基坑降水运行管控指标及风险管控系统建设.pdf

年 月上第 卷 第 期施工技术（中英文）：基坑降水运行管控指标及风险管控系统建设陆建生，（上海广联环境岩土工程股份有限公司，上海；上海地下水综合治理工程技术研究中心，上海）摘要 基坑降水运行管控不当是发生事故的重要原因之一，为提高降水运行管控水平，分析运行管控的水位指标及引起异常变化的源、径、排因素，针对可能的原因提出排因方面的辅控指标。根据水位控制目的差异，将水位分为基于基坑安全的第 类水位和基于环境安全的第类水位，并提出相应的合理水位计算方法及预警体系，依据有效性、时效性及可持续性原则，开发基坑地下水控制风险管控系统，降低降水运行风险，并取得良好效果。关键词 基坑；风险；管控；安全；预警；施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，：；上海市科委科研计划（）作者简介 陆建生，总工程师，高级工程师，：收稿日期 引言 基坑降水被广泛应用于工程建设中，且地下水流失成为地下水排泄的重要途径，影响地下水资源和工程周边环境平衡。我国于 年 月出台地下水管理条例，对基坑降水运行管理提出严格要求。近 年内，隔、降、灌、排等措施被综合应用于地下水控制中。通过井构造设计、平面设计、运行管控设计，基坑降水一定程度上实现了基坑安全和环境安全的目标，减少了因地下水控制不当引起的事故。但因地下水控制不当引起的事故时有发生，其中基坑降水运行管理不当是重要原因之一，如因断电引起基坑突涌，未及时抽水后导致流土、流砂等事故。基坑按照按需降水的控制理念，采用实测水位不高于安全水位的原则进行管控，但针对按需理念的定量化合理水位控制及预警存在应用差异，对建立可靠的地下水风险管控系统形成阻碍。部分工程采用水位自动化及相应管理系统，提高降水运行管理的精细化水平和动态管控水平。本文对基坑降水运行管控指标及预警体系进行探讨，在此基础上建设基坑地下水风险管控系 施工技术（中英文）第 卷统，以完善预警体系和应急响应体系，提高地下水管控水平。基坑降水运行数据类别 目前地下水开采采用取水总量控制和水位控制的双控模式。基坑地下水通过隔水、降水、导水、回灌及降水工期控制等综合措施实现双控目标，水位控制设计包括工程安全水位和环境安全水位的双合理水位设计。在地下水控制设计阶段，两者均为主动控制性指标；在基坑降水水位设计中，工程安全水位为主动控制性指标，环境安全水位为被动适应性指标，这是地下水控制设计和基坑降水设计的重大区别。在回灌设计中，环境安全水位控制具有一定主动控制性，本文分析的是有别于地下水控制设计的基坑降水运行指标管控。从狭义分工角度看，基坑降水运行涉及数据主要包括水位、流量、含砂量、设备状态、电路状态等。从广义的工程安全角度看，运行数据还应包括围护结构变形、坑底隆起、孔隙水压力、地面沉降、建（构）筑物变形等监测数据以及现场巡视信息等。综合上述信息进行全面分析，才能对地下水控制工程做出全面、合理的预警和应急响应。本文从狭义的基坑降水概念去探讨运行管控。基坑降水最重要的目标是工程安全水位满足标准及设计需求，水位是主控指标。水位突发异常或不达标是基坑事故发生的诱因。针对某特定降水目的含水层，依据抽水井、目的含水层和基坑边界，将导致水位异常的原因分为源、径、排，将多个目的含水层的基坑分别划分区域，如图 所示。图 目的含水层划分 ）源因 将基坑目的含水层作为研究本体，即水源补给或排泄发生变化的因素，如止水帷幕渗漏、含水层串通、地表水回渗、其他工程降水影响等。）径因 指基坑目的含水层至抽水井范围内，引起目的含水层水位变化的因素，如降水井井损、地层细颗粒流失、地层变形等。）排因指抽水井外排流量变化引起基坑目的含水层水位变化的因素，如电路异常、设备异常、井内回流异常等。应监控水位与辅控指标，即单井流量、动水位、单位涌水量、含砂量、设备状态（主要指抽水设备及辅助抽水设备的开启与关闭）、电路状态等，以快速发现水位异常并找到原因。应从空间和时间角度分析同类型抽水井单位涌水量的差异，并提供预警信息。含砂量与基坑变形、渗透变化、降水井抽水可持续性具有明显相关性，应进行管控。基坑降水类型及水位分类 基坑降水运行中，合理的水位确定与基坑降水类型、运行工况及观测井类型有关。根据竖向隔水帷幕底与降水井滤管底的差异，将基坑降水分为封闭型降水、悬挂型降水和敞开型降水。）封闭型降水指竖向隔水帷幕完全隔断降水目的含水层，其降水井布设于坑内，坑内与坑外观测井水位变化无法通过计算获得定量关系。竖向隔水帷幕虽然形式上完全隔断含水层，但含水层水平向和竖向仍存在渗漏的可能。超深基坑中的封闭型降水使竖向隔水帷幕两侧形成水头差，大大提高坑外补给量，扩大帷幕缺陷风险。）悬挂型降水指竖向隔水帷幕部分进入降水目的含水层，且降水滤水管底浅于竖向隔水帷幕底，其降水井布设于坑内，坑内与坑外观测井水位变化可通过计算给出定量关系。竖向隔水帷幕对基坑内外地下水渗流的阻隔效应主要与竖向隔水帷幕深度、降水井结构、基坑尺度、含水层厚度、含水层渗透性等相关。）敞开型降水指无隔水帷幕或降水滤水管底深于竖向隔水帷幕底，其降水井可布设于坑内或坑外，坑内与坑外观测井水位变化可通过理论计算给出定量关系。隔水帷幕进入降水目的含水层，如直接按坑外观测井水位指导降水运行，可能存在过度降水问题。根据控制目的差异，水位分类如下：第类 用以观测目的含水层水位是否满足降水需求的基坑安全类水位；第类用以观测目的含水层受降水影响，周边建（构）筑物水位变化的环境安全类水位。这两类水位因控制目的、水文地质条件、围护形式等差异，在地下水合理水位确定中存在差异，上、下限水位内涵不同。两类水位区分如表 所 陆建生：基坑降水运行管控指标及风险管控系统建设 示，其中敞开型降水的坑外观测井应根据设计目的进行分类。表 水位分类 降水井布设封闭型降水类型悬挂型降水类型敞开型降水类型坑外观测井第类第类第，类均有可能坑内观测井第类第类第类 基于基坑安全的第类水位管控 基于基坑安全的第类水位管控主要目的如下：疏干开挖范围内土体中的地下水或降低土体含水量，方便坑内施工作业；降低下部承压含水层水位，防止基坑底部突涌，确保基坑底板稳定性。安全水位埋深可根据开挖深度与目的含水层层顶的关系及所处工况差异分成 种，如图 所示。图 安全水位埋深计算简图 当基坑开挖面高于目的含水层层顶的距离不小于一定高度（），或基坑处于回筑阶段时，安全水位埋深计算如下：（）（）式中：为对应工况下一定安全系数的安全水位埋深（）；为基坑顶面标高（）；为目标含水层层顶标高（）；为不同土层重度（）；为不同土层厚度（）；为开挖面至目的含水层层顶范围内的土层重度之和（）；为基坑底面增加的附加荷载（），如结构荷载、抗拔荷载及压重荷载等，开挖阶段 一般取，在水下开挖时 取相应水荷载；为基坑抗突涌安全系数，设计计算时可根据地方标准确定，一般按 或 取值；为地下水重度（）。为开挖面至目的含水层层顶范围内土层高度之和（）；为目的含水层上覆最低土层厚度（），一般取。当基坑开挖面高于目的含水层层顶的距离小于一定高度（），或开挖面低于目的含水层层顶且高于层底距离 时，安全水位埋深计算如下：（）式中：为基坑开挖面标高（）；为目标含水层层底标高（）；为安全水位控制幅值（），可根据地方标准确定，一般为，。当基坑开挖面高于目的含水层层底距离 或开挖面低于含水层层底时，安全水位埋深计算如下：（）式中：为含水层疏干滞水高度（），可按 值取值。目前第类水位管控采用按需理念，即实测水位埋深不小于对应工况下式（），（），（）中的计算值，且无限接近该计算值，如表 所示的方法。表 第类水位预警方法分类 方法判断式意义预警方法 实降深不足，基坑有施工安全风险红色实降水处于安全范围内，但超降判断模糊绿色方法 实上降深不足，基坑有施工安全风险红色下实上降水处于安全范围内绿色实下降深过多，可能加重环境风险黄色 注：为标准规定的理论计算值；上为设定的安全水位埋深上限值，即最小埋深值；下为设定的安全水位埋深下限值，即最大埋深值；实为实测水位埋深针对上述困惑，在实际管控中通过设立安全水位埋深上、下限值实现 级预警，如表 所示的方法，其中红色表示基坑出现安全风险，需立即做出应急响应；绿色表示处于安全范围内；黄色表示存在一定环境风险，需综合判定后下达是否调整的命令。上，下可直接在 基础上给出一定降水幅度值，也可根据标准、地区经验、含水层特性、水文特性、降水类型、工况特点、周边环境等综合设定 和 值。工程开挖回筑阶段可分别选用不同的，值，对于安全水位埋深上限是否直接采用标准 施工技术（中英文）第 卷规定的计算值值得进一步探讨，应根据实际经验适当降低，为不与标准有明显冲突，设置预警体系时可涵盖 套方法，便于工程师综合判定。基于环境安全的第类水位监控 第类水位主要目的为观测坑外水位随坑内降水下降的幅度，预判环境风险和渗漏风险，其水位变化主要基于第类水位变化。预警体系建设中该水位预警划分如表 所示，相比第类，最大差异为红色预警表示降深过大，同时在方法 中水位出现异常升高的现象，作为黄色预警。红色预警为非严格禁止项，应结合第类水位值和环境变形值进行进一步分析，视结果开展补救措施，但补救过程中必须确保第类水位满足要求。黄色预警用于控制回灌水位、探寻水位异常变化。表 第类水位预警方法分类 方法判断式意义预警方法 实水位降深幅度可接受绿色实水位降深过大，影响环境安全红色方法 实上水位高于理论最高安全水位黄色下实上水位变幅处于可接受范围内绿色实下水位降深过大，影响环境安全红色为有效预警第类水位异常变化，上，下，应依据围护结构与降水的关系、环境保护要求、回灌目的等因素进行预警设定。封闭型降水原则上水位不变，不同地区、不同施工条件下，可在初始水位基础上，设置一定安全幅度，如表 所示。表 第类水位阈值设定 参数降水类型封闭型降水悬挂型降水敞开型降水上下表 中，为观测井自然水位埋深（），自然波幅较大时，应考虑时间函数；为对应第类观测井水位降深值（），即 实；为第类观测井与第类观测井水位降深比率，可通过数值法或试验法获得，敞开型基坑可通过解析法获得；可通过数值计算直接确定不同工况下的第类水位降深值；，为封闭型降水在不同安全限值下的降深幅度值，应根据当地水位地质条件、围护施工等因素综合确定。，为悬挂型和敞开型降水在不同安全阙值下的降深幅度值，应根据当地水位地质条件、围护施工等因素综合确定。针对悬挂型降水和敞开型降水，因第，类水位降深存在定量关系，可通过第类水位降深乘以定量系数比，以确定不同工况下的第类水位阈值。降水与回灌下的第类水位阈值参考文献。基于水位控制的风险管控系统建设 基于水位指标分析与设定，建立基坑地下水风险管控系统，基于大数据架构实现地质、工程结构、水位、流量、水质、环境变形等信息的采集、归集、显示、共享、交换及在线数据流转审批功能，实现单项目和多项目的综合管控，以应用于不同管理层级，实现地下水全流程管控，实现个人任务信息管理与分配，完成工程数据库建设，实现地下水智能化管控。其中水位运行管控流程主要包括数据采集、显示、预警、反馈处置。数据采集 数据采集包括基础数据及工况数据。基础数据主要包括降水井设计参数、止水帷幕信息、水文地质条件、钻孔及土层信息等不随工况变化的数据。工况数据主要指开挖深度、附加荷载、水位数据、流量数据和变形数据等随开挖工况变化而变化的数据。在基坑降水运行过程中，若地下水位或流量异常，人工 次 或 次 监测往往难以捕捉异常事故，出现无数据或数据杂乱难以反推的问题，故应对降压井水位与流量进行自动化实时采集。数据显示与预警 数据显示包括工程现场和系统软件显示。预警系统包括现场物理报警、短消息报警、系统统计报警等。建立预警系统首先输入开挖深度或附加荷载，根据式（）或（）或（）自动确定坑内外观测井的合理值，然后进行预警判断。应急反馈 应急反馈包括人与设备的应急反馈系统。人的应急反馈系统主要通过预设不同层级的应急短信和电话提醒，达到人的及时反馈。设备应急反馈系统主要包括抽水设备的开启与关闭、备用电路与抽水设备的联动开启、双电源自动切换系统。降水井自动开启与关闭系统依据观测井设定的安全区间开启与关闭降水井，可通过流量变频装置，结合水位安全区间调控水位，使按需降水更 陆建生：基坑降水运行管控指标及风险管控系统建设 可靠。双电源自动切换系统指当现场一路电源停止工作时，自动连通另一路电源，并有序开启降水井。在数据采集、显示、预警和应急系统建设中，应关注数据有效性、反馈时效性及系统工作可持续性。数据有效性指数据的准确性，自动化监测不仅关注传感器精度与使用范围，且应重视数据采集过程中可能产生的误差，如数据线损坏、传感器移位等。应急反馈时效性与数据采集时效性紧密相关，数据采集发送多采用定时采集、增加采集频率完成，并使用变幅和频率双控数据触发模式。系统工作可持续性指维持系统硬件和软件系统正常工作的能力，包括系统服务器的可持续工作能力与数据采集端、数据发送端、报警供电的保障性，主要包括电和电信号的保障。结语 针对降水运行的风险管控措施，提出主控指标及源、径、排影响因素，针对可能的原因提出排因方面的辅控指标。根据水位观测目的差异性，基于基坑安全分为第，类水位，并给出合理水位的计算方法，提出相应预警体系。在上述工作基础上，开发基坑地下水控制风险管控系统，同时指出在系统建设时应注重数据的有效性、反馈时效性及系统工作的可持续性。目前地下水风险管控系统中尚无全智能预判与管控专家系统，在工程实践中建议结合系统建立信息管控组织，进一步分析数据，促进智能专家系统建设。参考文献：姚天强，石振华基坑降水手册北京：中国建筑工业出版社，：，刘国彬，王卫东基坑工程手册 版 北京：中国建筑工业出版社，：，吴林高，朱雁飞，娄荣祥，等深基坑工程承压水危害综合治理技术北京：人民交通出版社，：，陆建生基坑工程地下水控制管理若干问题施工技术，（）：，（）：，朱雁飞深基坑工程中承压水危害的综合治理方法（上）上海建设科技，（）：（），（）：王昆泰，胡立强，吕凯歌悬挂式帷幕条件下基坑渗流特性的计算分析建筑科学，（）：，（）：王建秀，郭太平，吴林高，等深基坑降水中墙井作用机理及工程应用地下空间与工程学报，（）：，（）：宗露丹，徐中华，王卫东软土超深大基坑工程施工监测分析施工技术（中英文），（）：，（）：，陆建生悬挂式帷幕基坑地下水控制中的尺度效应工程勘察，（）：，（）：陆建生深基坑水平止水帷幕无压性地下水控制设计及实践钻探工程，（）：，（）：华东建筑设计研究院有限公司，上海建工集团股份有限公司基坑工程技术标准：上海：同济大学出版社，：，北京市勘察设计研究院有限公司，北京城建科技促进会城市建设工程地下水控制技术规范：北京：中国建筑工业出版社，：，赵辉，陈文芳，崔亚莉中国典型地区地下水位对环境的控制作用及阈值研究地学前缘，（）：，（）：陆建生基坑工程管井回灌优化设计探讨钻探工程，（）：，（）：