CN112750283B - 一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统及其工作方法，该系统包括雷达水位监测器、数据处理模块、自动抽排水模块、阈值分析模块、控制及预警器。本发明通过雷达水位监测器监测集水井内水位值进一步控制感应式抽水泵抽排水，达到地下水抽排自动化的目的，实现基坑开挖等地下工程降水系统的节能；同时采用集水井内水位动态情况间接表征施工位置地下水量及实时动态，通过上浮预警模块判断地下结构上浮与否，完成将地下水对地下结构的作用信息化处理过程；利用控制及预警器实现对集水井抽排水控制的优先级和对地下结构上浮预警的可视化，便于相关人员通过简便操作实现工程降水和地下结构上浮事故的预警。

Description

一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统及其工 作方法

技术领域

本发明属于地下工程地下水灾害预警领域，具体涉及一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统及其工作方法。

背景技术

在国家基础设施建设高速发展的背景下，涉及地下空间的工程不断增多，因此也呈现出地域分布广泛、地质及工程环境多样化的特点，给工程地下部分的施工带来极大挑战。在近海临湖、雨季施工、地质条件复杂的工程中，基坑排水不畅以及地下结构上浮的问题屡屡发生，造成了较大的工程风险和经济损失。

为避免地下结构上浮的事故发生，本领域人员追本溯源，发现地下水位的升高是核心问题，并从地下结构抽排水装置、以及抽排水自动化两个角度解决施工中地下水位升高问题，进一步攻克预防地下结构上浮的技术难题。

如CN110258660A公开了一种地下室抗浮的减压泄水井的制作工艺以及封井工艺，该发明以围井用的透水砖和泄水井上部设置的泄水口作为排水通道。该发明的缺点在于：1)仅以透水砖和泄水口作为地下室抗浮设施，如遇雨季地下水位猛增则无法达到较高的排水效率；2)该技术方案仅为一种地下室排水方式，未涉及抗浮相关问题。

如CN202132072U公开了一种集水井自动抽排水装置，该实用新型采用导线和浮球的组合触发电路使集水井抽排水。该实用新型的缺点在于：1)该集水井控制水位为距井顶面50cm和距井底50cm的恒定值，当水位变动大时无法根据具体情况自动调整，存在潜水泵无法及时抽排大量灌入的地下水的缺陷；2)该法仅实现了地下工程自动抽排水，无法对地下结构上浮进行及时合理的预测和预警。

综上所述，现有的处理施工中地下水的技术多聚焦于新型的抽排水装置以及抽排水的自动化，难以全面解决地下结构上浮监测、预防、预警的技术难题，亟需一种操作方便、高效可靠的，能够实现地下水位监测、自动抽排水以及预警上浮事故的智能一体化系统。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统，该系统可应用于任一基础工程的开挖中，实现集水井的自动节能抽排水以及对集水井内水位、地下结构上浮等情况的全自动实时监测、数据分析与预报预警。

本发明为克服上述技术的不足，提供一种操作简单、能自动实现集水井抽排水、水位监测和地下结构上浮预警的智能系统及其工作方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统，包括雷达水位监测器、数据处理模块、自动抽排水模块、阈值分析模块、控制及预警器。

所述雷达水位监测器包括信号收发装置和时间记录仪；所述信号收发装置置于距集水井上方并与集水井内水面垂直，定时向集水井发射雷达脉冲并接收被井内水面反射回的脉冲；所述时间记录仪与信号收发装置的天线相连，记录每次雷达脉冲往返所需时间t₁、t₂、……、t_n与雷达脉冲发射时刻T_r1、T_r2、……、T_rn；

所述数据处理模块包括集水井水位计算装置、集水井水位涨速计算装置；

所述集水井水位计算装置通过雷达水位监测器测得的数据并根据电磁波往返时间与到水面的距离成正比的原理计算得到集水井内的实时水位H_i：

H_i＝h₀-C*t_i/2

其中h₀为信号收发天线头部到集水井底部的距离，C为电磁波传播速度，t_i为第i次雷达脉冲往返所需时间，T_ri为第i次雷达脉冲的发射时刻；所述集水井水位涨速计算装置计算集水井水位的测定时刻T_i和集水井水位涨速V_i：

T_i＝T_ri+t_i/2

V_i＝(H_i+1-H_i)/(T_i+1-T_i)

所述自动抽排水模块包括抽水水位阈值分析器和感应式抽水泵；

所述抽水水位阈值分析器内置最小阈值A_min和最大阈值A_max，当集水井内水位数据H_i>A_max或H_i<A_min时则向感应式抽水泵发送一次信号；所述感应式抽水泵与抽水水位阈值分析器相连，接收到信号后开始向集水井抽水，再次接收信号时停止工作；

所述阈值分析模块包括上浮水位阈值分析器、水位涨速阈值分析器；

所述上浮水位阈值分析器内置上浮水位初始阈值B₀，若集水井水位H_i>B₀则向上浮警报器发送信号，上浮水位阈值分析器根据内置的预警动态修正最小值算法对阈值进行调整和优化，其原理是：通过数据处理模块实时获取集水井水位H_i，当某时刻地下结构发生上浮则数据处理模块向水位阈值分析器反馈此时的集水井水位H_i，选取当前阈值与该时刻H_i的较小值作为新的阈值；

所述水位涨速阈值分析器内置水位涨速初始阈值C₀，若集水井水位涨速V_i>C₀则向上浮报警器发送信号，水位涨速阈值分析器根据内置的预警动态修正最小值算法对阈值进行调整和优化，其原理是：通过数据处理模块实时获取集水井水位涨速V_i，当某时刻地下结构发生上浮则数据处理模块向水位涨速阈值分析器反馈此时的集水井水位涨速V_i，选取当前阈值与该时刻V_i的较小值作为新的阈值；

所述控制及预警器包括远程控制面板和上浮报警器；

所述远程控制面板置于远程遥控器上，包括显示屏、开始键和暂停键，显示屏显示“工作中”或“待机”表示感应式抽水泵的工作状态和集水井内实时水位，开始键控制整套系统的开机，暂停键控制感应式抽水泵由抽排水状态转换为待机状态，两者均可以直接控制感应式抽水泵的工作状态并优先于抽水水位阈值分析器传输的信号；所述上浮报警器置于远程遥控器，内置声光报警系统并与上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器无线连接，当同时接收上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器发送的无线信号后亮红灯并发出语音提示。

优选地，所述集水井为工程施工中布置在施工建筑周围的汇集基坑水的坑状或井状储水装置。

优选地，所述雷达水位监测器旁安装太阳能供电板，用于为预警系统中除控制及预警器之外的所有其他模块提供所需的电能；

优选地，抽水水位最大阈值A_max与感应式抽水泵的工作能效成正比。

一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统的工作方法，包含如下步骤：

(1)判断施工进度：地下工程施工过程中还未进行集水井抽排水时，对预警系统连线进行检查；当需要对集水井进行抽排水时按开始键；

(2)全自动工作状态：感应式抽水泵开始对集水井内水体进行智能抽排，同时根据计算出的集水井实时水位和集水井水位涨速进行上浮阈值判断；

(3)当工程出现特殊情况需要停止集水井抽排水时按暂停键；

(4)当远程遥控器上的上浮报警器亮红灯并发出语音提示时，相关人员及时进行工程自检并进一步采取抗浮措施。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

1)本发明基于已广泛应用的集水井，无需将施工开挖工序复杂化；

2)本发明根据集水井内水位的动态精准监测来控制抽排水，有利于地下工程施工降水问题更加节能、自动化；

3)本发明首先提出了对地下结构上浮的预测和预警机制，弥补了当前对地下结构上浮事故预警机制的研究空白；

4)本发明以集水井内水位及涨速间接表征地下水动态情况，可以使地下结构上浮事故的判断更加简便化、信息化并能实现可预知。

本发明突破了地下工程中常规集水井及普通水泵抽排水方式，通过雷达水位监测器监测集水井内水位值进一步控制感应式抽水泵抽排水，达到地下水抽排自动化的目的，实现基坑开挖等地下工程降水系统的节能；同时采用集水井内水位动态情况间接表征施工位置地下水量及实时动态，通过上浮预警模块判断地下结构上浮与否，完成将地下水对地下结构的作用信息化处理过程；利用控制及预警器实现对集水井抽排水控制的优先级和对地下结构上浮预警的可视化，便于相关人员通过简便操作实现工程降水和地下结构上浮事故的预警。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统的各模块连接示意图；

图2为一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统整体结构示意图；

图3为一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统雷达水位监测器结构示意图；

图4为一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统的控制及预警器平面示意图；

图中，1-集水井、2-信号收发装置、3-时间记录仪、4-太阳能供电板、5-集水井水位计算装置、6-集水井水位涨速计算装置、7-抽水水位阈值分析器、8-感应式抽水泵、9-上浮水位阈值分析器、10-水位涨速阈值分析器、11-显示屏、12-开始键、13-暂停键、14-上浮报警器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括负数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

作为一个完整的预警系统，本发明主要包括雷达水位监测器、数据处理模块、自动抽排水模块、阈值分析模块、控制及预警器，实现集水井内水位监测、自动抽排水以及对地下结构上浮预警目的。

所述雷达水位监测器：包括信号收发装置2、时间记录仪3，通过信号收发装置2定时向集水井1内水面发射雷达脉冲并记录其往返时间。

所述数据处理模块：包括集水井水位计算装置5和集水井水位涨速计算装置6。集水井水位计算装置5依据雷达水位监测器传输的数据计算集水井1内实时水位；集水井水位涨速计算装置6通过集水井水位计算装置5的历史数据计算集水井内水位的涨速，达到数据分析处理的目的。

所述集水井水位计算装置通过雷达水位监测器测得的数据并根据电磁波往返时间与到水面的距离成正比的原理计算得到集水井内的实时水位H_i：

H_i＝h₀-C*t_i/2

其中h₀为信号收发天线头部到集水井底部的距离，C为电磁波传播速度，t_i为第i次雷达脉冲往返所需时间，T_ri为第i次雷达脉冲的发射时刻；所述集水井水位涨速计算装置计算集水井水位的测定时刻T_i和集水井水位涨速V_i：

T_i＝T_ri+t_i/2

V_i＝(H_i+1-H_i)/(T_i+1-T_i)

所述自动抽排水模块：包括抽水水位阈值分析器7和感应式抽水泵8。抽水水位阈值分析器7通过判断水位值控制感应式抽水泵8的抽排水工作，实现集水井自动抽排水的功能。抽水水位阈值分析器7内置集水井1水位的最小阈值A_min和最大阈值A_max，当集水井内水位数据H_i>A_max或H_i<A_min时则向感应式抽水泵8发送一次信号，感应式抽水泵8接收到信号后开始向集水井1抽水，再次接收信号时停止工作。

所述阈值分析模块：包括上浮水位阈值分析器9、水位涨速阈值分析器10。上浮水位阈值分析器9和水位涨速阈值分析器10通过预警动态修正最小值算法实现下一刻阈值的确定以及集水井实时水位和实时水位涨速的比较功能。

所述控制及预警器包括置于远程遥控器上的远程控制面板和上浮报警器14。其中远程控制面板包括显示屏11、开始键12和暂停键13，显示屏显示集水井动态水位和感应式抽水泵的工作状态，开始键和暂停键优先控制感应式抽水泵抽排水的开始和待机；上浮报警器通过声光报警实现对地下结构上浮的预警功能。所述上浮水位阈值分析器内置上浮水位初始阈值B₀，若集水井水位H_i>B₀则向上浮警报器发送信号，并根据上浮水位阈值分析器内置的预警动态修正最小值算法对阈值进行调整和优化，其原理是：通过数据处理模块实时获取集水井水位H_i，当某时刻地下结构发生上浮，选取当前阈值与该时刻H_i的较小值作为新的阈值；所述水位涨速阈值分析器内置水位涨速初始阈值C₀，若集水井水位涨速V_i>C₀则向上浮报警器发送信号，并根据水位涨速阈值分析器内置的预警动态修正最小值算法对阈值进行调整和优化，其原理是：通过数据处理模块实时获取集水井水位涨速V_i，当某时刻地下结构发生上浮，选取当前阈值与该时刻V_i的较小值作为新的阈值。

该系统还配有太阳能供电板4，用于为预警系统中除控制及预警器之外的所有其他模块提供所需的电能。

下面，结合一实施例对本发明系统的工作过程进行描述。

A.判断施工进度：地下工程施工过程中还未进行集水井抽排水时，对预警系统连线进行检查，当需要对集水井1进行抽排水时按开始键12；

B.全自动工作状态：集水井水位计算装置5计算实时水位，抽水水位阈值分析器7根据数据进行判别并控制感应式抽水泵8智能抽排集水井1内水体，同时根据计算出的集水井实时水位和集水井水位涨速计算装置6得到的集水井水位涨速，通过上浮水位阈值分析器9和水位涨速阈值分析器10进行上浮阈值判断；

C.施工期间相关人员可通过显示屏11查看感应式抽水泵工作状态和集水井中水位情况，当工程出现特殊情况需要停止集水井抽排水时按暂停键13；

D.当远程遥控器上的上浮报警器14亮红灯并发出语音提示时，相关人员及时进行工程自检并进一步采取抗浮措施。

本发明突破了地下工程中常规集水井及普通水泵抽排水方式，通过雷达水位监测器监测集水井内水位值进一步控制感应式水泵感应式抽水泵抽排水，达到地下水抽排自动化的目的，实现基坑开挖等地下工程降水系统的节能；同时率先提出了地下结构上浮事故的预警方法，采用集水井内水位动态情况间接表征施工位置地下水量及实时动态，通过上浮预警模块判断地下结构上浮与否，完成将地下水对地下结构的作用信息化处理过程；利用控制及预警器实现对集水井抽排水控制的优先级和对地下结构上浮预警的可视化，便于非本领域技术人员在内的相关人员通过简便操作实现工程降水和地下结构上浮事故的预警。具有操作简便、实时动态监测、抽排水全自动、安全可靠、可通过分析数据智能预测预警的特点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统，其特征在于：包括雷达水位监测器、数据处理模块、自动抽排水模块、阈值分析模块、控制及预警器，其中：

所述雷达水位监测器用于动态监测集水井中汇集的地下水水位；

所述数据处理模块包括集水井水位计算装置和集水井水位涨速计算装置，集水井水位计算装置通过雷达水位监测器输出的数据计算集水井内的实时水位，集水井水位涨速计算装置通过集水井水位计算装置的历史数据计算集水井内的水位涨速；

所述自动抽排水模块包括抽水水位阈值分析器和感应式抽水泵，抽水水位阈值分析器内置集水井水位的最小阈值A_min和最大阈值A_max，当集水井内的实时水位数据H_i>A_max或H_i<A_min时则向感应式抽水泵发送一次信号，感应式抽水泵接收到信号后开始向集水井抽水，再次接收信号时停止工作；

所述阈值分析模块包括上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器，所述上浮水位阈值分析器内置上浮水位初始阈值，所述水位涨速阈值分析器内置水位涨速初始阈值，所述的上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器均可根据地下结构发生上浮时的数据反馈进行阈值调整和优化；

所述控制及预警器包括置于远程遥控器上的远程控制面板和上浮报警器，远程控制面板可以直接控制感应式抽水泵的工作状态并显示集水井内水位，上浮警报器同时接收到上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器的无线信号后红灯闪烁并发出警报；

所述雷达水位监测器包括信号收发装置和时间记录仪；所述信号收发装置置于集水井上方并与集水井内水面垂直，定时向集水井发射雷达脉冲并接收被井内水面反射回的脉冲；所述时间记录仪与信号收发装置的天线相连，记录每次雷达脉冲往返所需时间t₁、t₂、……、t_n与雷达脉冲发射时刻T_r1、T_r2、……、T_rn；

集水井内的实时水位H_i：

H_i＝h₀-C*t_i/2

其中h₀为信号收发装置的天线头部到集水井底部的距离，C为电磁波传播速度，t_i为第i次雷达脉冲往返所需时间；

集水井水位的测定时刻T_i和集水井水位涨速V_i：

T_i＝T_ri+t_i/2

V_i＝(H_i+1-H_i)/(T_i+1-T_i)

其中，T_ri为第i次雷达脉冲的发射时刻；

所述的上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器根据地下结构发生上浮时的数据反馈进行阈值调整和优化的方法，具体为：

所述上浮水位阈值分析器内置上浮水位初始阈值B₀，若集水井内的实时水位H_i>B₀则向上浮警报器发送信号，并根据上浮水位阈值分析器内置的预警动态修正最小值算法对阈值进行调整和优化，其原理是：通过数据处理模块实时获取集水井内的实时水位H_i，当某时刻地下结构发生上浮，选取当前阈值与该时刻H_i的较小值作为新的阈值；

所述水位涨速阈值分析器内置水位涨速初始阈值C₀，若集水井水位涨速V_i>C₀则向上浮报警器发送信号，并根据水位涨速阈值分析器内置的预警动态修正最小值算法对阈值进行调整和优化，其原理是：通过数据处理模块实时获取集水井水位涨速V_i，当某时刻地下结构发生上浮，选取当前阈值与该时刻V_i的较小值作为新的阈值。

2.如权利要求1所述的一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统，其特征在于，所述集水井为工程施工中布置在施工建筑周围的汇集基坑水的坑状或井状储水装置。

3.如权利要求1所述的一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统，其特征在于，所述远程控制面板包括显示屏、开始键和暂停键，显示屏显示“工作中”或“待机”表示感应式抽水泵的工作状态和集水井内实时水位，开始键控制整套系统的开机，暂停键控制感应式抽水泵由抽排水状态转换为待机状态，两者均可以直接控制感应式抽水泵的工作状态并优先于抽水水位阈值分析器传输的信号；所述上浮报警器内置声光报警系统并与上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器无线连接，当同时接收上浮水位阈值分析器和水位涨速阈值分析器发送的无线信号后亮红灯并发出语音提示。

4.如权利要求1所述的一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统，其特征在于，该系统还配有太阳能供电板，用于为预警系统中除控制及预警器之外的所有其他模块提供所需的电能。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种基于集水井自动抽排水的地下结构上浮预警系统的工作方法，包含如下步骤：

(1)判断施工进度：地下工程施工过程中还未进行集水井抽排水时，对预警系统连线进行检查；当需要对集水井进行抽排水时按开始键；

(2)全自动工作状态：感应式抽水泵开始对集水井内水体进行智能抽排，同时根据计算出的集水井实时水位和集水井水位涨速进行上浮阈值判断；

(3)当工程出现特殊情况需要停止集水井抽排水时按暂停键；

(4)当远程遥控器上的上浮报警器亮红灯并发出语音提示时，相关人员及时进行工程自检并进一步采取抗浮措施。

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