CN111877416A - 基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于Mann‑Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，属于岩土工程领域，包括以下步骤，S1、长期水位观测资料收集整理；S2、定义Mann‑Kendall趋势检验统计量S；S3、计算Mann‑Kendall趋势分析统计变量Z值；S4、判定Z值的范围，确定抗浮设防水位。本发明确定最合理的抗浮设防水位；解决当前国内部分工程中直接拿历史最高水位作为场地抗浮设防水位，从而对建筑物基底水压力估计过高、造成浪费的问题。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域，涉及基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法。
背景技术
抗浮设防水位是指地下结构在施工期间和使用年限内可能遭遇的地下水最高水位，岩土工程中正确确定抗浮设防水位是一个牵涉巨额造价、影响施工难度与周期的关键问题，但我国目前没有任何规范对抗浮设防水位有关分布概率和设防标准进行过政策性和技术性的规定。由于缺乏明确的取值依据，抗浮设防水位的取值问题在具体工程应用时争议很大。很多岩土工程勘察单位和工程师直接拿历史上观测或记录到的最高水位作为场地抗浮设防水位，往往对建(构)筑物基底水压力估计过高，造成浪费；这也与国家标准《岩土工程勘察规范》(GB 50021)、《地铁设计规范》(GB 50157)等指出的抗浮设防水位要符合“结构受力的最不利组合原则”存在矛盾。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，确定最合理的抗浮设防水位；解决当前国内部分工程中直接拿历史最高水位作为场地抗浮设防水位，从而对建(构)筑物基底水压力估计过高、造成浪费的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，包括以下步骤，S1、长期水位观测资料收集整理；
S2、定义Mann-Kendall趋势检验统计量S；
其中，
h—地下水年最高水位标高(m)；
n—地下水年最高水位标高数据样本长度(n＞10)；
j、k—地下水年最高水位标高序列的第j、k个数据值；
Sign()—符号函数；
S3、计算Mann-Kendall趋势分析统计变量Z值；
其中，Var(S)＝n(n-1)(2n+5)/18；
S4、判定Z值的范围，确定抗浮设防水位；
Z值为负，且|Z|≥1.64，则场地抗浮设防水可按下式计算：
H0＝H1+H2+Δh；
H0—场地抗浮设防水位(m)；
H1—勘察期间实测场地最大静止水位(m)；
H2—意外补给带来的地下水升高值(m)；根据地区经验取值；
Δh—场地地下水位最大年变幅(m)；
统计变量Z值为其他情况，场地抗浮设防水位取长期观测水位最大值，也就是历史最高水位。
进一步的，在步骤S1中，数据收集需要满足以下要求，
S11、地下水年最高水位标高应采用水位观测井内一年中实测地下水水位的最高标高；
S12、收集的资料需消除一、二等水准复测平差的影响，统一到同一高程系统；
S13、收集的地下水位长期观测资料应大于10年。
进一步的，定义Mann-Kendall趋势检验统计量S中，原假设h1，h2，h3，…，hn，为n个独立、随机、同分布的地下水位时间序列数据，即不存在变化趋势；备择假设是双边检验，对于所有的j、k≤n，且j≠k，地下水位hj、hk的分布是不相同的，即存在变化趋势。
进一步的，计算Mann-Kendall趋势分析统计变量Z值中，地下水年最高水位标高数据样本长度n＞10时，S服从正态分布，其方差Var(S)＝n(n-1)(2n+5)/18。
进一步的，Z值为负，且|Z|≥1.64，即水位呈下降趋势且通过了信度为95％的显著性检验。即在给定α＝0.05的置信水平上，作双边趋势检验，当统计变量|Z|≥Z1-0.05/2＝1.64时，原假设不成立，该地下水时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。当统计变量Z为正值时，地下水时间序列数据有上升趋势且通过了信度为95％的显著性检验；当统计变量Z为负值时，地下水时间序列数据有下降趋势且通过了信度为95％的显著性检验。
进一步的，H1—勘察期间实测场地最大静止水位(m)，岩土工程现场勘察结束后统一量测，可在钻孔、探井或测压管内直接量测；对于砂土和碎石土，量测的间隔时间不少于30分钟；对于粉土和粘性土，量测的间隔时间不少于8小时；水位量测精度不低于±20mm。
进一步的，H2—意外补给可能带来的地下水升高值(m)，根据地区经验取值；意外补给可能带来的地下水升高值通常由非本地区大气降水、水库放水、引水工程(如南水北调)等引起，该值的确定应在对场地环境条件、区域水文地质条件进行分析后，根据区域经验取值，通常对于无意外补给可能的地区，该值取0m。
进一步的，Δh—场地地下水位最大年变幅(m)；根据地区经验取值，枯水期勘察时取地下水年变幅大值，丰水期取小值，不同地区受大气降水、区域地层等影响，场地地下水水位最大年变幅一般不同，且随季节更替呈现出一定的变化规律；丰水期地下水位一般会出现年内峰值，枯水期一般会出现年内低值，因此在丰水期期间勘察，Δh应取小值，枯水期期间勘察，Δh应取大值。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明确定最合理的抗浮设防水位；解决当前国内部分工程中直接拿历史最高水位作为场地抗浮设防水位，从而对建(构)筑物基底水压力估计过高、造成浪费的问题；
2、本发明在对长期地下水位资料进行Mann-Kendall趋势分析的基础上，根据水位升降趋势提出了一种新的场地抗浮设防水位取值方法；该方法符合岩土工程常用习惯，条理清晰、计算简便、可操作性强，对场地抗浮设防水位的定量取值提供了科学依据，有效避免了当前部分单位和岩土工程师直接拿历史最高水位作为场地抗浮设防水位造成的工程浪费问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明为基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，按照以下步骤完成：
S1、长期水位观测资料收集整理；优选地，在步骤S1中，数据收集需要满足以下要求，
S11、地下水年最高水位标高应采用水位观测井内一年中实测地下水水位的最高标高；
S12、收集的资料需消除一、二等水准复测平差的影响，统一到同一高程系统；
S13、收集的地下水位长期观测资料应大于10年。
S2、定义Mann-Kendall趋势检验统计量S；
其中，
h—地下水年最高水位标高(m)；
n—地下水年最高水位标高数据样本长度(n＞10)；
j、k—地下水年最高水位标高序列的第j、k个数据值；
Sign()—符号函数；
S3、计算Mann-Kendall趋势分析统计变量Z值；
其中，Var(S)＝n(n-1)(2n+5)/18；
S4、判定Z值的范围，确定抗浮设防水位；
Z值为负，且|Z|≥1.64，则场地抗浮设防水可按下式计算：
H0＝H1+H2+Δh；
H0—场地抗浮设防水位(m)；
H1—勘察期间实测场地最大静止水位(m)；
H2—意外补给带来的地下水升高值(m)；根据地区经验取值；
Δh—场地地下水位最大年变幅(m)；
统计变量Z值为其他情况，场地抗浮设防水位取长期观测水位最大值，也就是历史最高水位。
优选地，定义Mann-Kendall趋势检验统计量S中，原假设h1，h2，h3，…，hn，为n个独立、随机、同分布的地下水位时间序列数据，即不存在变化趋势；备择假设是双边检验，对于所有的j、k≤n，且j≠k，地下水位hj、hk的分布是不相同的，即存在变化趋势。
优选地，计算Mann-Kendall趋势分析统计变量Z值中，地下水年最高水位标高数据样本长度n＞10时，S服从正态分布，其方差Var(S)＝n(n-1)(2n+5)/18。
优选地，Z值为负，且|Z|≥1.64，即水位呈下降趋势且通过了信度为95％的显著性检验。即在给定α＝0.05的置信水平上，作双边趋势检验，当统计变量|Z|≥Z1-0.05/2＝1.64时，原假设不成立，该地下水时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。当统计变量Z为正值时，地下水时间序列数据有上升趋势且通过了信度为95％的显著性检验；当统计变量Z为负值时，地下水时间序列数据有下降趋势且通过了信度为95％的显著性检验。
优选地，H1—勘察期间实测场地最大静止水位(m)，岩土工程现场勘察结束后统一量测，可在钻孔、探井或测压管内直接量测；对于砂土和碎石土，量测的间隔时间不少于30分钟；对于粉土和粘性土，量测的间隔时间不少于8小时；水位量测精度不低于±20mm。
优选地，H2—意外补给可能带来的地下水升高值(m)，根据地区经验取值；意外补给可能带来的地下水升高值通常由非本地区大气降水、水库放水、引水工程(如南水北调)等引起，该值的确定应在对场地环境条件、区域水文地质条件进行分析后，根据区域经验取值，通常对于无意外补给可能的地区，该值取0m。
优选地，Δh—场地地下水位最大年变幅(m)；根据地区经验取值，枯水期勘察时取地下水年变幅大值，丰水期取小值，不同地区受大气降水、区域地层等影响，场地地下水水位最大年变幅一般不同，且随季节更替呈现出一定的变化规律；丰水期地下水位一般会出现年内峰值，枯水期一般会出现年内低值，因此在丰水期期间勘察，Δh应取小值，枯水期期间勘察，Δh应取大值。
首先对场地地下水位长期观测资料进行Mann-Kendall趋势分析，依据该结果，给出地下水水位上升或下降趋势下的场地抗浮设防水位取值。
实施例：以天津市南部平原区某工程场地抗浮设防水位的取值为例，介绍本方法在具体工程中的实施方式。
首先收集整理该场地地下水位长期观测资料；自2004年以来场地年内最高水位分别为2004年3.24m、2005年3.39m、2006年3.28m、2008年2.60m、2009年2.81m、2011年3.03m、2012年3.74m、2013年3.57m、2014年1.44m、2015年0.80m、2016年1.07m、2017年0.99m(2007年、2010年无观测数据)。
其次定义Mann-Kendall趋势检验统计量S并根据Z值的计算公式计算统计变量Z值为-1.85，且|Z|＝1.85明显大于1.64，表明该场地地下水最高水位随时间变化总体呈下降趋势，且该趋势通过了信度为95％的显著性检验。
然后根据H0的计算公式，计算该场地抗浮设防水位，本场地勘察期间属于丰水期，现场测定场地最大静止水位为3.10m；水位最大年变幅按地区经验取小值0.50m，意外补给可能带来的地下水升高值按地区经验取0m；综合计算得到场地抗浮设防水位H0＝3.10+0.50+0＝3.6m。
最后该方法确定的场地抗浮设防水位为3.6m；远小于2012年场地最高水位，也就是历史最高水位3.74m，有效降低了该项目工程造价，节约了项目投资，大大降低了成本。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、长期水位观测资料收集整理；
S2、定义Mann-Kendall趋势检验统计量S；
其中，
h—地下水年最高水位标高(m)；
n—地下水年最高水位标高数据样本长度(n＞10)；
j、k—地下水年最高水位标高序列的第j、k个数据值；
Sign()—符号函数；
S3、计算Mann-Kendall趋势分析统计变量Z值；
其中，Var(S)＝n(n-1)(2n+5)/18；
S4、判定Z值的范围，确定抗浮设防水位；
Z值为负，且|Z|≥1.64，则场地抗浮设防水可按下式计算：
H0＝H1+H2+Δh；
H0—场地抗浮设防水位(m)；
H1—勘察期间实测场地最大静止水位(m)；
H2—意外补给带来的地下水升高值(m)；根据地区经验取值；
Δh—场地地下水位最大年变幅(m)；
统计变量Z值为其他情况，场地抗浮设防水位取长期观测水位最大值，也就是历史最高水位。
2.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：在步骤S1中，数据收集需要满足以下要求，
S11、地下水年最高水位标高应采用水位观测井内一年中实测地下水水位的最高标高；
S12、收集的资料需消除一、二等水准复测平差的影响，统一到同一高程系统；
S13、收集的地下水位长期观测资料应大于10年。
3.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：定义Mann-Kendall趋势检验统计量S中，原假设h1，h2，h3，…，hn，为n个独立、随机、同分布的地下水位时间序列数据，即不存在变化趋势；备择假设是双边检验，对于所有的j、k≤n，且j≠k，地下水位hj、hk的分布是不相同的，即存在变化趋势。
4.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：计算Mann-Kendall趋势分析统计变量Z值中，地下水年最高水位标高数据样本长度n＞10时，S服从正态分布，其方差Var(S)＝n(n-1)(2n+5)/18。
5.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：Z值为负，且|Z|≥1.64，即水位呈下降趋势且通过了信度为95％的显著性检验。即在给定α＝0.05的置信水平上，作双边趋势检验，当统计变量|Z|≥Z1-0.05/2＝1.64时，原假设不成立，该地下水时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。当统计变量Z为正值时，地下水时间序列数据有上升趋势且通过了信度为95％的显著性检验；当统计变量Z为负值时，地下水时间序列数据有下降趋势且通过了信度为95％的显著性检验。
6.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：H1—勘察期间实测场地最大静止水位(m)，岩土工程现场勘察结束后统一量测，可在钻孔、探井或测压管内直接量测；对于砂土和碎石土，量测的间隔时间不少于30分钟；对于粉土和粘性土，量测的间隔时间不少于8小时；水位量测精度不低于±20mm。
7.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：H2—意外补给可能带来的地下水升高值(m)，根据地区经验取值；意外补给可能带来的地下水升高值通常由非本地区大气降水、水库放水、引水工程(如南水北调)等引起，该值的确定应在对场地环境条件、区域水文地质条件进行分析后，根据区域经验取值，通常对于无意外补给可能的地区，该值取0m。
8.根据权利要求1所述的基于Mann-Kendall趋势分析的场地抗浮设防水位确定方法，其特征在于：Δh—场地地下水位最大年变幅(m)；根据地区经验取值，枯水期勘察时取地下水年变幅大值，丰水期取小值，不同地区受大气降水、区域地层等影响，场地地下水水位最大年变幅一般不同，且随季节更替呈现出一定的变化规律；丰水期地下水位一般会出现年内峰值，枯水期一般会出现年内低值，因此在丰水期期间勘察，Δh应取小值，枯水期期间勘察，Δh应取大值。
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