超大水位降深条件下地面沉降监测系统

本发明涉及基坑降水，具体为超大水位降深条件下地面沉降监测系统。

背景技术：

1、在土木工程和地质工程的领域中，基坑工程和地基处理是控制地下水位、管理土体稳定性以及防止沉降失稳的重要课题，在这一领域，超大水位降深条件下的基坑施工面临特殊的技术挑战，在这种条件下，地下水位的显著降低可能会导致土体含水率的变化和水力条件的重新分布，进而影响基坑周围的沉降特性，尤其在超大水位降深环境下进行的地面沉降监测，需要对渗流场与应力场进行精确分析，以了解土体中水的动态变化如何影响土体的稳定性。同时，各土层之间的沉降会产生附加应力的层间传递效应，使得基坑结构的沉降变形更为复杂，此种情况下，监测系统不仅要跟踪地下水流的运动，还需分析渗流场对土体内部应力场的影响，从而全面评估降水过程中可能导致的沉降与失稳风险。

2、在超大水位降深条件下进行地面沉降监测时，当前的监测手段面临诸多不足之处。首先，现有的监测系统通常仅关注水位的变化或沉降量等参数进行单独监测，对不同土层之间的渗透特性差异和饱和状态分析不足，未能充分揭示渗流场对土体应力分布的影响。其次，由于各土层沉降特性存在较大差异，容易忽视了不同土层间的应力传递和附加应力影响，易导致沉降差异加剧，从而难以准确预测多层土体在降水过程中的沉降行为，这些异常现象一旦发生，基坑稳定性难以保障，将直接影响工程安全，甚至引发坍塌等严重事故。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了超大水位降深条件下地面沉降监测系统，解决了上述背景技术中的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：超大水位降深条件下地面沉降监测系统，包括基坑监测模块、渗流场变化分析模块、应力变化分析模块、综合评价模块及安全反馈模块；

3、所述基坑监测模块用于在基坑降水施工过程中，实时监测地下水在土体中流动的空间分布特征，以获取相关水体状态数据信息；

4、所述渗流场变化分析模块用于初步判断土体的饱和状态，并根据饱和状态及相关水体状态数据信息，分析土体的渗透性能及土体中水的运动过程，并根据基坑周围土体的渗透性能，对基坑壁内土体进行层次划分，以获取在降水过程中相应土层处的水头时空分布；

5、所述应力变化分析模块将基于在降水过程中相应土层处的水头时空分布，获取相应时段的有效应力yxy，并根据各土层在脱水前后的变化，分析上层土层的沉降对下层土层的附加应力影响程度，以获取相应层的沉降量cjz；

6、所述综合评价模块用于利用卷积神经网络技术构建基坑结构预测模型，并将相关水体状态数据信息输入至基坑结构预测模型内，经过训练及线性归一化处理后，拟合输出基坑结构失稳指数jszs；

7、所述安全反馈模块用于预先设定评估阈值，并将其与所述基坑结构失稳指数jszs进行比对分析，以估判当前基坑内的稳定状况，并以可视化形式呈现至操作后台，调整降水过程。

8、优选的，所述基坑监测模块包括降水前监测单元及降水后监测单元；

9、所述降水前监测单元用于在基坑降水施工前，初步监测地下水在土体中流动的空间分布特征，以获取前数据组，所述前数据组包括基坑内不同位置处的初始水头及水流通量；

10、所述降水后监测单元用于在基坑降水施工后，再次监测地下水在土体中流动的空间分布特征，以获取后数据组，所述后数据组包括基坑内相应位置处的含水率、相应位置处的饱和含水率、相应位置处的残余含水率、水的重度、孔隙率、水的粘度、土体中10%颗粒的直径、水密度、土层的密度、土层的深度、外部施加的荷载、压缩模量以及侧向位移；

11、所述相关水体状态数据信息包括所述前数据组和所述后数据组。

12、优选的，所述渗流场变化分析模块包括状态判断单元、渗透性能分析单元、土体监测单元及渗流分布单元；

13、所述状态判断单元用于根据所述后数据组，计算基坑周围不同位置处土体中水的饱和程度，以获取相应位置处的有效饱和度ubd，所述有效饱和度ubd通过以下方式获取：

14、；

15、式中，表示为相应位置处的含水率；表示为相应位置处的残余含水率，反映土体中水分无法再流动时的含水率；表示为相应位置处的饱和含水率；

16、当有效饱和度ubd=1时，表示为当前位置处的土体达到完全饱和状态；

17、当0≤有效饱和度ubd＜1时，表示为当前位置处的土体未达到完全饱和状态。

18、优选的，所述渗透性能分析单元用于根据所述状态判断单元中的判断，并结合所述相关水体状态数据信息，分析基坑周围不同位置处土体的渗透性能，以获取渗透系数stxs，具体按照以下方式获取：

19、；

20、式中，当相应位置处的土体达到完全饱和状态时，本公式成立；其中，表示为饱和渗透系数，ubd表示为有效饱和度，及均为常数；

21、其中，饱和渗透系数通过以下方式获取：

22、；

23、式中，表示为水的重度，表示为孔隙率，表示为水的粘度，表示为土体中10%颗粒的直径，用于表征颗粒大小的影响；

24、所述土体监测单元用于当相应位置处的土体达到完全饱和状态时，根据基坑周围不同位置处的渗透系数stxs数值，绘制渗透分布图，呈现出基坑内各深度处的渗透变化，以将基坑内土体划分为不同层次的土层；当相应位置处的土体未达到完全饱和状态时，根据基坑周围不同位置处的饱和渗透系数数值，绘制渗透分布图，呈现出基坑内各深度处的渗透变化，以将基坑内土体划分为不同层次的土层。

25、优选的，所述渗流分布单元用于根据所述渗透性能分析单元所获取的渗透系数stxs及饱和渗透系数，并结合相关水体状态数据信息，分析土体中水的运动过程，以获取在降水过程中相应土层处的水头时空分布，所述水头时空分布通过以下公式获取：

26、；

27、式中，表示为水容量函数；为初始水头；表示为监测时段，为初始水头对时间t的偏导数；为梯度算子；表示为相应饱和状态下的渗透系数；为源汇项；表示为渗透流的散度；表示为水流通量。

28、优选的，所述应力变化分析模块包括压力分析单元、层间应力传递单元及沉降分析单元；

29、所述压力分析单元用于根据在降水过程中相应土层处的水头时空分布，分析获取基坑内在进行降水过程中相应时段的有效应力yxy，具体按照以下方式获取：

30、；

31、式中，表示总应力，表示孔隙水压力；

32、其中，孔隙水压力ksy通过以下公式获取：

33、；

34、式中，表示水密度，表示重力加速度；

35、其中，总应力通过以下公式获取：

36、；

37、式中，表示相应土层的密度，表示相应土层的深度，表示外部施加的荷载。

38、优选的，所述层间应力传递单元用于根据各土层在脱水前后的变化，分析上层土层的沉降对下层土层的附加应力影响程度，以获取相应层的沉降量cjz，具体按照以下方式获取：

39、；

40、式中，表示为第j层的有效应力增加量，为相邻层间应力传递系数；表示为第i层的有效应力增加量，表示为第j层的深度，表示为第j层的压缩模量，i及j均为土层编号。

41、优选的，所述沉降分析单元用于根据所述层间应力传递单元中获取的相应层的沉降量cjz，结合统计学算法，获取相邻土层间的沉降差值及累积沉降量zcjz。

42、优选的，所述综合评价模块用于利用训练后的基坑结构预测模型，经线性归一化处理后，将对应的数据值映射至区间内，以拟合输出降水在降到相应土层处的基坑结构失稳指数jszs：

43、；

44、式中，表示为侧向位移，表示为累积沉降量，表示为相邻土层间的沉降差值，、及均为权重值，表示为修正常数，其中，、及具体数值由用户根据情况进行设定。

45、优选的，所述安全反馈模块用于通过将所述基坑结构失稳指数jszs与评估阈值进行比对分析，以判断当前降水过程中基坑内的稳定状况，具体判断内容如下：

46、若基坑结构失稳指数jszs超过评估阈值时，判断当前降水过程中基坑内未处于稳定状态，此时将调整降水井的抽水频率，逐步减小降水速度的同时，监测基坑结构失稳指数jszs是否超过评估阈值，若基坑结构失稳指数jszs未超过评估阈值时，停止对降水速度的调整；

47、若基坑结构失稳指数jszs未超过评估阈值时，判断当前降水过程中基坑内处于稳定状态，此时将在基坑内保持当前降水井的降水速率。

48、本发明提供了超大水位降深条件下地面沉降监测系统，具备以下有益效果：

49、（1）通过基坑监测模块，系统能够在基坑降水施工过程中实时监测地下水的流动特征，准确获取水体状态数据，这为后续的渗流场和应力分析提供了详实的数据基础，有助于多维度掌握基坑周围土体的水流分布情况，提升了监测精度。系统配备的渗流场变化分析模块可以根据实时监测到的水体状态数据，结合土体的饱和状态和渗透性能，分析地下水在基坑壁土体中的运动过程，通过该模块，系统能够自动将基坑壁内的土体进行层次划分，获取各土层在降水过程中的水头时空分布，使后续的应力分析和沉降评估更加精确，基于各土层的水头时空分布，能够准确计算土体在降水过程中的有效应力变化，并分析上层土层沉降对下层土层的附加应力影响，从而得出各层土体的沉降量，这种基于分层分析的应力与沉降监测，使系统能够对不均匀沉降和层间应力变化进行细致评估，有效防范因沉降差异导致的结构失稳风险，同时利用卷积神经网络技术构建基坑结构预测模型，将实时监测的数据输入模型后，最终输出基坑结构失稳指数jszs，基于机器学习技术的失稳预测使系统在面对复杂水文地质条件时具有更强的适应性和预测精度，为施工人员提供了科学的失稳风险量化指标。

50、（2）通过渗透性能分析单元，系统能够基于有效饱和度的状态判断，对基坑不同位置处的土体渗透性能进行分析，渗透性能分析单元根据土体是否达到饱和状态，自动选择相匹配的渗透系数算法，确保渗透性计算的准确性，这一自动化分析过程减少了人为误差，提高了数据处理效率，同时将复杂的渗透性能数据转化为直观的渗透分布图，使得操作人员能够快速地查看基坑内各深度的渗透情况，以便可以及时并有效指引现场操作，提升了数据处理和现场决策的效率。

51、（3）系统通过对水头随时间和空间的动态监测，使施工人员能够实时掌握基坑周围不同土层的水位变化，及时识别可能的水流集中区域或水流异常变化区域，进一步确保降水过程的稳定性。

52、（4）系统的压力分析单元基于降水过程中土体的水头时空分布，自动计算各时段的有效应力，有效应力通过总应力和孔隙水压力的差值获取，反映了土层在降水过程中实际承受的净应力状态，由于有效应力的变化直接关系到土体的稳定性，压力分析单元能够动态反映土层在降水时的受力变化情况，为基坑侧壁的失稳风险提供早期预警。同时，通过沉降差值的计算能够准确识别不均匀沉降的风险，进一步避免基坑因期内差异沉降而导致的失稳。

53、（5）系统通过综合考虑基坑降水过程中土体的不同应力和变形特性，能够精确反映基坑在不同深度土层处的失稳风险，有助于操作人员及时的调整基坑内进行降水施工的各个参量，以进一步降低失稳风险。