与周围的待测填筑土层紧密结合，从而当外界土体发生沉降时，带动环形储液罐同步沉降。进一步的，作为本发明的优选实例，所述压力检测元件采用压力变送器6，其被固定于支撑钢管1内部，最好位置稳固土层上，以保证其不随周围土体产生沉降，其通过可自由活动的连通件5如水管连接到固定于支撑结构上部的环形储液罐3，以检测储液罐中的液体压力，并将压力值转换为数字信号后传送至数据采集模块9。

(3)与所述压力检测元件相连接的数据采集模块9，其用以实时采集所述压力数据；进一步的，作为本发明的优选实例，所述数据采集模块通过设置于所述支撑钢管内部的通讯线缆7与固定于所述压力检测元件连接，并通过数据通信模块10将所采集到的数据送回上位机或者服务器。

(4)与所述数据采集模块相连接的数据通信模块7，其通过与上位机进行数据通信，将所采集到的压力数据发送至上位机，以完成对待测填筑土层沉降数据的监测。进一步的，作为本发明的优选实例，所述数据通信模块采用GPRS通讯模块，进一步的，作为本发明的优选实例，所述装置还包括为装置提供电源的供电模块。更进一步的，作为本发明的优选实例，所述供电模块采用太阳能供电方式为装置提供电源，其包括供电电池、太阳能电池板及电源控制器等。

基于上述装置，本发明还设计了一种适用于海洋吹填造陆施工使用的自动化沉降监测方法，以实现待测填筑土层沉降数据的自动化监测，进而有效提高测量频率及测量精度，其具体步骤包括：

步骤1、依据监测需要，预先选取若干监测点即确定自动化沉降监测装置的布设位置；

步骤2、在各监测点所对应的待测填筑土层中预埋入所述自动化沉降监测装置，且保证其支撑结构的下端深入稳固土层内，同时依据待测填筑土层的厚度，调节自动化沉降监测装置的支撑结构的高度数据并沿所述支撑结构高度方向依次设置若干所述监测结构；进一步的，作为本发明的优选实例，使用钻机进行钻孔，其孔深需要满足钢管桩插入深度达到稳固土层，即支撑钢管1的下端插入后，不会发生沉降；进一步的，作为本发明的优选实例，由于所述支撑钢管1下端直接深入稳固土层内并不需要进行数据监测，因此可使用与支撑钢管同尺寸的钢管插入稳固土层内，同时依据待测填筑土层的厚度以及每一支撑钢管具体长度设定支撑钢管具体节数，例如待测填筑土层的厚度为10m，每一支撑钢管长度为2m，则可将5节支撑钢管通过4个连接套管将5个支撑钢管依次连接为10m长的支撑结构，同时若需对待测填筑土层进行分层监测，如每2m深需设置一个监测点，则可沿高度方向依次设置5个监测结构。进一步的，作为本发明的优选实例，在将每节支撑钢管依次连接好之后，在环形储液罐中灌入适量液体并将储液罐的位置调整至定位环处，并将整个装置逐渐放入钻好的孔中；优选的，所述液体采用防冻液并添加少量油的混合液，以使其在液体表面能够形成油膜防止蒸发，防止由于温度引起的体积变化所造成的检测误差。进一步的，作为本发明的优选实例，在连接支撑钢管前，预先将置于其内的压力变送器、通讯线缆、通气管安装好并注意密封防止泥沙进入；压力变送器安装到位后，其通过通讯线缆接入数据采集模块，并将数据采集模块、数据通信模块等固定安装于支撑钢管顶部。

步骤3、通过所述自动化沉降监测装置的数据采集模块实时采集各压力检测元件所检测到的压力数据并通过与上位机进行数据通信的数据通信模块将所采集到的压力数据发送至上位机，随后由上位机完成对待测填筑土层沉降数据的自动监测。

同时本发明的设计原理为：如图5所示，其中，a1表示未发生沉降时环形储液罐的位置，a2表示发生沉降时环形储液罐的位置，两者间的位置高差为Δh，Δh也称为土体沉降量，b表示支撑钢管，c表示压力变送器，d表示稳固土层，具体的，由于环形储液罐周围的土体沉降会引起环形储液罐随之产生沉降，其内部液面也随之降低，从而使得压力变送器与环形储液罐液面的液位高差减小；液位高差减小则压力变送器测到的液体压力减小这个减小的量即为液面(储液罐)下降的高度引起的，因此测得的压力减小的量对应的高差即为周围土体的沉降量，具体的，液位压力变化转为对应下降的高差时：假设使用的液体的密度为ρ，h为液位高度，则液体产生的压力为p＝ρgh，当土体沉降量为Δh，则压力变送器测得的压力减少值为Δp＝ρgΔh，故而当测出压力变化时，即可知周围土体的具体沉降量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。