水利工程基坑在線監(jiān)管系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用示范

葛瑛芳 ，樊春龍 ，沙勇華

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全管理中心，浙江 杭州 310012；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310008；3.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

水利涉及民生國計，水利工程事關(guān)人民生產(chǎn)與生活，是保障社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。對照浙江高質(zhì)量發(fā)展要求和人民群眾對美好生活的新期盼，水利工程保障體系仍然存在短板與不足，《浙江省水安全保障“十四五”規(guī)劃》明確，十四五期間浙江省將以每年600 億元投資持續(xù)強(qiáng)化水利工程建設(shè)，形成與省域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)相適應(yīng)的水利工程格局，努力構(gòu)建高水平的現(xiàn)代水利工程體系。

隨著極端氣候高頻次出現(xiàn)，對水利工程的防洪御潮能力提出更高要求，閘（泵）站作為重要的工程措施在抵御洪澇災(zāi)害中發(fā)揮巨大作用，也是水利工程建設(shè)的重點(diǎn)項目。基坑作為閘（泵）站的工程基礎(chǔ)，既是工程質(zhì)量與安全的重要部位，也是工程質(zhì)量與安全監(jiān)管的關(guān)鍵內(nèi)容，其穩(wěn)定性與可靠性是施工過程的重中之重。

基坑是在設(shè)計位置按基底標(biāo)高和基礎(chǔ)平面尺寸所開挖的土坑，施工內(nèi)部包括開挖、圍護(hù)、支撐等內(nèi)容。水利工程基坑具有鄰水、軟土地基等特點(diǎn)。施工區(qū)域較房建、交通工程具有不同的工程地質(zhì)和水文條件，且周邊環(huán)境呈現(xiàn)復(fù)雜性、隱蔽性等特點(diǎn)，因此，水利工程基坑易發(fā)多發(fā)安全事故，是安全監(jiān)管的重點(diǎn)部位，亟需提高基坑監(jiān)測的能力水平，有效防范基坑施工風(fēng)險，確保工程安全施工。

目前，水利工程基坑監(jiān)測是確保施工安全的重要手段，監(jiān)測內(nèi)容包括位移、沉降、傾斜度等。通過在基坑及周邊布設(shè)測斜儀、水準(zhǔn)儀、水位儀等觀測設(shè)備，通過人工每日觀測讀數(shù)，分析研判基坑施工安全狀況。由于無法實(shí)時獲取基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑安全預(yù)測預(yù)警能力明顯不足，亟需構(gòu)建一套水利工程基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)，為實(shí)時掌握基坑安全狀態(tài)，對安全隱患及時作出防御性措施，切實(shí)保障施工人員安全和工程安全[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 主要目標(biāo)與設(shè)計原則

水利工程基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測設(shè)備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口和技術(shù)規(guī)范研究，實(shí)現(xiàn)終端感知設(shè)備互聯(lián)互通，并通過典型基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，確定基坑施工過程中的主要影響因子并建立基坑動態(tài)風(fēng)險評估體系，研發(fā)形成水利工程基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)，為在建水利工程基坑施工安全監(jiān)管提供有效手段，強(qiáng)化工程施工管理，確保在建基坑工程施工安全。

按照系統(tǒng)應(yīng)用的場景要求，系統(tǒng)設(shè)計主要考慮以下原則：①兼容性。系統(tǒng)通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口兼容主流測量設(shè)備，滿足前端數(shù)據(jù)匯集上傳要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與多種終端監(jiān)測設(shè)備連通。②科學(xué)性。系統(tǒng)根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，對單項監(jiān)測指標(biāo)超限預(yù)警，結(jié)合工程實(shí)踐，構(gòu)建基坑風(fēng)險監(jiān)測模型，對基坑安全穩(wěn)定狀況進(jìn)行動態(tài)科學(xué)評價。③友好性。系統(tǒng)可在計算機(jī)、手機(jī)、平板等多種終端運(yùn)行，為不同用戶提供各類載體使用，方便用戶實(shí)時查詢，提高系統(tǒng)使用便捷性。

系統(tǒng)按照浙江省數(shù)字化改革“四橫四縱”總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計?！八臋M”分別是業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、應(yīng)用支撐體系、數(shù)據(jù)資源體系和基礎(chǔ)設(shè)施體系；“四縱”分別是政策制度體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、組織保障體系和網(wǎng)絡(luò)安全體系。本系統(tǒng)以問題為導(dǎo)向、需求做牽引，謀深謀實(shí)3 張清單。通過梳理深基坑監(jiān)管中的實(shí)時數(shù)據(jù)獲取難、安全態(tài)勢感知難、預(yù)警信息閉環(huán)難的需求清單，形成深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化采集、預(yù)警識別、預(yù)警研判、預(yù)警管控的4 項場景清單，最終得到深基坑工程預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)警閉環(huán)處置流程等一系列改革清單。

系統(tǒng)按應(yīng)用場景設(shè)置監(jiān)管端和業(yè)務(wù)端。監(jiān)管端以通過監(jiān)管駕駛艙和監(jiān)管一張圖掌握全省深基坑建設(shè)安全狀態(tài)為最終目的，利用概化圖展示各類基坑工程的分布情況及安全研判狀態(tài)，形成全域安全態(tài)勢整體感知、單個工程預(yù)警一查到底的2 個小切口場景。對全省水利深基坑工程的分布情況、監(jiān)測感知設(shè)備運(yùn)行情況、工程規(guī)模等基礎(chǔ)信息、工程概化展示等信息進(jìn)行統(tǒng)計展示，實(shí)現(xiàn)基坑工程整體穩(wěn)定系數(shù)評定、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警詳情查看、預(yù)警研判等功能。

業(yè)務(wù)應(yīng)用分為監(jiān)管端和法人端。監(jiān)管端包括綜合監(jiān)管一張圖、工程管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、預(yù)警管理中心、監(jiān)測設(shè)備管理、工單管理、系統(tǒng)設(shè)置等模塊。法人端包括工程監(jiān)測信息一張圖、工程信息管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、預(yù)警管理中心、工單管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入等模塊。系統(tǒng)通過自動獲取各工程監(jiān)測項目的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗后入倉，對部分暫時缺乏自動化監(jiān)測手段的項目輔以人工數(shù)據(jù)填報。2 類數(shù)據(jù)均可經(jīng)過深基坑安全研判模型實(shí)時研判，對每個工程都會產(chǎn)生藍(lán)黃橙紅四級評定，并根據(jù)預(yù)案進(jìn)行不同的流程處置。

1.2 主要功能模塊

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

基坑建設(shè)涉及到的監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)主要有支撐軸力、土體深層水平位移、沉降、水平位移、水位監(jiān)測等5 類數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)采集可以通過成熟的監(jiān)測設(shè)備獲取。目前，監(jiān)測設(shè)備傳輸模塊支持分布式網(wǎng)絡(luò)化測量、單次測量、連續(xù)測量、分段定時測量、測量數(shù)據(jù)預(yù)存儲，再上傳進(jìn)行交互等多種測量方式。分布式模塊化自動測量單元有 RS485、4G、以太網(wǎng)等多種通信方式，內(nèi)置大容量存儲器，通過顯示屏和操作面板支持人工比測、 藍(lán)牙交互調(diào)試[2-3]。

基于主流監(jiān)測設(shè)備接口協(xié)議，項目自主研發(fā)自動測量采集終端。該自動測量采集終端由機(jī)箱、主控模塊、電源模塊、可插拔式4 個測量模塊以及避雷模塊等組成，可實(shí)現(xiàn)RS485、4G、以太網(wǎng)等方式傳輸，能夠防雷、防靜電、防瞬變脈沖等，并可自動測量振弦、差阻、模擬量、485 等信號，支持切換采集獨(dú)立模塊，直接通過無線或者有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中展示和分析統(tǒng)計，包括水平位移、地下水位、支撐軸力、沉降位移以及測斜等[4]，可以展示各監(jiān)測項目的監(jiān)測點(diǎn)位及詳情、實(shí)時監(jiān)測值以及歷史數(shù)據(jù)等，設(shè)置多條件選擇項，可按用戶需求實(shí)現(xiàn)不同點(diǎn)位數(shù)據(jù)展示，并支持各類檢索統(tǒng)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

1.2.3 監(jiān)測預(yù)警

根據(jù)監(jiān)測閾值支持設(shè)置自定義預(yù)警值，可在一張圖中展示水位、測斜、軸力等監(jiān)測項目的預(yù)警信息，并推送預(yù)警信息至相關(guān)用戶進(jìn)行警示。根據(jù)基坑風(fēng)險預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，綜合顯示預(yù)警信息，并按照“紅黃橙藍(lán)”四色預(yù)警規(guī)則實(shí)時變化基坑風(fēng)險標(biāo)識，并提供預(yù)警信息處置功能。觸發(fā)風(fēng)險預(yù)警后將自動發(fā)送預(yù)警信息至項目法人及建設(shè)單位，建設(shè)單位根據(jù)風(fēng)險提示制訂整改方案并經(jīng)法人單位審核后消除預(yù)警信息[5]。

1.2.4 綜合監(jiān)管

以浙江省水利一張圖為底圖，匯總展示各工程的空間分布情況、工程安全研判狀態(tài)、工程列表信息、基坑風(fēng)險統(tǒng)計信息以及深基坑風(fēng)險排序，為管理者提供掌控平臺。模塊同時提供單個基坑工程監(jiān)管功能，匯集基坑測斜、地下水位、水位位移、沉降、支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合基坑工程安全研判模型，對有風(fēng)險的工程提前預(yù)警。

2 應(yīng)用示范案例

以大治河排澇閘站為試點(diǎn)，對系統(tǒng)功能進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的試驗(yàn)成果與工程建設(shè)過程中的各項指標(biāo)保持高度一致，為推廣示范系統(tǒng)功能提供有力支撐。

2.1 工程概況

大治河排澇閘站改建工程位于錢塘江右岸下沙大橋下游約530 m，大治河與錢塘江交匯口，老大治河排澇閘下游30 m 處。改建后的閘站為閘泵結(jié)合的綜合樞紐，泵站等別為Ⅱ等大（2）泵站，總設(shè)計排澇流量100 m3/s，單機(jī)流量20 m3/s。排澇閘、泵站防洪標(biāo)準(zhǔn)為：100 a 一遇設(shè)計，300 a 一遇校核。

本工程場地平均高程為0.31～9.50 m，基坑設(shè)計高程-4.70～0.40 m?；右蚤l室和泵室為界，分為外江側(cè)和內(nèi)河側(cè)2 個基坑，其中外江側(cè)基坑尺寸為115 m×145 m（長×寬），挖深1.60～14.20 m，采用多級放坡+土釘墻的開挖支護(hù)方案。該基坑尺寸和深度均達(dá)到一定規(guī)模，是閘站工程安全施工和工程監(jiān)管的重點(diǎn)關(guān)注對象。

2.2 監(jiān)測設(shè)置

根據(jù)工程需要和相關(guān)規(guī)范要求，外江側(cè)基坑工程進(jìn)行施工期監(jiān)測工作。結(jié)合外江側(cè)基坑布置和開挖施工特征，在基坑內(nèi)部設(shè)置地下水位監(jiān)測孔10 根、基坑四周布置深層水平位移監(jiān)測孔11 根和地表垂直位移監(jiān)測點(diǎn)40 個（見圖1）。

2.3 監(jiān)測分析

2.3.1 地下水位分析

本工程采用水泥攪拌樁作為基坑外防水帷幕。防滲墻底高程為-14.60 m，深度約10.00 m?；觾?nèi)共設(shè)地下水位監(jiān)測孔10 個，編號依次為SW-01～SW-10。圖2 為監(jiān)測孔SW-10 地下水位過程線示意圖。

圖2 地下水位過程線圖

前100 d，基坑開挖至設(shè)計高度，再澆筑底板?；觾?nèi)地下水位保持在底板標(biāo)高以下；澆筑完成后，混凝土強(qiáng)度隨時間逐漸增加，后100 d 地下水位有所增加?；觾?nèi)地下水位受基坑兩側(cè)河流水位影響較小，受井點(diǎn)降水和工程進(jìn)度影響較大。

2.3.2 地表垂直位移分析

基坑周邊地表垂直位移監(jiān)測點(diǎn)主要布置在南側(cè)海堤（老閘）沿線和東側(cè)基坑地表。南側(cè)海堤沿線測點(diǎn)編號CJ-01～CJ-16，東側(cè)地表測點(diǎn)編號CJ-36～CJ-40。根據(jù)測點(diǎn)位置和沉降過程曲線特征不一，分別選取監(jiān)測點(diǎn)CJ-8、CJ-16、CJ-36 和CJ-37 進(jìn)行分析，對應(yīng)沉降曲線見圖3。

圖3 典型測點(diǎn)沉降過程曲圖

1）CJ-8 測點(diǎn)位于老閘位置，初期存在一定的沉降速率，后期趨于穩(wěn)定，180 d 累計沉降量為10 mm；CJ-16 測點(diǎn)位于基坑西南側(cè)海堤上，毗鄰施工便道，工程車輛日常通行，監(jiān)測期內(nèi)沉降量持續(xù)增加，180 d 累計沉降量為26 mm，且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。

2）CJ-36 和CJ-37 測點(diǎn)位于基坑?xùn)|側(cè)地表，靠近基坑，受開挖施工影響較大。前30 d 內(nèi)2 測點(diǎn)沉降速率較大，后期速率逐步減緩，180 d 沉降量為22～31 mm，且趨于穩(wěn)定。

3）與控制指標(biāo)相比，典型測點(diǎn)180 d 累計沉降量滿足要求，基坑施工過程對周邊土體影響在可控范圍內(nèi)。

2.3.3 深層水平位移分析

基坑四周深層水平位移監(jiān)測主要布置在基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)和西側(cè)，順時針編號為CX-01～CX-11，測斜孔起算點(diǎn)選擇為管底位置。根據(jù)測點(diǎn)位置和基坑不同區(qū)域挖深不同，選取典型監(jiān)測孔CX-4 和CX-6 進(jìn)行分析，對應(yīng)深層水平位移曲線見圖4。

CX-4 和CX-6 測孔呈現(xiàn)由管底往管頂水平位移不斷增加的特征，符合多級放坡開挖基坑變形的一般規(guī)律。測斜管往基坑內(nèi)部存在一定的水平位移變化速率，且淺層變化速率大于深層變化速率。典型測孔190 d 水平位移量為13.45～21.16 mm，累計值在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。

2.4 動態(tài)風(fēng)險評估

考慮到監(jiān)測項目繁多，根據(jù)單個監(jiān)測指標(biāo)判斷基坑安全往往具有局限性，甚至存在結(jié)論相悖的情況。利用本系統(tǒng)綜合研判模塊功能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和整合，實(shí)現(xiàn)基坑總體風(fēng)險的動態(tài)評估。

2.4.1 權(quán)重分配

通過1～9 標(biāo)度法結(jié)合專家打分的方法，對各監(jiān)測指標(biāo)兩兩之間重要性進(jìn)行打分，由此構(gòu)造出判斷矩陣A并計算獲得權(quán)重向量值w。利用一致性檢驗(yàn)CR 法判斷矩陣的合理性。

式（1）中：CR為一致性比例；CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，取0.89；λmax為判斷矩陣A的最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)，取4。

根據(jù)基坑實(shí)際情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)對主要監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行打分，見表1。

表1 監(jiān)測項目相對重要性評分表

由此得到判斷矩陣A，歸一化處理后得到權(quán)重w，分別為：

經(jīng)檢驗(yàn)，CR=0.007 ＜0.1，滿足一致性要求。

2.4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與風(fēng)險概率轉(zhuǎn)化

以各監(jiān)測指標(biāo)累計量警戒值為基準(zhǔn)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，再對量化后的指標(biāo)進(jìn)行安全分級，最終建立監(jiān)測數(shù)據(jù)與風(fēng)險概率對應(yīng)關(guān)系。一般根據(jù)警戒值的60%、70%、80%和100%作為安全分級界限，建立的分級區(qū)間與安全風(fēng)險概率對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 監(jiān)測指標(biāo)與風(fēng)險概率對應(yīng)表

各監(jiān)測數(shù)據(jù)與警戒值的比值按照上表進(jìn)行分級劃分，同時在所屬范圍內(nèi)線性差值獲得具體概率估值，則基坑總體風(fēng)險概率P由式（2）計算而得：

式中，Pi和wi分別對應(yīng)各監(jiān)測項目風(fēng)險概率估值和風(fēng)險概率權(quán)重。

2.4.3 基坑風(fēng)險等級和概率

根據(jù)GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》[6]規(guī)定，針對不同等級風(fēng)險應(yīng)采取不同的風(fēng)險處置原則和控制方案，各等級風(fēng)險的接受準(zhǔn)則應(yīng)符合表3 的規(guī)定。

表3 風(fēng)險接受準(zhǔn)則表

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際情況，基坑風(fēng)險等級與風(fēng)險概率對應(yīng)見表4。

表4 基坑風(fēng)險等級與概率對應(yīng)表

2.4.4 綜合研判

從不安全角度考慮，選擇各監(jiān)測項目監(jiān)測值最大的測點(diǎn)進(jìn)行研究，包括CJ-26 圍堰沉降測點(diǎn)、CJ-36 基坑沉降測點(diǎn)、SW-10 基坑內(nèi)部地下水位測點(diǎn)和CX-06 深層水平位移測點(diǎn)。繪制基坑風(fēng)險評估動態(tài)變化圖（見圖5）。

圖5 基坑風(fēng)險評估動態(tài)變化圖

從圖5 可以看出，隨著基坑施工進(jìn)行，基坑風(fēng)險概率逐漸增大；后期隨著開挖完成和主體結(jié)構(gòu)澆筑，基坑風(fēng)險概率漲幅有所下降，曲線趨于平緩，最終在0.43 附近。

總體而言，本工程基坑處于Ⅳ級～Ⅲ級風(fēng)險等級狀態(tài)，風(fēng)險基本可控。風(fēng)險評估結(jié)果與施工實(shí)際情況和基坑監(jiān)測情況一致。

3 結(jié) 語

本文構(gòu)建的水利工程基坑在線監(jiān)管系統(tǒng)通過植入多因素研判基坑風(fēng)險模型，為水利工程監(jiān)管方和工程建設(shè)主體提供基坑實(shí)時監(jiān)管的平臺，能實(shí)時掌握基坑安全穩(wěn)定狀況，研判基坑總體安全風(fēng)險，為水利工程安全生產(chǎn)提供有效手段。通過打造“監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、安全形式研判、預(yù)警信息管控”的閉環(huán)監(jiān)管流程，對傳統(tǒng)的深基坑監(jiān)管信息傳遞不及時，預(yù)警研判滯后的現(xiàn)狀進(jìn)行了變革。

水利工程基坑在線監(jiān)管系統(tǒng)目前已經(jīng)在大治河排澇閘站改建工程中成功運(yùn)用，實(shí)踐成果與實(shí)際工程指標(biāo)情況一致。該應(yīng)用可為其他在建水利工程的基坑數(shù)字化監(jiān)管提供一定經(jīng)驗(yàn)和探索，有效提升基坑建設(shè)管理能力與水平。