CN107270863A - 一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统及预警方法 - Google Patents

一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统及预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，至少包括静力水准监测装置、测斜装置；用于实时采集大堤附近水域水位的水位计；还包括用于将采集的位移变形数据和水位数据进行分析处理的后台服务器和用于显示判断结果并进行报警的移动终端，其中，静力水准监测装置、测斜装置和水位计分别通过数据传输设备与后台服务器相连，后台服务器还与移动终端通信连接。本发明通过测定现场实时的水位选择合适的变形参数阈值，再与实际变形数据进行比对，比对的结果更为准确，且对于现场施工具有更为实际的指导意义，避免了因传统阈值过高造成的不必要的浪费，更避免了因传统阈值过低预警不及时而造成的危害。通过本预警方法可以提前预测大堤和基坑变形的趋势，提前进行防范。

Description

一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统及预警方法
技术领域
本发明涉及安全性监测技术领域，具体的说是一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统及预警方法。
背景技术
随着国家城市化战略的推进，需要进一步开拓城市的地下空间，这就对城市的深基坑工程提出了更高的要求。而考虑到开发的需求，尤其是毗邻水域的开发过程中，基坑的开挖势必引起基坑周边区域产生一定程度的位移和沉降，如果对这些变形不加以控制，极容易引起毗邻水域堤坝的失稳，这就对大堤的安全性提出了很大的挑战。另一方面，在汛期，湖、河或江的水位会大大超过平均水位，而基坑开挖过程中，为施工的便捷，需要降低基坑内侧的水位。如此大堤内外两侧将会产生很大的孔隙压力梯度，，极易引起管涌流砂等灾害，这将对大堤的安全产生极大的威胁。因而监测基坑开挖过程对大堤变形的影响，对于保障人民安全和财产有着巨大的实际意义。
现有的也有关于这方面的研究，例如中国专利CN102877471B中的《一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法》，但是该方法并涉及到对大堤进行监控，仅仅是对深基坑进行三维变形的监控；该专利中并未在现场管理人员和远程计算机之间建立实时联系，使得现场相关人员无法根据实时监测数据信息及时采取预防措施；同时该专利并没有考虑到拟建场地内，含水层内外孔隙压力梯度所产生的影响。并且现有技术所设置的变形阈值都仅仅只有一种，即仅通过警戒水位或者洪峰水位得到的固定阈值，而深基坑周围的水位会有一定的波动，如果仅与固定阈值进行对比，一方面在一定程度的现场施工资源浪费，另一方面，数据的比对会存在不准确性。
发明内容
根据上述不足之处，本发明的目的在于：提供一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统及预警方法，通过此预警系统，可以根据水域不同水位条件给出最合适的阈值，并可以根据变形趋势提前预警，防止风险的发生。
为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，至少包括用于实时采集大堤和基坑的垂向位移变形的静力水准监测装置；用于实时采集大堤和基坑的横向位移变形的测斜装置；用于实时采集大堤附近水域水位的水位计；还包括用于将采集的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据进行分析处理的后台服务器和用于显示判断结果并进行报警的移动终端，静力水准监测装置、测斜装置和水位计分别通过数据传输设备与后台服务器相连，后台服务器还与移动终端通信连接。
优选的是：后台服务器包括用于存储监测区域的空间数据的第一存储模块；用于存储采集得到的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据的第二存储模块；用于将采集的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据进行分析处理的数据处理模块；用于将结果进行存储的第三存储模块。
优选的是：空间数据包括基础地理信息和场地地质条件。
优选的是：垂向位移变形数据包括垂向瞬时变形量、垂向累计变形量、垂向变形速率和垂向变形加速度；横向位移变形数据包括横向瞬时变形量、横向累计变形量、横向变形速率和横向变形加速度。
本发明还提供一种利用本预警系统进行预警的方法，包括如下步骤：
(1)采集大堤附近水域的水位数据；采集大堤和基坑的垂向位移变形数据；采集大堤和基坑的横向位移变形数据；
(2)将采集得到的大堤和基坑的垂向位移变形数据和横向位移变形数据结合各个监测点的地理位置信息，通过后台服务器绘制形成不同时刻的监测区域的变形图；
(3)根据不同时刻的监测区域的变形图，判断变形值大的点所在的位置；
(4)确定变形值大的点所在的位置，提取位置各个时刻的变形数据，并绘制出所述位置的变形值随时间变化的变形图；
(5)根据测得的实时水位，计算得到实时的变形阈值，将实时的变形阈值与实际测得的变形数据进行对比，判断大堤所处的状态是否安全；当判断结果为不安全时，通过移动终端进行报警。
优选的是：根据步骤(4)得到的变形值随时间变化的变形图，判断得出大堤和基坑变形的趋势，进一步指导现场操作人员进行提前防范。
优选的是：将采集得到的数据以及经分析处理后的数据转化成图像数字信号，并传输至移动终端以全面呈现监测区域变形的状态及变形随时间的变化趋势。
本发明的有益效果在于：本发明通过测定现场实时的水位进行模拟计算得到合适的变形参数阈值，再与实际变形数据进行比对，比对的结果更为准确，且对于现场的指导意义更为实际，避免了因传统阈值过高造成的不必要的管理资源的浪费，更避免了因预警不及时而造成的危害。通过本预警方法可以提前预测大堤和基坑变形的趋势，提前进行防范，在防止灾害的发生方面具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为监测点平面布置图；
图3为计算模型有限元网格图；
图4为无线预警系统的原理图；
图5是大堤与基坑的示意图。
图中，1-静力水准监测装置；2-测斜装置；3-水位计；4-后台服务器；5-移动终端；A-江心洲；B-长江大堤；C-长江；D-基坑；E-定水头压力边界面；F-不排水边界面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明涉及一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，至少包括用于实时采集大堤和基坑的垂向位移变形的静力水准监测装置1；用于实时采集大堤和基坑的横向位移变形的测斜装置2；用于实时采集大堤附近水域水位的水位计3；还包括用于将采集的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据进行分析处理的后台服务器4和用于显示判断结果并进行报警的移动终端5。其中，静力水准监测装置1、测斜装置2和水位计3分别通过数据传输设备与后台服务器4相连，后台服务器4还与移动终端5通信连接。移动终端可以是多个。
其中，静力水准监测装置1包括数据采集系统、基准水箱和若干相互依次连接的静力水准仪，其中，至少一个静力水准仪通过连通管与基准水箱相连，每个静力水准仪的信号端分别与数据采集系统相连。
测斜装置2包括测量桩和桩体测斜仪，桩体测斜仪水平固定在测量桩的上端，每个测斜装置2通过多通道数据传输设备传输到后台服务器4。桩体测斜仪有一个敏感方向与其所在基坑墙顶的墙壁垂直，以提高检测的灵敏度和准确性。测量桩为钢筋混凝土灌注桩或圆截面的混凝土桩，先在预设的位置钻深度与基坑深度相等的属相植柱孔，然后再将植柱孔内建混凝土灌注桩，或者在竖向植柱孔内埋入对应的钢管或者硬质塑料管。
多通道数据传输设备通过建立Ad hoc网络实现传输，由每个设有支持 ZigBee的无线通信模块的节点形成有组织、有结构、自形成、自恢复的多跳无线网络。
无线通信模块具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，由网络中的节点本身与本节点周围的节点进行通信，即实现无线通信模块之间以及与管理监控中心之间的通信，其可以独立工作，也可以与IP或GSM/CDMA 无线异构网络连接。
支持ZigBee是支持ZigBee联盟所主导的无线传感器网络标准，采用IEEE802.15.4作为其物理层标准，在其之上开发网络层和应用接口协议，并提供产品测试和认证。
支持ZigBee的无限通信模块至少具有如下功能的无线通信模块：1)有 2.4GHz直接序列扩频通信方式；2)低功耗；3)有SPI接口；4)有接收信号强度指示与链路质量指示支持。
水位计3适用于长期测量水库、河流、湖泊、坝体测压管等的水位，是监测水位变化的有效监测设备。水位计采用磁光编码原理进行测量，其测量精度高、稳定性好、没有温漂和时漂的影响，信号可接入MCU-32型分布式模块化自动测量单元或直接接入计算机，实现水位变化的自动监测。
进一步的，后台服务器4包括用于存储监测区域的空间数据的第一存储模块；用于存储采集得到的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据的第二存储模块；用于将采集的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据进行分析处理的数据处理模块；用于将结果进行存储的第三存储模块。
进一步的，空间数据包括基础地理信息和场地地质条件。静力水准监测装置和测斜装置一一配对，分布在各监测点；水位计按照常规设置即可。所监测到的数据通过数据传输设备与后台服务器中，后台服务器同事收集监测位置的空间数据包括基础地理信息和场地地质条件，并将这些空间数据经过分层后存储在基于SQLServer的Geodatabase数据库中。
进一步的，垂向位移变形数据包括垂向瞬时变形量、垂向累计变形量、垂向变形速率和垂向变形加速度；所述的横向位移变形数据包括横向瞬时变形量、横向累计变形量、横向变形速率和横向变形加速度。通过测定变形的多组数据，为后期真正预测起到关键性的作用。
本发明还提供一种利用本预警系统进行预警的方法，包括如下步骤：
(1)采集大堤附近水域的水位数据；采集大堤和基坑的垂向位移变形数据；采集大堤和基坑的横向位移变形数据；
(2)将采集得到的大堤和基坑的垂向位移变形数据和横向位移变形数据结合各个监测点的地理位置信息，通过后台服务器绘制形成不同时刻的监测区域的变形图；
(3)根据不同时刻的监测区域的变形图，判断变形值大的点所在的位置。
这里提到的变形值大的点是指变形的相对差异不到10％，将这个点的变形值决定为变形值较大的点。例如，当得到的变形阈值为1米，当测得实际变形值为0.91米，那么两者的变形相对差异为(1-0.91)/1＝9％，小于10％，此点即为变形值大的点。当实际变形值为0.81米，那么两者的变形相对差异为(1-0.81) /1＝19％，大于10％，此点的变形值小，即不为变形值大的点。当然，根据不同的基坑和大堤的情况，可以将此“10％”的变形差异标准进行调整。
(4)确定变形值大的点所在的位置，提取所述位置各个时刻的变形数据，并绘制出所述位置的变形值随时间变化的变形图；
(5)根据测得的实时水位，计算得到实时的变形阈值，将实时的变形阈值与实际测得的变形数据进行对比，判断大堤所处的状态是否安全；当判断结果为不安全时，通过移动终端进行报警。
本申请的创新之处在于，关于变形阈值，本申请不以固定值来判断，而是根据水位获得对应的阈值。高水位对应的并不一定就是高阈值，低水位也不意味着低阈值，所谓阈值的高低，仅仅是因为水位的不同得到的阈值大小不同而已。
进一步的，根据所述步骤(4)得到的位置随时间变化的变形图，判断得出大堤和基坑变形的趋势，进一步指导现场操作人员进行提前防范。
进一步的，将采集得到的数据以及经分析处理后的数据转化成图像数字信号，并传输至移动终端以全面呈现监测区域变形的总体状态及变形随时间的变化趋势。
实际使用时，以长江某江心洲附近开挖的基坑为例进行详细说明。
在先中国专利CN102877471B，其公开的内容中主要考虑了岩土体本身应力场的变化，并没有考虑到汛期洪水水位的上升，此时大堤外侧压力水头将会有所提升，同时为了方便基坑的施工，需要对基坑所在区域进行降水措施，这会导致基坑和大堤毗邻区域的地下水位下降，这样大堤内外两侧将会产生很高的孔隙水压力梯度.此时即需要考虑渗流场与应力场耦合效应，而这种耦合效应很容易打破土颗粒自身的受力平衡，并最终造成堤基管涌的发生，甚至导致溃坝的惨剧。
本申请将土体视之为多孔介质，考虑大堤内部固液双相耦合的作用。此时，孔隙内部流体流动符合Darcy定律，并且满足Biot方程。为了模拟渗流场与应力场相互作用的耦合效应，这里采用了如下的方程：
σij＝Cijklεkl-αBδijp (3)
这里设定，沿着大堤方向为x轴，垂直于大堤方向为y轴，垂直于水位方向为z轴，这里假设沿着大堤方向的位移为零。因而这里仅仅考虑z方向和y方向. 这两个方向的位移(m)分别对应是uz、uy，变形速率为Vz、Vy(m/s)。对应的各自应变如下所示：
同时变形速率(m/s)分别是
同时变形加速度(m.s-2)分别是
其中表示了流体的密度(kg/m3)，表示了含水岩土体的平均密度 (kg/m3)，H表示压力水头(m)，K表示水力传导率(m/s)，εvol表示固体骨架的体积应变，αB表示Biot-Willis系数，t表示时间(s)，σ表示应力张量，为梯度算子，g表示重力加速度(m/s2)，C表示弹性参数矩阵，ε表示应变，p表示孔隙压力(Pa)，δ表示Kronecker符号，Sα表示含水层所对应的骨架弹性释水率(1/m)，其中Cijkl下标i、j、k、l＝1、2、3，因而Cijkl可以根据11→1，22→2， 33→3，23、32→4，13、31→5，12、21→6的记法表示成6×6的矩阵。
模拟主要采用的是大型有限元商业软件Comsol Multiphysics有限元软件，而模拟所用渗流边界和初始条件则主要包括如下三种：模型两侧及底部为不排水边界(即假定边界处的流速为零)；模型中大堤的外侧为河床，承受汛期长江水压力水头，因而可以设定孔隙水压力作为边界；基坑的开挖面则为定流量边界 (流量大小根据基坑内以及基坑周边的降压井来估计)。
根据数值模拟的结果，分别采用各个监测点的瞬时变形量，累计变形量、变形速率及变形加速度四组参数来描述变形的大小和快慢。同时根据数值模拟的结果，针对四种不同的洪水水位，给出不同参数所对应的阈值。在此基础之上，根据Geodatabase数据库中的大堤变形数据，并与阈值进行对比，从而判别基坑和大堤所处的状态。
根据图2所示的监测点位置，圆形带叉的点代表沉降监测点，大堤布置点可以根据实际情况进行调整，在监测点铺设相应的测斜仪和静力水准仪。测斜仪采用了北京七维航测科技股份有限公司生产的SDI-ZTT-008型桩体测斜仪，可显著提高系统的可靠性。静力水准仪则是采用XTX-04振弦式传感器测量单元或其它振弦式自动化测量模块获取监测数据，数据采集所用的电缆采用普通的信号电缆，数据采集系统通过电缆和静力水准仪的信号端相连，基准水箱采用可储存液体的不锈钢容器，连通管采用尼龙连通管，或者也可以采用其它材料的连通管。
根据图3所示的计算模型有限元网格图，模型两侧及底部为不排水边界(即假定边界处的流速为零)；模型中大堤的外侧为河床，承受汛期长江水压力水头，因而可以设定孔隙水压力作为边界；基坑内侧开挖面可以视之为不透水边界。
监测数据传输过程：根据图4所示，在通电之后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，将各监测点对应的测斜仪和静力水准仪测量所得到的数据通过 ZigBee自组织网络传输到ZigBee网络协调器，网络协调器采用内置有无线射频电路的芯片CC2430及其外围电路组成，其将收集到的数据送到远程计算机处理。同时由于ZigBee无线技术具有多点接入功能以及自组网功能，抗干扰能力强，可靠性高，拓扑性好，一旦个别节点停止工作的情况下，整个网络还能够保持正常运转。
这里的支持ZigBee的无线通信模块包括了Freescale公司出品的型号为MC13192/1的双向2.4GHz射频数据调制解调器，该调制解调器采用了IEEE 802.15.4标准设计，采用ZigBee技术，具有优化的数字核心，有助于降低处理功率，缩短执行周期，使用电池即可完成供电。
移动终端的涉及可以采用Appmaker(App制作软件)，制作出基于苹果的IOS 平台与谷歌的Android平台，同时面向手机、平板的App软件，以适应不同的用户需求。在操作过程中，通过身份验证之后，用户可通过手机端App访问后台服务器，分别经过①面模式：结合各个监测点的空间数据(各点的点位坐标) 和属性参数(变形监测数据)，绘制不同时刻场地的变形图；②定位处理：根据场地变形示意图，判断出单个或者多个变形值比较大的点所在的位置；③点模式：在确定变形值较大的点之后，提取各个测试时刻，这些监测点的变形数据，并且绘制出这些点随时间变化的变形示意图；④阈值选择：在点模式的基础上，根据不同时刻长江水位所对应的变形参数阈值，能够更加精确地判断出大堤所处的状态。
现有技术的阈值往往是固定的数值，然而面对汛期长江水位的动态变化，需要针对不同的水位设置不同的阈值，以更好利用现场施工资源。
本发明所有的预警信息可以通过移动终端App实时呈现于相关人员的手机中。App相较于短信通知，可以实时查看各点在不同时间段内的位移记录，方便大堤管理施工人员判断隐患可能发生的区域，并留出充裕的反应时间减小隐患所带来的损失。
现有技术主要采用了弹性力学方程来描述并预测场地的变形情况，并没有考虑到汛期洪水高水位和毗邻基坑的低水位，二者所诱发的高孔隙压力梯度的作用下，渗流场与应力场相互作用的耦合效应，但是本发明采用了孔隙弹性力学方程以更好地描述渗流场和应力场二者之间的耦合。

Claims (7)

1.一种评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，至少包括用于实时采集大堤和基坑的垂向位移变形的静力水准监测装置(1)；用于实时采集大堤和基坑的横向位移变形的测斜装置(2)；用于实时采集大堤附近水域水位的水位计(3)；其特征在于：还包括用于将采集的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据进行分析处理的后台服务器(4)和用于显示判断结果并进行报警的移动终端(5)，所述的静力水准监测装置(1)、测斜装置(2)和水位计(3)分别通过数据传输设备与后台服务器(4)相连，所述的后台服务器(4)还与移动终端(5)通信连接。
2.根据权利要求1所述的评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，其特征在于：所述的后台服务器(4)包括用于存储监测区域的空间数据的第一存储模块；用于存储采集得到的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据的第二存储模块；用于将采集的垂向位移变形数据、横向位移变形数据和水位数据进行分析处理的数据处理模块；用于将结果进行存储的第三存储模块。
3.根据权利要求1所述的评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，其特征在于：所述的空间数据包括基础地理信息和场地地质条件。
4.根据权利要求1所述的评估垂直深基坑变形对大堤影响的预警系统，其特征在于：所述的垂向位移变形数据包括垂向瞬时变形量、垂向累计变形量、垂向变形速率和垂向变形加速度；所述的横向位移变形数据包括横向瞬时变形量、横向累计变形量、横向变形速率和横向变形加速度。
5.一种利用如权利要求1-4任意一项所述的预警系统进行预警的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)采集大堤附近水域的水位数据；采集大堤和基坑的垂向位移变形数据；采集大堤和基坑的横向位移变形数据；
(2)将采集得到的大堤和基坑的垂向位移变形数据和横向位移变形数据结合各个监测点的地理位置信息，通过后台服务器绘制形成不同时刻的监测区域的变形图；
(3)根据不同时刻的监测区域的变形图，判断变形值大的点所在的位置；
(4)确定变形值大的点所在的位置，提取所述位置各个时刻的变形数据，并绘制出所述位置的变形值随时间变化的变形图；
(5)根据测得的实时水位，计算得到实时的变形阈值，将实时的变形阈值与实际测得的变形数据进行对比，判断大堤所处的状态是否安全；当判断结果为不安全时，通过移动终端进行报警。
6.根据权利要求5所述的预警方法，其特征在于：根据所述步骤(4)得到变形值随时间变化的变形图，判断得出大堤和基坑变形的趋势，进一步指导现场操作人员进行提前防范。
7.根据权利要求5所述的预警方法，其特征在于：将采集得到的数据以及经分析处理后的数据转化成图像数字信号，并传输至移动终端以全面呈现监测区域变形的总体状态及变形随时间的变化趋势。
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