一种自适应大型地下结构泄排水减压抗浮系统及方法与流程

本发明属于大型地下结构抗浮领域，具体涉及一种基于自适应的大型地下结构泄排水减压抗浮系统及其工作方法。

背景技术：

城市地下空间的综合开发利用已成为世界城市发展的共同选择，大型和超大型地下结构如雨后春笋般不断涌现，但是随之而来的是大型地下结构抗浮安全问题。当前在大型地下结构工程上比较常用的永久性抗浮措施：配重法、抗浮锚杆(索)、抗浮桩等措施，而传统被动式抗浮方法工艺复杂、投资大，并且存在众多技术难题，例如地下结构的耐久性和抗疲劳等方面的技术问题。

目前国内外泄排水抗浮措施主要通过一次性控制基底水位以避免大量抽水，且更加耐久、节材，是一种应急的抗浮措施。但是当前的泄排水抗浮措施在初次设计后，若遇到极端情况，如地下工程旁边发生修建大型溢流池、天降骤雨或大量抽取地下水等使地下水位发生剧变的情况，则可能会使得泄排水新型抗浮方式失效。这种方法虽然较为经济，但不能实现连续的动态监测和主动调控，从而导致监控装置不能及时响应，带来对装置判断的严重滞后，无法进行有效的主动抗浮控制，造成严重的经济问题。另外，设计者由于对地下结构的浮力作用机理不明确、缺乏翔实可靠的工程地质及水文地质数据以及现行地下结构抗浮设计理论和方法的不完善，设计过程中往往出现过高的计算浮力荷载和对地下结构浮力荷载估算不足两种趋势，可能造成初步设计无效，从而影响对安全判断的准确性。

所以，发明一套科学、有效的主动调整抗浮状态、动态监测、不断地去适应地下水位条件且费用经济的装置及其工作方法具有重要的工程意义和现实价值。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种能够实时连续地采集地下结构及环境的相关参数信息，并且能够主动有效的控制地下水位稳定在恒定的位置进行结构抗浮的大型地下结构泄排水减压抗浮系统及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自适应大型地下结构泄排水减压抗浮系统，包括：集排水管网、抗浮监测单元、自适应控制单元；

集排水管网，包括倒滤层、底板、隔离层、水平盲管、立管、水平横管、水泵、溢流池；倒滤层、隔离层、底板自下而上铺设于地下；水平盲管设置于倒滤层中，水平横管设于地下且平行于水平盲管布设于水平盲管上方，水平横管与水平盲管通过立管连接，用于汇集和传输地下水；溢流池位于水平横管下方，溢流池底部与隔离层连接；水泵用于当溢流池的水位达到预定水位时，将溢流池内汇集的地下水抽至地表；

抗浮监测单元，包括监测模块和数据处理模块；监测模块包括布设在隔离层的孔隙水压力监测器、布设在地表的沉降监测器和布设在集排水管网的管路中的水流量监测器，分别用于监测隔离层的孔隙水压力、地表沉降和管网水流量；数据处理模块的输入端连接各监测器的输出端，用于实时接收及处理各监测器采集到的孔隙水压力、地表沉降和管网水流量参数；

自适应控制单元，包括自适应控制器、升降装置和水平软管；自适应控制器的输入端连接数据处理模块的输出端，自适应控制器的输出端连接升降装置的输入端，升降装置的执行部分连接水平软管，以控制水平软管的升降；水平软管与水平横管串联，水平软管上设有连接溢流池的排水管，用于将水平软管中汇集的地下水排入溢流池；自适应控制器用于根据数据处理模块的处理结果向升降装置发出执行命令；升降装置用于根据接收到的执行命令调节水平软管高度，进而实时、动态调控地下水位，使得地下结构的水浮力始终小于地下结构自重。

进一步地，水平软管串联在两段水平横管之间，两段水平横管各连接一根立管，溢流池设于两跟立管之间且位于水平软管下方。

进一步地，溢流池上部预定水位处设有溢水口，用于在溢流池内水位上涨超出预定水位时紧急泄排水。

进一步地，还包括由设于溢流池上的紧急泄水阀门和埋置于倒滤层的高压式冲水喷枪组成的应急装置，用于突发状况下紧急泄排水。

进一步地，在溢流池内设置地下水位监控装置，用于监控溢流池内的水位，并在监控到溢流池内水量达到预警水位时，控制紧急泄水阀门将溢流池内的水排出。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于上述自适应大型地下结构泄排水减压抗浮系统的一种自适应大型地下结构泄排水减压抗浮方法，包括以下步骤：

(1)在集排水管网施工过程中完成自适应控制器、升降装置、孔隙水压力监测器、地表沉降监测器和管网水流量监测器的布设及调试；

(2)集排水管网施工完毕后，三个监测器实时检测周围的环境参数信号，并将监测得到的环境参数信号传入数据处理模块进行计算分析；

(3)当计算分析得到的环境参数实际指标与预定指标出现偏差的时候，自适应控制器根据偏差结果控制升降装置以调节水平软管高度，进而改变水平软管与水平横管的压差，从而调节排入溢水池的水量，以初步调控地下水位；

(4)当发生环境干扰，地下空间结构和周边环境参数发生变化；此时回到步骤(3)，完成参数的计算分析、偏差对比以及控制实施，以再次调控地下水位；当环境因素不断发生变化的时候，重复步骤(3)即可动态监测调控地下水位，实现自适应泄排水减压抗浮。

进一步地，步骤(3)中，调控地下水位的方法如下：

(3.1)当地下水上涨时，首先通过倒滤层泄排出一部分地下水，使得倒滤层附近区域产生一定程度的地下水渗流；

(3.2)当发生环境干扰时，通过各检测器监测相关信息并传输至数据处理模块，在数据处理模块中通过有限元渗流分析与计算，修正对基地孔隙水压力、管网泄排水流量和周边地表沉降的估计值，并传输给自适应控制器；

(3.3)自适应控制器根据修正后的估计值修改控制参数以控制升降装置调节水平软管高度，当水平横管内作用水头大于或等于水平软管高度时，水会沿着水平软管流到溢流池；

(3.4)溢流池水位达到预定水位时输泵会自动将水抽走，使地下水位维持在预定标高，进而控制水头差，从而使得地下结构的水浮力始终小于地下结构自重，最终实现大型地下结构泄排水减压抗浮；当地下水增速超过水泵排水能力时，通过溢流口泄排水。

进一步地，自适应控制单元能够独立开关，在溢流池上安装紧急泄水阀门，当自适应调节功能失效或关闭时，手动打开应急泄水阀门的开关进行泄水。

进一步地，还包括如下应急排水方法：由设于溢流池上的紧急泄水阀门和埋置于倒滤层的高压式冲水喷枪组成应急装置，在溢流池内设置地下水位监控装置；

水位在预定范围内时，地下水经泄排水管网流入溢流池；

当地下水位监控装置监控到溢流池内水量达到预警水位时，控制泄水阀将溢流池内水排出；当发生自然天气灾害、停电等突发情况时，则直接人工打开紧急泄水阀门进行排水；

当溢流池内水位降至预警水位后，应急装置关闭，自适应控制单元继续正常运行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于加入了监测模块、数据处理模块、自适应控制器、升降装置和水平软管组成的自适应控制调节机制，能够取得主动调整抗浮状态、动态监测、不断适应地下水位条件且费用经济的有益效果。

附图说明

图1是本发明一种基于自适应的大型地下结构泄排水动态抗浮系统构成图。

图2是本发明一种基于自适应的大型地下结构泄排水动态抗浮系统的局部立面布置图。

图3是本发明一种基于自适应的大型地下结构泄排水动态抗浮系统的监测系统平面布置图。

图4是本发明一种基于自适应的大型地下结构泄排水动态抗浮系统的应急装置图。

图5是泄排水减压抗浮装置自适应控制系统的工作方法图；

图6是泄排水管网调控地下水位的方法流程图；

图7是抗浮系统自适应控制原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-倒滤层，2-水平盲管，3-立管，4-水平横管，5-水平软管，6-溢水口，7-孔隙水压力监测器，8-泄排水流量监测器，9-地表沉降监测器，10-自适应控制器，11-隔离层，12-溢流池，13-地表，14-升降装置，15-底板。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的大型地下结构泄排水动态抗浮自适应控制单元及方法，通过监测器反映结构和环境的变化因素，采用有线通讯的方式实现对监测器数据的采集和传输，并将数据处理模块内嵌至自适应控制器中，实现物理参数的现场计算和实时监控，最后通过水平软管标高的调节达到主动动态控制地下水位实现结构抗浮的目的。

下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步的说明。

如图1、2、3所示，本发明的系统结构及工作原理如下：

本发明倒滤层1由土工布、粗砂、碎石垫层组成，碎石垫层内纵横向布设塑料盲管2，盲管2布置于碎石垫层中部，碎石垫层顶与底板混凝土垫层间设置彩条布进行隔离。集排水管网和抽水系统，在底板上设有取水口，东西两侧各设立管与取水口连通，另各立管3(本实施例为钢立管)再通过水平横管4连通，部分水平横管通过软管5连接，高程可调节。且隔离层设有孔隙水压力监测器7，管网内设有泄排水流量监测器8，地表设有沉降监测器9。水平软管设有发动机以调节其高程，由自适应控制器10控制。

所述倒滤层1由土工布+粗砂+碎石垫层组成。所述碎石垫层内纵横向布设塑料水平盲管2，水平盲管2布置于碎石垫层中部，碎石垫层顶与底板15混凝土垫层间设置彩条布进行隔离。各立管3再通过水平横管4连通，部分水平横管4通过水平软管5连接，水平软管5高程可调节。所述倒滤层1设有孔隙水压力监测器7，管网内设有泄排水流量监测器8，地表13设有沉降监测器9。水平软管5设有发动机以调节其高程，由自适应控制器10控制。

具体地，本发明的自适应大型地下结构泄排水减压抗浮系统包括：集排水管网、抗浮监测单元、自适应控制单元。

集排水管网，包括倒滤层1、底板15、隔离层11、水平盲管2、立管3、水平横管4、水泵、溢流池12。倒滤层1、隔离层11、底板15自下而上铺设于地下。水平盲管2设置于倒滤层1中，水平横管4设于地下且平行于水平盲管2布设于水平盲管2上方，水平横管4与水平盲管2通过立管3连接，用于汇集和传输地下水。溢流池12位于水平横管4下方，溢流池12底部与隔离层11连接。水泵用于当溢流池12的水位达到预定水位时，将溢流池12内汇集的地下水抽至地表13。抗浮监测单元，包括监测模块和数据处理模块。监测模块包括布设在隔离层11的孔隙水压力监测器7、布设在地表13的沉降监测器9和布设在集排水管网的管路中的水流量监测器8，分别用于监测隔离层11的孔隙水压力、地表沉降和管网水流量。数据处理模块的输入端连接各监测器的输出端，用于实时接收及处理各监测器采集到的孔隙水压力、地表沉降和管网水流量参数。

自适应控制单元，包括自适应控制器10、升降装置14(本实施例为卷轴发动机)和水平软管5。自适应控制器10的输入端连接数据处理模块的输出端，自适应控制器10的输出端连接升降装置14的输入端，升降装置14的执行部分连接水平软管5，以控制水平软管5的升降。水平软管5与水平横管4串联，水平软管5上设有连接溢流池12的排水管，用于将水平软管5中汇集的地下水排入溢流池12，在本实施例中，水平软管5串联在两段水平横管4之间，两段水平横管4各连接一根立管3，溢流池12设于两跟立管3之间且位于水平软管5下方。自适应控制器10用于根据数据处理模块的处理结果向升降装置14发出执行命令。升降装置14用于根据接收到的执行命令调节水平软管5高度，进而实时、动态调控地下水位，使得地下结构的水浮力始终小于地下结构自重。图1中两个水平软管5分别用实线和虚线表示，代表的是水平软管5的两个位置，即水平软管5可以调节高度。

另外，溢流池12上部预定水位处设有溢水口6，用于在溢流池12内水位上涨超出预定水位时紧急泄排水。由设于溢流池12上的紧急泄水阀门和埋置于倒滤层1的高压式冲水喷枪组成的应急装置，用于突发状况下紧急泄排水。

在其他实施例中，为了应对突发状况，还可以在溢流池12内设置地下水位监控装置，用于监控溢流池12内的水位，并在监控到溢流池12内水量达到预警水位时，控制紧急泄水阀门将溢流池12内的水排出。

为了保证泄排水系统正常运行，参照施工降排水系统的要求和《CMC静水压力释放层技术规程》(DBJ/CT077-2010)中系统设计有关规定，特提出泄排水抗浮系统运行安全要求：

(1)砂石倒滤层1的渗透系数应≥10倍×基底土层的渗透系数；

(2)管网的输排水最大流量应≥10倍×倒滤层1的地下水最大入渗水量；

(3)抽水系统的最大流量应≥10倍×设计时预估的总入渗量；

(4)土工布性能应结合场地条件，进行专门设计和计算；

(5)本专利运营周期较长，对相关监测器的质量要求较高；

(6)为尽量减少泄排水对周边环境的影响，每天渗流量Q≤0.03m³/m²/d。

根据以上六条泄排水抗浮系统安全要求，集排水管网和抽水系统布置的一个具体实施方案如下所述：

管径根据渗流计算软件分析，按照1.5倍安全系数确定。推荐集水管网如下，初定粗砂层厚100±20mm、碎石垫层层厚400±20mm；塑料盲管采用MY(100±20)滤布包裹热可塑性合成树脂型，相关设施立面布置图如图2所示；立管3采用DN(180±20)水平镀锌钢管；各立管3再通过水平横管4连通，水平横管4采用PVC型D(200±30)。孔隙水压力传感器采用CYY2动静态孔隙水水压力传感器；水流量传感器采用电磁流量传感器；地基沉降传感器采用HCX-3滑动式数显剖面沉降仪(或采用人工测量法)，相关设施平面布置图如图3所示。

(1)信号监测

基底孔隙水压力监测；泄排水流量监测；地下结构变形监测；地下结构渗水及裂缝监测；地下水位监测；基坑围护墙变形；周边地表13、管线沉降；周边建(构)筑物变形及倾斜等。

(2)计算分析

针对该装置模型，建立自适应控制的基本方程，并通过有限元分析、参数估计(神经网络)等数学分析方法进行相关抗浮计算分析。

(3)调控实施

根据水力学知识，当管径较粗、流速较低时可不考虑输水管水头损失时，管路系统中任意点总水头为：

式中H——管路系统中任意点总水头(m)；

u——管路系统中任意点处水的流速(m/d)。

根据图1，两者到基准面的距离之差正好等于H_横管，因此可得：

P_基底－P_横管＝γ_wH_横管 (1-3)

根据公式1-3，H_横管大小可以直接反映基底孔隙水压力(水浮力)的大小。泄排水抗浮系统正是基于此，通过调整H_横管高低，从而进行地下水抗浮动态实时控制。

(4)抗浮实现

当立管3与水平横贯连接处的水压大于或等于水平软管5高度时，使地下水透过倒滤层1，经由水平盲管2、立管3、水平橫管和水平软管5汇集和传输基底地下水进入溢流池12，溢流池12设自动抽水系统，溢流池12内水位达到预定水位时，水泵自动启动将池内汇集的地下水抽走，使基础底部地下水位维持在某一标高，进而控制水头差，使得地下结构的水浮力始终小于结构自重G，最终实现大型地下结构泄排水减压抗浮，从而达到自适应地进行地下结构抗浮安全和周边环境保护的控制效果。

如图4所示，本发明自适应大型地下结构泄排水减压抗浮方法流程及原理如下：

(1)在集排水管网施工过程中完成自适应控制器10、升降装置14、孔隙水压力监测器7、地表沉降监测器9和管网水流量监测器8的布设及调试；

(2)集排水管网施工完毕后，三个监测器实时检测周围的环境参数信号，并将监测得到的环境参数信号传入数据处理模块进行计算分析；

(3)当计算分析得到的环境参数实际指标与预定指标出现偏差的时候，自适应控制器10根据偏差结果控制升降装置14以调节水平软管5高度，进而改变水平软管5与水平横管4的压差，从而调节排入溢水池的水量，以初步调控地下水位；

(3.1)当地下水上涨时，首先通过倒滤层1泄排出一部分地下水，使得倒滤层1附近区域产生一定程度的地下水渗流；

(3.2)当发生环境干扰时，通过各检测器监测相关信息并传输至数据处理模块，在数据处理模块中通过有限元渗流分析与计算，修正对基地孔隙水压力、管网泄排水流量和周边地表沉降的估计值，并传输给自适应控制器10；

(3.3)自适应控制器10根据修正后的估计值修改控制参数以控制升降装置14调节水平软管5高度，当水平横管4内作用水头大于或等于水平软管5高度时，水会沿着水平软管5流到溢流池12；

(3.4)溢流池12水位达到预定水位时输泵会自动将水抽走，使地下水位维持在预定标高，进而控制水头差，从而使得地下结构的水浮力始终小于地下结构自重，最终实现大型地下结构泄排水减压抗浮；当地下水增速超过水泵排水能力时，通过溢流口泄排水。

(4)当发生环境干扰，地下空间结构和周边环境参数发生变化；此时回到步骤(3)，完成参数的计算分析、偏差对比以及控制实施，以再次调控地下水位；当环境因素不断发生变化的时候，重复步骤(3)即可动态监测调控地下水位，实现自适应泄排水减压抗浮。

为了实现水位调节功能的多样化控制，本发明的自适应控制单元能够独立开关，在溢流池12上安装紧急泄水阀门，当自适应调节功能失效或关闭时，手动打开应急泄水阀门的开关进行泄水。

在其他实施例中，还包括如下应急排水方法：由设于溢流池12上的紧急泄水阀门和埋置于倒滤层1的高压式冲水喷枪组成应急装置，在溢流池12内设置地下水位监控装置；水位在预定范围内时，地下水经泄排水管网流入溢流池12；当地下水位监控装置监控到溢流池12内水量达到预警水位时，控制泄水阀将溢流池12内水排出；当发生自然天气灾害、停电等突发情况时，则直接人工打开紧急泄水阀门进行排水；当溢流池12内水位降至预警水位后，应急装置关闭，自适应调节功能继续正常运行。

应急装置包括设于溢流池12上的紧急泄水阀门和埋置于倒滤层1的高压式冲水喷枪。高压式冲水喷枪用于冲洗被堵塞的倒滤层1，并使其疏通；紧急泄水阀门用于地下水位异常时，一次性泄排水大量的地下水，保证地下水位稳定在安全高度。

在长期的施工和运营期中，倒滤层1及管道淤堵和抗浮设计水位是本系统两大风险因素，所以定期对系统进行检测和维护是非常有必要的。本发明设计了两大应急方案。针对抗浮设计水位，除了自适应抗浮控制系统的水位调整外，在一些突发情况时，还可以使用泄排水阀门进行应急调控；而对于倒滤层1的堵塞问题，本发明在泄排水管网中设有反冲管，可对倒滤层1泥沙进行处理。

抗浮设计水位，恶劣天气、停电、系统故障等突发情况所引起的泄排水减压抗浮自适应控制单元失效的情况发生时，启动应急人工控制系统。若水位骤升，则开启紧急泄水阀门法兰蝶阀D343H-16C，将溢流池12中多余的地下水泄排出，保证地下水位的相对恒定。

倒滤层1的堵塞，在倒滤层1中安装自冲刷高压式冲水喷枪1/4DN15，当倒滤层1堵塞时进行反向高压冲水，疏通倒滤层1。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。