CN116558599A - 一种基坑施工地下水位监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基坑施工地下水位监测方法，具体步骤包括S1：布置测点，埋设地下水位测点，放置传感器，S2：现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率并计算水位变化量，S3：将采集的数据通过传输系统传输至数据服务器并读取数据，S4：通过信号传输技术将地下水检测结果传输至显示终端；该基坑施工地下水位监测方法，实现无线传输，解决了目前的地下水位检测过程主要是由人工定期拿着仪器去现场实地测量水位高度，容易出现数据记录不规范，记录错误或被篡改等问题，记录数据后，在数据处理环节工作量大，耗时长，容易出现错误的问题以及大部分基坑会变形失稳，人员无法现场实施地下水监测，监测的时效性较差的问题。

Description

一种基坑施工地下水位监测方法

技术领域

本发明涉及地下水监测技术领域，具体涉及一种基坑施工地下水位监测方法。

背景技术

地下水位变化量是施工决策与管理的信息源与控制对象，它对于工程安全施工是极为重要的，为确保基坑施工安全和周围环境的稳定，在施工中必须建立全面、严密的地下水位监测体系，对周边环境进行综合、系统的监测，并将施工对周围环境的影响降到最小程度，取得较好的经济和社会效益。

目前的地下水位检测过程主要是由人工定期拿着仪器去现场实地测量水位高度，将水位的数据记录并出具结果，往往会出现数据记录不规范，容易出现记录错误或被篡改，记录数据后，在数据处理环节工作量大，耗时长，在人工处理的各个环节中，容易出现错误；人工监测周期长，仪器长时间连续工作，效率低下，而且施工场地环境复杂，监测人员人身安全隐患较大，在恶劣的气候条件下，大部分基坑会变形失稳，人员无法现场实施地下水监测，使得监测的时效性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基坑施工地下水位监测方法，解决目前人工定期实地监测地下水位，过程繁琐，工作量大，安全性低和时效性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基坑施工地下水位监测方法，具体步骤包括：

S1：布置测点，埋设地下水位测点，放置传感器；

S2：现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率并计算水位变化量；

S3：将采集的数据通过传输系统传输至数据服务器并读取数据；

S4：通过信号传输技术将地下水检测结果传输至显示终端。

优选的，所述S1具体步骤包括：

在围护结构外2m处布置测点，每个基坑沿长边约20m-50m布置一个测孔，短边中点布置一个测孔；

确保测点位置无地下管线后，利用地质钻机成孔，并制作水位管，地质钻机钻至设计深度后，孔内分节下放水位管，管节之间刷PVC胶水用直通连接，管壁与孔壁之间用净砂回填至离地表0.5m处，再用粘土进行封填，场地硬化后，将管口降低至地面，将孔隙水压力传感器及传输导线放入水位管内。

优选的，所述水位管制作过程包括：

在Φ70mmPVC管管底加盖密封，下部留出0.5m-1m的沉淀段，中部管壁周围钻出Φ6mm左右的滤水孔，纵向孔距400mm,呈梅花状布置，管壁外部包扎过滤网，上部再留出0.5m-1m作为管口段。

优选的，所述将孔隙水压力传感器及传输导线放入水位管内具体步骤包括：

安装前取下仪器端部的透水石，在钢膜片上涂一层黄油或凡士林，孔隙水压力传感器置入由反滤料制成的滤体纱包内，安装前将仪器在水中浸泡2h以上至其达到饱和状态；

监测孔内孔隙水压力传感器外套柔质护套，护套内加入适量福尔马林的溶液，护套口扎于传感器引线电缆上，将孔隙水压力传感器和渗流水彻底隔离；

将孔隙水压力传感器放入测压管中，直至浸入水中，同温两小时后进行测量，每隔五分钟测量一次，连续测量两次测值相同，将传感器提出水面，处于水面位置用读数仪进行测量并记录作为基准值，再将传感器安装至设计位置，记录高程值。

优选的，所述S2中现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率具体步骤包括：

通过振弦采集仪内的激振电路驱动振弦式传感器的感应线圈产生磁场，触发传感器内的钢弦使其产生振动，钢弦振动后按照一定的频率切割感应线圈产生的磁场，并在感应线圈中生成相同频率的感应电势，通过采集仪内的拾取电路拾取到这组信号，并经由滤波电路、信号放大电路、整形电路传输给单片机，由单片机对信号进行分析处理，得出传感器的输出频率。

优选的，所述S2中现场数据处理中心计算水位变化量具体步骤包括：

将振弦固有频率的平方同弦的张力成正比关系的公式，即：

式中：f为振弦的振动频率；L为振弦的长度；p为振弦的线密度；σ为振弦所受的张拉应力，进行换算后得到：

σ＝4pL²f²＝E_弦ε (2)

传感器出厂前的初始应力σ₀，对应一个初始频率f₀，当传感器受力状况变化后，振弦应力为σ₁，对应的频率变为f₁，由公式(3)知振弦所受应变的变化量为：

当外界水压通过透水石作用于孔隙水压力传感器承压膜中心扰度发生变化，从而引起与承压薄膜中心连接的振弦发生形变，承压膜中心扰度变化量为：

式中：Δw为承压膜扰度变化量；ΔP为承压膜所受压强变化量；V_膜为承压膜的泊松比；R_膜为圆形承压膜的半径；E_膜为承压膜的弹性模量；h_膜为承压膜的厚度，由承压膜扰度引起的振弦应变变化量为：

将公式(4)和(5)代入公式(6)，可推算压强变化量ΔP与频率的关系为：

对于孔隙水压力讨，根据静水条件下孔隙水压力的计算公式：

P＝ρ_水gh_水 (8)

式中：P_水为孔隙水的密度；h_水为从孔隙水压力计算起的水头高度；

设孔压计无负载时频率初始值，由公式(7)和(8)可推算孔压计安装位置处的水头高度与频率的关系：

由公式(9)发现，除频率外，其他参数在孔隙水压力计出厂时均已经固定，水头高度的变化仅与频率变化有关系，即：

最后可对采集传感器的输出频率进行后台自动计算水位变化量。

优选的，所述步骤S3中数据服务器包括知物云和网关设备，所述传输系统中底层的无线节点通过自组建的无线网络将采集的数据传输至无线网关，知物云从无线网关直接读取采集数据。

优选的，所述传输系统中底层的无线节点具体安装过程包括：

通过方形套管底部法兰通孔用记号笔在地表描出四个安装孔位置，然后移开方形套管；

在电锤钻头上用记号笔或胶带标记处钻孔深度；

用气吹把安装孔内杂质及灰尘吹出，然后利用铁锤把M12膨胀螺栓轻敲塞入安装孔内，接着把螺帽拧紧2-3圈后感觉膨胀螺栓比较紧而不松动后拧下螺帽，再把方形套管底部法兰圆孔对准膨胀螺丝嵌入，然后逐个安装膨胀螺丝垫片及弹簧片并拧紧；

待各传感器线缆对接完毕后，把传感器线缆从方形管顶部出线孔引出，然后把两个分布式节点设备用M5螺丝紧固于安装板上，接着把安装板通过M8螺丝固定于方形套管顶部。

由上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

该基坑施工地下水位监测方法，通过布置测点，埋设地下水位测点，放置传感器，在距离2米左右布置测点，用来沉积滤水段带入的少量泥砂，因为水中泥沙含量过多，会多监测数据有影响，坑外潜水水位监测点沿基坑纵向间距为20-50m，在短边中点设置一个监测孔，使得地下水位在基坑开挖过程中，能更好的监测到“漏斗”状降低现象，防止两段水位一致，中间段水位没有降低的现象发生，现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率并计算水位变化量，将采集的数据通过传输系统传输至数据服务器并读取数据，信号传输技术将地下水检测结果传输至显示终端，实现无线传输，解决了目前的地下水位检测过程主要是由人工定期拿着仪器去现场实地测量水位高度，将水位的数据记录并出具结果，容易出现数据记录不规范，记录错误或被篡改，记录数据后，在数据处理环节工作量大，耗时长，在人工处理的各个环节中，出现错误的问题以及人工监测周期长，仪器长时间连续工作，效率低下，而且施工场地环境复杂，监测人员人身安全隐患较大，在恶劣的气候条件下，大部分基坑会变形失稳，人员无法现场实施地下水监测，监测的时效性较差的问题。

附图说明

图1为本发明基坑施工地下水位监测方法流程图；

图2为本发明地下水位监测示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

如图1及图2所示，一种基坑施工地下水位监测方法，具体步骤包括：

步骤S1：测点布置，埋设地下水位测点再放置传感器；

步骤S2：现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率并计算水位变化量；

步骤S3：将采集到的数据通过传输系统传输至数据服务器，数据服务器读取数据；

步骤S4：通过信号传输技术将地下水检测结果传输至显示终端。

所述步骤S1中，首先进行现场仪器布置及埋设，终端节点主要负责采集传感器数据，其包含测点布置埋设和数据提取，监测点的布置原则为每个基坑沿长边约20m-50m布置一个测孔，短边中点布置一个测孔，坑外潜水水位监测点沿基坑纵向间距宜为20m-50m，在短边中点设置一个监测孔，主要是考虑到，地下水位在基坑开挖过程中，能更好的监测到“漏斗”状降低现象，防止两段水位一致，而认为中间段水位没有降低的现象发生，地下水位测点埋设过程中，测点布置在围护结构外2m处，因为太靠近了围护结构，测点会伴随支护结构变形，通过在现场的经验发现，距离2m左右的测点，在基坑开挖中，保持良好预留沉淀段，主要是为了用来沉积滤水段带入的少量泥砂，因为水中泥沙含量过多，会对监测数据有影响，在确保测点位置无地下管线后，利用地质钻机成孔，孔深要求打穿潜水含水层，但不得穿透下部隔水层，水位管的制作过程为：在Φ70mmPVC管管底加盖密封，防止泥砂进入管中，下部留出0.5m-1m的沉淀段(不打孔)，用来沉积滤水段带入的少量泥砂，中部管壁周围钻出Φ6mm左右的滤水孔，纵向孔距400mm,呈梅花状布置，管壁外部包扎过滤网，过滤层可选用土工织物或滤网，上部再留出0.5m-1m作为管口段(不打孔)，以保证封口的质量，当钻至设计深度后，孔内分节下放水位管，管节之间刷PVC胶水用直通连接，并做好现场文明施工，管壁与孔壁之间用净砂回填至离地表0.5m处，再用粘土进行封填，以防地表水流入，场地硬化后，将管口降低至地面，将传感器及传输导线放入水位管内，观测仪器自动化水位监测采用孔隙水压力传感器，即渗压计，如型号为MAS-KY06等。

将孔隙水压力传感器及传输导线放入水位管包括：

安装前，取下仪器端部的透水石，在钢膜片上涂一层黄油或凡士林以防生锈，以避免堵孔，水位计置入由反滤料制成的滤体纱包内，安装前需将仪器在水中浸泡2h以上，使其更好达到饱和状态；

监测孔内传感器外套柔质护套，护套内加入适量福尔马林的溶液，护套口扎于传感器引线电缆上，将传感器和渗流水彻底隔离，从而达到传感器防钙化目的；

将传感器放入测压管中，直至浸入水中，同温两小时后进行测量，每隔五分钟测量一次，连续测量两次测值相同，即仪器与水同温，将传感器提出水面，处于水面位置用读数仪进行测量并记录作为基准值，再将传感器安装至设计位置，记录高程值；

要保证钢丝绳牢固地固定在水位管的顶部，否则由于水位计滑入测井将引起读数的误差，如果在测压管上用了管口塞，要避免管口塞切破电缆的护套。

所述步骤S2中，孔隙水压计主要由透水石、承压膜、振弦、夹弦器以及线圈组成，其中承压膜与振弦相连，振弦上被预加一定张力固定于传感器内，根据经典弦原理，振弦在弦长及受力一定情况下，其固有频率是固定的，当弦长一定时，振弦固有频率的平方只同弦的张力成正比关系。即：

式中：f为振弦的振动频率；L为振弦的长度；p为振弦的线密度；σ为振弦所受的张拉应力，进行换算后得到：

σ＝4pL²f²＝E_弦ε (2)

传感器出厂前的初始应力σ₀，对应一个初始频率f₀，当传感器受力状况变化后，振弦应力为σ₁，对应的频率变为f₁，由公式(3)知振弦所受应变的变化量为：

当外界水压通过透水石作用于孔隙水压力传感器承压膜中心扰度发生变化，从而引起与承压薄膜中心连接的振弦发生形变，承压膜中心扰度变化量为：

式中：Δw为承压膜扰度变化量；ΔP为承压膜所受压强变化量；V_膜为承压膜的泊松比；R_膜为圆形承压膜的半径；E_膜为承压膜的弹性模量；h_膜为承压膜的厚度，由承压膜扰度引起的振弦应变变化量为：

将公式(4)和(5)代入公式(6)，可推算压强变化量ΔP与频率的关系为：

对于孔隙水压力讨，根据静水条件下孔隙水压力的计算公式：

P＝ρ_水gh_水 (8)

式中：P_水为孔隙水的密度；h_水为从孔隙水压力计算起的水头高度；

设孔压计无负载时频率初始值，由公式(7)和(8)可推算孔压计安装位置处的水头高度与频率的关系：

由公式(9)发现，除频率外，其他参数在孔隙水压力计出厂时均已经固定，水头高度的变化仅与频率变化有关系，即：

Δh＝k×(f₁ ²-f₀ ²)(10)

数据提取主要通过振弦采集仪内的激振电路驱动振弦式传感器的感应线圈产生磁场，从而触发传感器内的钢弦使其产生振动，钢弦振动后会按照一定的频率切割感应线圈产生的磁场，并在感应线圈中生成相同频率的感应电势，通过采集仪内的拾取电路拾取到这组信号，并经由滤波电路、信号放大电路、整形电路传输给单片机，由单片机对信号进行分析处理，得出传感器的输出频率。

通过上述数据处理，可对采集传感器的输出频率进行后台自动计算水位变化量。

所述步骤S3中，数据服务器主要包括知物云、网关设备等设备，其中知物云进行数据显示、数据存储中心，客户端接口等功能；网关设备是承接知物云与底层网络的中间设备，实现数据服务器与数据中心通信交互、数据存储、协议转换等，数据传输系统采用分布式系统，指底层的无线节点通过自组建的无线网络将采集的数据传送至无线网关，知物云即可从网关直接读取采集数据的一种智能全无线系统。

现场实际情况复杂多变，系统的安装部署是可以灵活变通的，为了保证相对长的传输距离，同时通信质量高，节点工作寿命长，无线节点安装时包括：

通过方形套管底部法兰通孔用记号笔在地表描出四个安装孔位置，然后移开方形套管；

在电锤钻头上用记号笔或胶带标记出钻孔深度，钻孔深度应为膨胀螺丝底部至顶部螺母下边沿长度，电锤选用直径Φ16mm钻头，并在上述步骤标记的固定点处钻取安装孔；

用气吹把安装孔内杂质及灰尘吹出，然后利用铁锤把M12膨胀螺栓轻敲塞入安装孔内，接着把螺冒拧紧2-3圈后感觉膨胀螺栓比较紧而不松动后拧下螺冒，再把方形套管底部法兰圆孔对准膨胀螺丝嵌入(同时注意方形套管带记号面朝正南方向)，然后逐个安装膨胀螺丝垫片、弹簧片及并拧紧。

各传感器线缆对接完毕后，把传感器线缆从方形管顶部出线孔引出，然后把两个分布式节点设备用M5螺丝紧固于安装板上，且两个分布式节点设备上太阳能电池板位于同一侧，接着把安装板通过M8螺丝固定于方形套管顶部，注意分布式节点设备上太阳能电池板与方形管记号面同侧面朝正南方向。

所述步骤S4中，显示终端主要包括移动设备、固定设备及现场大屏等，通过信号传输技术将地下水监测结果，传输至显示终端，方便项目不同参与人员获取地下水的实时监测结果，当现场地下水监测数值异常时，将发出警报鸣笛声或智慧大屏直接显示的形式提醒现场作业人员，大大提高了地下水监测的效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1：布置测点，埋设地下水位测点，放置传感器；

S2：现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率并计算水位变化量；

S3：将采集的数据通过传输系统传输至数据服务器并读取数据；

S4：通过信号传输技术将地下水检测结果传输至显示终端。

2.根据权利要求1所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述S1具体步骤包括：

在围护结构外2m处布置测点，每个基坑沿长边约20m-50m布置一个测孔，短边中点布置一个测孔；

确保测点位置无地下管线后，利用地质钻机成孔，并制作水位管，地质钻机钻至设计深度后，孔内分节下放水位管，管节之间刷PVC胶水用直通连接，管壁与孔壁之间用净砂回填至离地表0.5m处，再用粘土进行封填，场地硬化后，将管口降低至地面，将孔隙水压力传感器及传输导线放入水位管内。

3.根据权利要求2所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述水位管制作过程包括：

在Φ70mmPVC管管底加盖密封，下部留出0.5m-1m的沉淀段，中部管壁周围钻出Φ6mm左右的滤水孔，纵向孔距400mm,呈梅花状布置，管壁外部包扎过滤网，上部再留出0.5m-1m作为管口段。

4.根据权利要求2所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述将孔隙水压力传感器及传输导线放入水位管内具体步骤包括：

安装前取下仪器端部的透水石，在钢膜片上涂一层黄油或凡士林，孔隙水压力传感器置入由反滤料制成的滤体纱包内，安装前将仪器在水中浸泡2h以上至其达到饱和状态；

监测孔内孔隙水压力传感器外套柔质护套，护套内加入适量福尔马林的溶液，护套口扎于传感器引线电缆上，将孔隙水压力传感器和渗流水彻底隔离；

将孔隙水压力传感器放入测压管中，直至浸入水中，同温两小时后进行测量，每隔五分钟测量一次，连续测量两次测值相同，将传感器提出水面，处于水面位置用读数仪进行测量并记录作为基准值，再将传感器安装至设计位置，记录高程值。

5.根据权利要求1所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述S2中现场数据处理中心提取数据得出传感器输出频率具体步骤包括：

通过振弦采集仪内的激振电路驱动振弦式传感器的感应线圈产生磁场，触发传感器内的钢弦使其产生振动，钢弦振动后按照一定的频率切割感应线圈产生的磁场，并在感应线圈中生成相同频率的感应电势，通过采集仪内的拾取电路拾取到这组信号，并经由滤波电路、信号放大电路、整形电路传输给单片机，由单片机对信号进行分析处理，得出传感器的输出频率。

6.根据权利要求1所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述S2中现场数据处理中心计算水位变化量具体步骤包括：

将振弦固有频率的平方同弦的张力成正比关系的公式，即：

式中：f为振弦的振动频率；L为振弦的长度；p为振弦的线密度；σ为振弦所受的张拉应力，进行换算后得到：

σ＝4pL²f²＝E_弦ε (2)

传感器出厂前的初始应力σ₀，对应一个初始频率f₀，当传感器受力状况变化后，振弦应力为σ₁，对应的频率变为f₁，由公式(3)知振弦所受应变的变化量为：

当外界水压通过透水石作用于孔隙水压力传感器承压膜中心扰度发生变化，从而引起与承压薄膜中心连接的振弦发生形变，承压膜中心扰度变化量为：

式中：Δw为承压膜扰度变化量；ΔP为承压膜所受压强变化量；V_膜为承压膜的泊松比；R_膜为圆形承压膜的半径；E_膜为承压膜的弹性模量；h_膜为承压膜的厚度，由承压膜扰度引起的振弦应变变化量为：

将公式(4)和(5)代入公式(6)，可推算压强变化量ΔP与频率的关系为：

对于孔隙水压力讨，根据静水条件下孔隙水压力的计算公式：

P＝ρ_水gh_水 (8)

式中：P_水为孔隙水的密度；h_水为从孔隙水压力计算起的水头高度；

设孔压计无负载时频率初始值，由公式(7)和(8)可推算孔压计安装位置处的水头高度与频率的关系：

由公式(9)发现，除频率外，其他参数在孔隙水压力计出厂时均已经固定，水头高度的变化仅与频率变化有关系，即：

Δh＝k×(f₁ ²-f₀ ²) (10)

最后可对采集传感器的输出频率进行后台自动计算水位变化量。

7.根据权利要求1所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述步骤S3中数据服务器包括知物云和网关设备，所述传输系统中底层的无线节点通过自组建的无线网络将采集的数据传输至无线网关，知物云从无线网关直接读取采集数据。

8.根据权利要求7所述的一种基坑施工地下水位监测方法，其特征在于：所述传输系统中底层的无线节点具体安装过程包括：

通过方形套管底部法兰通孔用记号笔在地表描出四个安装孔位置，然后移开方形套管；

在电锤钻头上用记号笔或胶带标记处钻孔深度；

用气吹把安装孔内杂质及灰尘吹出，然后利用铁锤把M12膨胀螺栓轻敲塞入安装孔内，接着把螺帽拧紧2-3圈后感觉膨胀螺栓比较紧而不松动后拧下螺帽，再把方形套管底部法兰圆孔对准膨胀螺丝嵌入，然后逐个安装膨胀螺丝垫片及弹簧片并拧紧；

待各传感器线缆对接完毕后，把传感器线缆从方形管顶部出线孔引出，然后把两个分布式节点设备用M5螺丝紧固于安装板上，接着把安装板通过M8螺丝固定于方形套管顶部。