水利工程基坑在线监管系统研发及应用示范

葛瑛芳 ，樊春龙 ，沙勇华

（1.浙江省水利水电工程质量与安全管理中心，浙江 杭州 310012；2.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310008；3.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

水利涉及民生国计，水利工程事关人民生产与生活，是保障社会经济稳定持续发展的重要基础。对照浙江高质量发展要求和人民群众对美好生活的新期盼，水利工程保障体系仍然存在短板与不足，《浙江省水安全保障“十四五”规划》明确，十四五期间浙江省将以每年600 亿元投资持续强化水利工程建设，形成与省域经济社会发展和生态文明建设相适应的水利工程格局，努力构建高水平的现代水利工程体系。

随着极端气候高频次出现，对水利工程的防洪御潮能力提出更高要求，闸（泵）站作为重要的工程措施在抵御洪涝灾害中发挥巨大作用，也是水利工程建设的重点项目。基坑作为闸（泵）站的工程基础，既是工程质量与安全的重要部位，也是工程质量与安全监管的关键内容，其稳定性与可靠性是施工过程的重中之重。

基坑是在设计位置按基底标高和基础平面尺寸所开挖的土坑，施工内部包括开挖、围护、支撑等内容。水利工程基坑具有邻水、软土地基等特点。施工区域较房建、交通工程具有不同的工程地质和水文条件，且周边环境呈现复杂性、隐蔽性等特点，因此，水利工程基坑易发多发安全事故，是安全监管的重点部位，亟需提高基坑监测的能力水平，有效防范基坑施工风险，确保工程安全施工。

目前，水利工程基坑监测是确保施工安全的重要手段，监测内容包括位移、沉降、倾斜度等。通过在基坑及周边布设测斜仪、水准仪、水位仪等观测设备，通过人工每日观测读数，分析研判基坑施工安全状况。由于无法实时获取基坑监测数据，基坑安全预测预警能力明显不足，亟需构建一套水利工程基坑在线监测系统，为实时掌握基坑安全状态，对安全隐患及时作出防御性措施，切实保障施工人员安全和工程安全[1]。

1 系统设计

1.1 主要目标与设计原则

水利工程基坑在线监测系统通过监测设备的统一标准接口和技术规范研究，实现终端感知设备互联互通，并通过典型基坑监测数据分析，确定基坑施工过程中的主要影响因子并建立基坑动态风险评估体系，研发形成水利工程基坑在线监测系统，为在建水利工程基坑施工安全监管提供有效手段，强化工程施工管理，确保在建基坑工程施工安全。

按照系统应用的场景要求，系统设计主要考虑以下原则：①兼容性。系统通过构建标准数据接口兼容主流测量设备，满足前端数据汇集上传要求，实现系统与多种终端监测设备连通。②科学性。系统根据规程规范要求，对单项监测指标超限预警，结合工程实践，构建基坑风险监测模型，对基坑安全稳定状况进行动态科学评价。③友好性。系统可在计算机、手机、平板等多种终端运行，为不同用户提供各类载体使用，方便用户实时查询，提高系统使用便捷性。

系统按照浙江省数字化改革“四横四纵”总体架构进行设计。“四横”分别是业务应用体系、应用支撑体系、数据资源体系和基础设施体系；“四纵”分别是政策制度体系、标准规范体系、组织保障体系和网络安全体系。本系统以问题为导向、需求做牵引，谋深谋实3 张清单。通过梳理深基坑监管中的实时数据获取难、安全态势感知难、预警信息闭环难的需求清单，形成深基坑监测数据自动化采集、预警识别、预警研判、预警管控的4 项场景清单，最终得到深基坑工程预警标准及预警闭环处置流程等一系列改革清单。

系统按应用场景设置监管端和业务端。监管端以通过监管驾驶舱和监管一张图掌握全省深基坑建设安全状态为最终目的，利用概化图展示各类基坑工程的分布情况及安全研判状态，形成全域安全态势整体感知、单个工程预警一查到底的2 个小切口场景。对全省水利深基坑工程的分布情况、监测感知设备运行情况、工程规模等基础信息、工程概化展示等信息进行统计展示，实现基坑工程整体稳定系数评定、视频远程监控、预警详情查看、预警研判等功能。

业务应用分为监管端和法人端。监管端包括综合监管一张图、工程管理、监测数据分析、预警管理中心、监测设备管理、工单管理、系统设置等模块。法人端包括工程监测信息一张图、工程信息管理、监测数据分析、预警管理中心、工单管理、监测数据录入等模块。系统通过自动获取各工程监测项目的实时监测数据并进行数据清洗后入仓，对部分暂时缺乏自动化监测手段的项目辅以人工数据填报。2 类数据均可经过深基坑安全研判模型实时研判，对每个工程都会产生蓝黄橙红四级评定，并根据预案进行不同的流程处置。

1.2 主要功能模块

1.2.1 数据采集

基坑建设涉及到的监测设备数据主要有支撑轴力、土体深层水平位移、沉降、水平位移、水位监测等5 类数据类型，数据采集可以通过成熟的监测设备获取。目前，监测设备传输模块支持分布式网络化测量、单次测量、连续测量、分段定时测量、测量数据预存储，再上传进行交互等多种测量方式。分布式模块化自动测量单元有 RS485、4G、以太网等多种通信方式，内置大容量存储器，通过显示屏和操作面板支持人工比测、 蓝牙交互调试[2-3]。

基于主流监测设备接口协议，项目自主研发自动测量采集终端。该自动测量采集终端由机箱、主控模块、电源模块、可插拔式4 个测量模块以及避雷模块等组成，可实现RS485、4G、以太网等方式传输，能够防雷、防静电、防瞬变脉冲等，并可自动测量振弦、差阻、模拟量、485 等信号，支持切换采集独立模块，直接通过无线或者有线网络传输数据。

1.2.2 数据分析

实现基坑监测数据的集中展示和分析统计，包括水平位移、地下水位、支撑轴力、沉降位移以及测斜等[4]，可以展示各监测项目的监测点位及详情、实时监测值以及历史数据等，设置多条件选择项，可按用户需求实现不同点位数据展示，并支持各类检索统计数据导出。

1.2.3 监测预警

根据监测阈值支持设置自定义预警值，可在一张图中展示水位、测斜、轴力等监测项目的预警信息，并推送预警信息至相关用户进行警示。根据基坑风险预测模型的预测结果，综合显示预警信息，并按照“红黄橙蓝”四色预警规则实时变化基坑风险标识，并提供预警信息处置功能。触发风险预警后将自动发送预警信息至项目法人及建设单位，建设单位根据风险提示制订整改方案并经法人单位审核后消除预警信息[5]。

1.2.4 综合监管

以浙江省水利一张图为底图，汇总展示各工程的空间分布情况、工程安全研判状态、工程列表信息、基坑风险统计信息以及深基坑风险排序，为管理者提供掌控平台。模块同时提供单个基坑工程监管功能，汇集基坑测斜、地下水位、水位位移、沉降、支撑轴力监测数据，结合基坑工程安全研判模型，对有风险的工程提前预警。

2 应用示范案例

以大治河排涝闸站为试点，对系统功能进行检验，得到的试验成果与工程建设过程中的各项指标保持高度一致，为推广示范系统功能提供有力支撑。

2.1 工程概况

大治河排涝闸站改建工程位于钱塘江右岸下沙大桥下游约530 m，大治河与钱塘江交汇口，老大治河排涝闸下游30 m 处。改建后的闸站为闸泵结合的综合枢纽，泵站等别为Ⅱ等大（2）泵站，总设计排涝流量100 m3/s，单机流量20 m3/s。排涝闸、泵站防洪标准为：100 a 一遇设计，300 a 一遇校核。

本工程场地平均高程为0.31～9.50 m，基坑设计高程-4.70～0.40 m。基坑以闸室和泵室为界，分为外江侧和内河侧2 个基坑，其中外江侧基坑尺寸为115 m×145 m（长×宽），挖深1.60～14.20 m，采用多级放坡+土钉墙的开挖支护方案。该基坑尺寸和深度均达到一定规模，是闸站工程安全施工和工程监管的重点关注对象。

2.2 监测设置

根据工程需要和相关规范要求，外江侧基坑工程进行施工期监测工作。结合外江侧基坑布置和开挖施工特征，在基坑内部设置地下水位监测孔10 根、基坑四周布置深层水平位移监测孔11 根和地表垂直位移监测点40 个（见图1）。

2.3 监测分析

2.3.1 地下水位分析

本工程采用水泥搅拌桩作为基坑外防水帷幕。防渗墙底高程为-14.60 m，深度约10.00 m。基坑内共设地下水位监测孔10 个，编号依次为SW-01～SW-10。图2 为监测孔SW-10 地下水位过程线示意图。

图2 地下水位过程线图

前100 d，基坑开挖至设计高度，再浇筑底板。基坑内地下水位保持在底板标高以下；浇筑完成后，混凝土强度随时间逐渐增加，后100 d 地下水位有所增加。基坑内地下水位受基坑两侧河流水位影响较小，受井点降水和工程进度影响较大。

2.3.2 地表垂直位移分析

基坑周边地表垂直位移监测点主要布置在南侧海堤（老闸）沿线和东侧基坑地表。南侧海堤沿线测点编号CJ-01～CJ-16，东侧地表测点编号CJ-36～CJ-40。根据测点位置和沉降过程曲线特征不一，分别选取监测点CJ-8、CJ-16、CJ-36 和CJ-37 进行分析，对应沉降曲线见图3。

图3 典型测点沉降过程曲图

1）CJ-8 测点位于老闸位置，初期存在一定的沉降速率，后期趋于稳定，180 d 累计沉降量为10 mm；CJ-16 测点位于基坑西南侧海堤上，毗邻施工便道，工程车辆日常通行，监测期内沉降量持续增加，180 d 累计沉降量为26 mm，且有继续发展的趋势。

2）CJ-36 和CJ-37 测点位于基坑东侧地表，靠近基坑，受开挖施工影响较大。前30 d 内2 测点沉降速率较大，后期速率逐步减缓，180 d 沉降量为22～31 mm，且趋于稳定。

3）与控制指标相比，典型测点180 d 累计沉降量满足要求，基坑施工过程对周边土体影响在可控范围内。

2.3.3 深层水平位移分析

基坑四周深层水平位移监测主要布置在基坑东侧、南侧和西侧，顺时针编号为CX-01～CX-11，测斜孔起算点选择为管底位置。根据测点位置和基坑不同区域挖深不同，选取典型监测孔CX-4 和CX-6 进行分析，对应深层水平位移曲线见图4。

CX-4 和CX-6 测孔呈现由管底往管顶水平位移不断增加的特征，符合多级放坡开挖基坑变形的一般规律。测斜管往基坑内部存在一定的水平位移变化速率，且浅层变化速率大于深层变化速率。典型测孔190 d 水平位移量为13.45～21.16 mm，累计值在控制指标范围内。

2.4 动态风险评估

考虑到监测项目繁多，根据单个监测指标判断基坑安全往往具有局限性，甚至存在结论相悖的情况。利用本系统综合研判模块功能对监测数据进行挖掘和整合，实现基坑总体风险的动态评估。

2.4.1 权重分配

通过1～9 标度法结合专家打分的方法，对各监测指标两两之间重要性进行打分，由此构造出判断矩阵A并计算获得权重向量值w。利用一致性检验CR 法判断矩阵的合理性。

式（1）中：CR为一致性比例；CI为一致性指标；RI为随机一致性指标，取0.89；λmax为判断矩阵A的最大特征值；n为判断矩阵阶数，取4。

根据基坑实际情况和监测数据，在系统内对主要监测指标进行打分，见表1。

表1 监测项目相对重要性评分表

由此得到判断矩阵A，归一化处理后得到权重w，分别为：

经检验，CR=0.007 ＜0.1，满足一致性要求。

2.4.2 监测数据与风险概率转化

以各监测指标累计量警戒值为基准，按照一定的标准将监测数据进行量化处理，再对量化后的指标进行安全分级，最终建立监测数据与风险概率对应关系。一般根据警戒值的60%、70%、80%和100%作为安全分级界限，建立的分级区间与安全风险概率对应关系见表2。

表2 监测指标与风险概率对应表

各监测数据与警戒值的比值按照上表进行分级划分，同时在所属范围内线性差值获得具体概率估值，则基坑总体风险概率P由式（2）计算而得：

式中，Pi和wi分别对应各监测项目风险概率估值和风险概率权重。

2.4.3 基坑风险等级和概率

根据GB 50652—2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[6]规定，针对不同等级风险应采取不同的风险处置原则和控制方案，各等级风险的接受准则应符合表3 的规定。

表3 风险接受准则表

结合经验和工程实际情况，基坑风险等级与风险概率对应见表4。

表4 基坑风险等级与概率对应表

2.4.4 综合研判

从不安全角度考虑，选择各监测项目监测值最大的测点进行研究，包括CJ-26 围堰沉降测点、CJ-36 基坑沉降测点、SW-10 基坑内部地下水位测点和CX-06 深层水平位移测点。绘制基坑风险评估动态变化图（见图5）。

图5 基坑风险评估动态变化图

从图5 可以看出，随着基坑施工进行，基坑风险概率逐渐增大；后期随着开挖完成和主体结构浇筑，基坑风险概率涨幅有所下降，曲线趋于平缓，最终在0.43 附近。

总体而言，本工程基坑处于Ⅳ级～Ⅲ级风险等级状态，风险基本可控。风险评估结果与施工实际情况和基坑监测情况一致。

3 结 语

本文构建的水利工程基坑在线监管系统通过植入多因素研判基坑风险模型，为水利工程监管方和工程建设主体提供基坑实时监管的平台，能实时掌握基坑安全稳定状况，研判基坑总体安全风险，为水利工程安全生产提供有效手段。通过打造“监测数据获取、安全形式研判、预警信息管控”的闭环监管流程，对传统的深基坑监管信息传递不及时，预警研判滞后的现状进行了变革。

水利工程基坑在线监管系统目前已经在大治河排涝闸站改建工程中成功运用，实践成果与实际工程指标情况一致。该应用可为其他在建水利工程的基坑数字化监管提供一定经验和探索，有效提升基坑建设管理能力与水平。