CN113324617B - 用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地下水监测技术领域，公开了一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块。本发明提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，通过水位传感器测定胀缩性土及下部含水层水位变化，同时在胀缩性土的底部界面设定位移传感器，监测土体位移变形，设定阈值警报器，一旦水位高度达到临界值，或位移开始变化到某设定临界值，就发出警报，通过自动抽取地下水，进行疏排水，解决水位上涨问题。

Description

用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法
技术领域
本发明属于地下水监测技术领域，尤其涉及一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法。
背景技术
胀缩性土遇到水后会膨胀变形，影响工程建筑的稳定性。尤其在如高速铁路、高速公路、南水北调等重大线性工程的胀缩性土分布区，胀缩性土的工程稳定性严重制约着工程的安全运营。现有的施工方法多从地表至地基处理所涉及的深度范围进行了土体换填或快速封闭等施工措施，防止胀缩性土受降水影响，但在某些地区胀缩性土底部含水层的地下水位，受压采和外调水源补给影响在持续上涨，一旦大量水分扩散上升至胀缩性土分布层位，会导致胀缩性土遇水膨胀，使上部的构筑物受损，严重影响重大工程的安全运营。
现有的用于大型工程的地下水监测设备多是埋在土体中的渗压计，考察内外压是否平衡，但只单纯考虑了孔隙水压力。胀缩性土具有水敏感性和急剧变形特征，由于毛细上升作用，在饱和水位上至膨胀土之前，水分会优先扩散至胀缩性土层位，同时由于含水层的渗透性能及胀缩性土毛细吸力的差异，饱和水位与胀缩性土距离相同条件下的水分迁移量不同，因此需要根据土体的粒径及渗透系数确定的最大毛细上升高度划定较为精确的临界水位值。同时为了保证安全，同时设定土体变形的临界值，及时疏排地下水。
这种水分敏感的胀缩性土环境地下水监测预警系统尚未见报道。因此，亟需一种基于水位及土体位移双控的胀缩性土环境地下水在线监测与预警系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法。
本发明是这样实现的，一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：
水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块。
水位监测模块，与中央控制模块连接，用于水位传感器测定胀缩性土及下部含水层中水位变化信息；
其中水位传感器通过施工的小孔径监测井安装在水底及水面之上各一个，通过测定水压与气压差折算水位高度；可以是自主设计的传感器也可以是Diver等产品。
土体位移监测模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
其中土体位移传感器安装在胀缩性土体层底一个以及胀缩性土体中间一个或多个；用以监测不同部位的土体变形量；可以是自主设计的传感器也购置具有连续传输数据的位移传感器产品。当任意一个土体位移传感器监测到的变形量超过预警值即触发警报。
中央控制模块，与水位监测模块、土体位移监测模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
预警模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；
设定水位阈值警报器，一旦水位上升至水位临界值h，或土体位移变化临界值β，就发出警报。
其中水位临界值h的测算是：水位距胀缩性土底层的距离一旦小于胀缩性土毛细上升最大高度(乘以安全系数后的高度)，就发出警报。
水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D
式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径。两者可以通过土工实验测试而得；α为安全系数设定为1.5。
土体位移变化临界值β的测算是：现在监测时刻的位移变量at一旦大于前一监测时段位移变化值at-1的20％，就发出警报。
而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％
式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量。两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得；
疏排水模块，与中央控制模块连接，用于通过自动抽取地下水进行疏排水；
当疏排水模块将水位降低至距离胀缩性土2h之时，停止抽水，各模块恢复监测状态。
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法包括以下步骤：
步骤一，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过土体位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
步骤二，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
步骤三，通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；通过疏排水模块利用自动抽取地下水进行疏排水；
步骤四，通过更新显示模块利用显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。
进一步，步骤一中，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过设置于胀缩性土体内部的位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；包括：
水位传感器通过施工的小孔径监测井安装在水底及水面之上各一个，通过测定水压与气压差折算水位高度；可以是自主设计的传感器也可以是Diver等产品。
土体位移传感器安装在胀缩性土体层底一个以及胀缩性土体中间一个或多个；用以监测不同部位的土体变形量；可以是自主设计的传感器也购置具有连续传输数据的位移传感器产品。当任意一个土体位移传感器监测到的变形量超过预警值即触发警报。
步骤三中，所述通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知，包括：
设定阈值警报器，一旦水位上升至水位临界值h，或土体位移变化临界值β，就发出警报。
其中水位临界值h的测算是：水位距胀缩性土底层的距离一旦小于胀缩性土毛细上升最大高度(乘以安全系数后的高度)，就发出警报。
土体位移变化临界值β的测算是：现在监测时刻的位移变量at一旦大于前一监测时段位移变化值at-1的20％，就发出警报。
其中水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D
式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径。两者可以通过土工实验测试而得；α为安全系数设定为1.5。
而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％
式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量。两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得；
当疏排水模块将水位将至2h之时，停止抽水，各模块恢复监测状态。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，通过水位传感器监测水位变化，同时设定位移传感器，监测土体位移变形，设定阈值警报器，一旦水分含量达到某个临界值，或土体位移开始变化到某设定临界值，就发出警报，通过自动抽取地下水，进行疏排水，解决水位上涨问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统结构框图；
图中：1、水位监测模块；2、土体位移监测模块；3、中央控制模块；4、预警模块；5、疏排水模块；6、更新显示模块。
图2是本发明实施例提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法流程图。
图3是本发明实施例提供的应用实施例示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：水位监测模块1、土体位移监测模块2、中央控制模块3、预警模块4、疏排水模块5、更新显示模块6。
水位监测模块1，与中央控制模块3连接，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；
土体位移监测模块2，与中央控制模块3连接，用于通过设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
中央控制模块3，与水位监测模块1、土体位移监测模块2、预警模块4、疏排水模块5、更新显示模块6连接，用于通过中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
预警模块4，与中央控制模块3连接，用于通过设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；
疏排水模块5，与中央控制模块3连接，用于通过自动抽取地下水进行疏排水；
更新显示模块6，与中央控制模块3连接，用于通过显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。
如图2所示，本发明实施例提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法包括以下步骤：
S101，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过土体位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
S102，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
S103，通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；通过疏排水模块利用自动抽取地下水进行疏排水；
S104，通过更新模块利用显示器对测定得到的图中水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。
本发明实施例提供的步骤S103中，所述通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知，包括：
设定阈值警报器，一旦水分含量达到某个临界值，且位移开始变化到某设定临界值，就发出警报。
如图3所示，本发明应用华北南部某大型工程附近获取的胀缩性土进行了中型试验模拟，地埋式箱体尺寸为长600cm×宽250cm×高450cm；外框采用加强型钢。土体填装情况如下：模拟工程地基深度为0～80cm；胀缩性土深度为80～180cm，底部粉土含水层填装深度为180～450cm，初始水位距离胀缩性土层底为200cm(即液面深度70cm)。通过进出水管控制含水层水位上升程度。在土层中设置了2个抽水井，均安装有抽水泵等疏排水模块。
如上所述，实验过程中进行了水位传感器、位移传感器的安装，其中水位传感器通过施工的小孔径监测井安装在水底及水面之上各一个，通过测定水压与气压差折算水位高度；采用的Diver产品；数据采集间隔为0.2小时。
土体位移传感器安装在胀缩性土体层底一个以及胀缩性土体中间一个；用以监测不同部位的土体变形量；采用的是自主设计的可连续传输数据的传感器。数据采集间隔为0.2小时。当任意一个土体位移传感器监测到的变形量超过预警值即触发警报。
如上所述，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过土体位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
进一步，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
进一步，通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；通过疏排水模块利用自动抽取地下水进行疏排水；
具体地：
设定阈值警报器，一旦水位上升至水位临界值h，或土体位移变化临界值β，就发出警报。
其中水位临界值h的测算是：水位距胀缩性土底层的距离一旦小于胀缩性土毛细上升最大高度，就发出警报。
土体位移变化临界值β的测算是：现在监测时刻的位移变量at一旦大于前一监测时段位移变化值at-1的20％，就发出警报。
其中水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D
式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径。两者可以通过土工实验测试而得，经采样测定该胀缩性土渗透系数k为1.9×107cm/s，土体等效粒径D为0.0015cm。本次试验安全系数α设定为1.5。计算h＝132.85cm(表1)。
表1华北南部某大型工程胀缩性土的性质及计算水位临界值
Figure BDA0003062216290000081
而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％
式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量。两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得；
模拟试验开始，通过进水口进水，含水层水位持续上涨，水位上涨至液面深度137.0cm之时，即与胀缩性土层底距离为133.0cm之时，超过预警值132.85cm，警报发出(此时，两个土体位移的β分别为11.2％与18.1％)，信号传至中央控制系统，中央控制系统将信号传输至疏排水模块，启动两个模拟水井中的水泵，利用自动抽取地下水进行疏排水；当液面降至与胀缩性土的层底距离为265.70cm之时(即≥2h)，停止抽水，各模块恢复监测状态。
进一步，通过更新显示模块利用显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。
同样的试验方案，应用河北某大型工程附近获取的胀缩性土进行了中型试验模拟。
其中水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D
式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径。两者可以通过土工实验测试而得，经采样测定该胀缩性土渗透系数k为2.1×107cm/s，土体等效粒径D为0.00185cm。本次试验安全系数α设定为1.5。计算h＝111.51cm(表2)。
表2河北某大型工程胀缩性土的性质及计算水位临界值
Figure BDA0003062216290000091
而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％
式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量。两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得。
模拟试验开始，通过进水口进水，含水层水位持续上涨，水位上涨至液面深度157.5cm之时，即与胀缩性土层底距离为112.5cm之时(虽比较接近，但未超过预警值111.51cm)，底部土体位移传感器的β值达到了20.1％，警报发出，信号传至中央控制系统，中央控制系统将信号传输至疏排水模块，启动两个模拟水井中的水泵，利用自动抽取地下水进行疏排水；当液面降至与胀缩性土的层底距离为223.03cm之时(即≥2h)，停止抽水，各模块恢复监测状态。
通过两次试验，发现不同土体的最大毛细上升高度不同，水位-土体位移双控较好的实现了地下水的预警和疏排工作。提高了预警成功率，取得了较好的结果。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，其特征在于，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：
水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块；
水位监测模块，与中央控制模块连接，用于水位传感器测定胀缩性土及下部含水层中水位变化信息；
土体位移监测模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
中央控制模块，与水位监测模块、土体位移监测模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
预警模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；
疏排水模块，与中央控制模块连接，用于通过自动抽取地下水进行疏排水；
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对测定得到的土中水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示；
通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过设置于胀缩性土体内部的位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；包括：
水位传感器通过施工的小孔径监测井安装在水底及水面之上各一个，通过测定水压与气压差折算水位高度；可选择自主设计的传感器或Diver传感器产品；
土体位移传感器安装在胀缩性土体层底一个以及胀缩性土体中间一个或多个；用以监测不同部位的土体变形量；可为自主设计的传感器或购置具有连续传输数据的位移传感器产品；当任意一个土体位移传感器监测到的变形量超过预警值即触发警报；
所述通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知，包括：
设定阈值警报器，一旦水位上升至水位临界值h，或土体位移变化临界值β，就发出警报；
其中水位临界值h的测算是：水位距胀缩性土底层的距离一旦小于胀缩性土毛细上升最大高度(乘以安全系数后的高度)，就发出警报；
土体位移变化临界值β的测算是：现在监测时刻的位移变量at一旦大于前一监测时段位移变化值at-1的20％，就发出警报；
其中水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D；
式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径，两者可以通过土工实验测试而得；α为安全系数设定为1.5；
而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％；
式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量，两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得；
当疏排水模块将水位降低至距离胀缩性土2h之时，停止抽水，各模块恢复监测状态。
2.一种应用如权利要求1所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，其特征在于，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法包括以下步骤：
步骤一，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过设置于胀缩性土体内部的位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
步骤二，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
步骤三，通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；通过疏排水模块利用自动抽取地下水进行疏排水；
步骤四，通过更新显示模块利用显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。
3.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求2所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法。
4.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求2所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法。
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