地下水监控

地下水问题是深基坑工程中最常见且最具威胁性的因素之一，据不完全统计，高达75%的基坑事故与地下水处理不当有关。这两个水文参数直接影响土体的物理力学性质，进而决定基坑的整体稳定性。对地下水位和孔隙水压进行监测，对于理解土体行为（通过有效应力原理、评估降水或隔水措施的效果及其对周边环境的影响、判断基坑的稳定性（如抗渗流破坏、抗管涌或流土、抗基底隆起）、以及保护邻近建（构）筑物免受不均匀沉降危害等方面，都具有不可替代的作用。准确、及时的水文监测数据是保障基坑安全、优化设计与施工、实现风险预警的关键依据。

地下水位 (Groundwater Level): 地下水位是指地下饱水带的水面标高。在无压（潜水）含水层中，地下水位即为潜水面，该处孔隙水压力等于大气压。在承压含水层中，地下水位通常指测压管水头（Piezometric Level），即该含水层中某一点的水压力所能支持的水柱高度，其标高可能高于或低于潜水面。基坑工程中需区分潜水和承压水，因为承压水水头较高，可能对基坑底部稳定性构成显著威胁（如隆起或突涌）。

孔隙水压力(Pore Water Pressure, u): 孔隙水压力是指存在于土体或岩体孔隙（或裂隙）中水的压力，通常以相对于大气压的表压力表示。在静水条件下（无水流），潜水面以下深度 d 处的孔隙水压力 $u = γw * d$，其中 $γw$ 为水的重度。当存在水力梯度时，孔隙水压力分布将偏离静水压力分布，其变化规律遵循达西定律（Darcy’s Law）描述的渗流原理。在潜水面以上的毛细区，尤其是在细颗粒土中，由于毛细作用，孔隙水压力可能为负值（吸力）。

在实际监测中，区分测压管水头和潜水位的概念至关重要。测压管（Piezometer）测量的是其滤头所在位置或特定地层的水头高度，反映该点的孔隙水压力。而观测井或开口测压管（Standpipe）通常测量的是自由水面（潜水面）的高程 。在层状土或存在承压水的情况下，不同深度的测压管水头可能显著不同，且可能与潜水位不一致 。因此，监测方案的设计必须明确监测目标是潜水位还是特定承压层的水头，以便正确评估渗流梯度、基底抗隆起稳定性以及对周边环境的影响。仅监测潜水位可能忽略深部承压水带来的风险，反之亦然。地下水位和孔隙水压力的变化会对基坑工程的稳定性产生影响，具体包括：

1. 渗流 (Seepage): 基坑开挖和降水作业会在坑内外形成水头差，驱动地下水向坑内流动，形成渗流场。渗流会对土颗粒产生拖曳力，即渗流力（或动水压力），方向与水流方向一致，其大小与水力梯度成正比。向坑内流动的渗流力会降低坑壁和坑底土体的稳定性。
2. 浮力与基底隆起 (Buoyancy and Base Heave): 地下水会对土颗粒和结构物产生向上的浮力作用，降低土体的有效重度，减小其抗剪强度和稳定性。当基坑底部存在承压水层，且其水头高于坑底高程时，向上的渗透压力和静水压力可能超过上覆土层的有效自重，导致坑底土体隆起（Heave）或发生水力劈裂破坏。传统的抗隆起稳定性验算采用压力平衡法，但可能未考虑土体抗剪强度等有利因素而偏于保守。
3. 管涌与流土(Piping and Boiling): 在渗透性较好的砂性土或粉土中，如果坑底或坑壁的渗流出逸梯度过大，向上的渗流力可能克服土粒的有效重力，导致土颗粒被水流带走，形成逐渐扩大的渗流通道（管涌，Piping），或者使土体整体呈现沸腾状（流土，Boiling），从而丧失承载能力，严重时可导致支护结构失稳甚至整体坍塌。这是基坑工程中一种非常危险的突发性破坏模式。
4. 支护结构荷载 (Loads on Retaining Structures): 孔隙水压力是作用在支护结构（如围护桩、地下连续墙）上的侧向荷载的重要组成部分。坑内外地下水位的变化会直接改变作用在墙体上的静水压力和渗透压力分布，从而影响墙体的内力（弯矩、剪力）和变形，以及所需支撑或锚杆的轴力。例如，坑内降水会减小坑内水压力，但同时增大坑外作用在支护结构上的净水土压力。
5. 地下水控制措施的双重影响: 基坑工程的稳定性很大程度上依赖于有效的地下水控制措施，如降水或截水帷幕。降水可以降低坑内水位，减小基底隆起风险，提高土体有效应力。然而，降水也增大了坑内外的水力梯度，可能加剧渗流、管涌等风险，并引起坑外地面沉降，影响周边环境。截水帷幕（如地下连续墙、水泥土搅拌桩）旨在阻断水流进入基坑，但如果帷幕存在缺陷或未达到设计深度，可能导致渗漏，甚至在内外水头差作用下发生破坏。因此，地下水控制方案的设计与实施需要权衡利弊，并依赖于持续的地下水位和孔隙水压力监测来评估其效果和潜在风险。

由上分析，基坑工程中的水力作用将会直接反映到围护结构收到的外力以及产生的变形上，变形监测项目和内力监测项目与水力监测项目存在较强的内在联系。大量工程案例的监测数据证实了地下水位、孔隙水压力变化与位移变形之间的密切相关性。例如，基坑降水导致的坑外地下水位下降通常伴随着周边地表和建筑物的沉降。基坑开挖引起的围护墙水平位移也与坑内外土压力和水压力的变化紧密相关。一些研究将基坑工程的水力状态作为基坑围护结构受力变形安全状态的“诊断条件”^[1]：位移监测能够直接反映基坑或周边环境的变形结果，即“发生了什么”。然而，位移监测本身往往难以揭示变形的根本原因。孔隙水压力和地下水位监测则提供了关键的诊断信息，揭示了驱动变形的有效应力场的变化，即“为什么发生”。通过分析水位或水压的变化趋势，可以解释观测到的位移规律，区分不同因素（如降水、开挖卸荷、降雨）的影响，并验证数值模型的准确性。更重要的是，由于水压变化通常先于显著的宏观变形，水文监测能够提供更早期的预警信号^[2]。监控设备框架图如图 2 所示。

地下水位监控

基坑工程中地下水位和孔隙水压力的监测方法多样，可大致分为直接测量水位高程的方法（适用于观测井、开口测压管）和测量水压力的方法（适用于各类封闭式测压计）。根据数据采集方式，又可分为人工监测和自动化监测。自动化监测凭借其实时性、连续性和远程传输能力，正逐渐成为深大基坑工程监测的主流趋势。其中，地下水位测量涉及到的监测方法和设备包括^[3]：

1. 开口测压管 (Open Standpipe Piezometer)：最简单的测压设备，由一根下端带有滤水管段（测头）的竖直管材构成，安装于钻孔中，如图 3 所示。管内水位会随滤头处土体中的测压管水头（Piezometric Level）变化而升降，通过直接测量管内水位即可确定测压管水头。其结构简单、成本低廉、长期可靠性好，但需要人工现场读数，无法实现自动化和远程监测；渗漏可能影响读数准确性。主要适用于渗透性较好的土层（如砂土、砾石），以及对监测频率和实时性要求不高的长期水位观测项目。

2. 自动化水位计 (Automatic Water Level Meter)：指能够自动测量并记录水位（通常在观测井或开口测压管中）的各种传感器和系统，如图 4 所示。根据工作原理不同可以分为以下几类。配合传感器实现了无人值守的自动化、远程、实时监测，可获取高频率数据，便于与物联网（IoT）、预警系统集成 。缺点是成本高于人工测量，需要供电（电池或太阳能），且不同类型传感器有其特定的局限性（如超声波受干扰、压力传感器需补偿等）。由于其可回收特性能够大大降低成本，逐渐成为了现代基坑监测系统，特别是需要实时数据、高频监测、远程访问和自动预警功能的项目的关键组成部分。

   • 投入式压力传感器：将压力传感器（可以是振弦式、压阻式、电容式等）置于水下某固定深度，通过测量该点的静水压力推算水位。需考虑大气压力变化（采用 vented cable 或进行气压补偿）。
   • 超声波水位计：安装在水面上方，向下发射超声波脉冲，通过测量声波往返时间计算到水面的距离，进而得到水位。
   • 雷达水位计：与超声波类似，但使用雷达（微波）脉冲，受空气湿度、雾气、粉尘等影响较小。
   • 浮子式水位计：通过浮子随水位升降带动编码器或电位计来测量水位。
   • 吹气式水位计 (Bubbler)：通过测量向水下固定深度管口吹入气体所需的气体压力来间接反映水位。

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孔隙水压力监控

常见用于测量孔隙水压力的测量设备有：

1. 振弦式孔隙水压力计 (Vibrating Wire Piezometer, VWP)：利用振弦技术测量水压力。传感器内部有一根被张紧的钢弦，一端固定，另一端连接到受水压力作用而变形的弹性膜片上，如图 5 所示。水压力变化引起膜片变形，进而改变钢弦的张力，导致其固有振动频率发生变化。通过电磁线圈激发钢弦振动并拾取其振动频率信号，根据频率与压力之间的标定关系即可换算出水压力值。其精度高（通常优于 ±0.1%FS）、分辨率高（可达 0.025%FS）、长期稳定性好，但成本相对较高，需要专门的读数仪或数据采集器，饱和状态下冰冻可能损坏膜片。是目前岩土工程监测中应用最广泛、技术最成熟的孔隙水压力传感器之一。
2. 气压式孔隙水压力计 (Pneumatic Piezometer)：其利用气体压力来平衡待测点的孔隙水压力。传感器包含一个柔性膜片，膜片一侧受孔隙水压力作用，另一侧通过两根气管与地面读数仪连接，如图 6 所示。测量时，通过输入管向传感器内充气，当气体压力超过孔隙水压力时，膜片被推开，气体从输出管逸出。此时，气体压力即为孔隙水压力。传感器本身无电子元件，不受电磁干扰和雷击影响，适用于腐蚀性环境或易爆环境。但读数时间较长，自动化程度不高，气管可能发生堵塞或泄漏。
3. 电阻式孔隙水压力计 (Resistance Piezometer)：基于敏感元件电阻值随压力变化而改变的原理，适用于动态压力测量，响应速度快，部分类型成本较低，如图 7 所示。但易受温度、电磁干扰等影响，长期稳定性相对较差，不如振弦式或气压式在岩土工程中应用广泛。

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传感器布设原则

针对基坑工程中地下水位及孔隙水压力监测设备的布设，《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497）等国家标准规定了设备布设的原则、关键技术要求、必须遵守的参数和重要的施工步骤，确保监测的有效性和准确性。但由于规范无法细致地介绍监测过程中的所有过程。在实际应用中需要关注以下关键事项，以确保监测数据的准确性、及时性和有效性，为工程安全提供保障：

1. 确保具有代表性。测点位置应能真实反映基坑内外、不同深度土层的水位和水压力变化情况。需结合地质勘察报告，
   应重点布设在：

   • 基坑周边，特别是靠近敏感建（构）筑物、管线的一侧；
   • 水文地质条件复杂（如透水性强、承压水头高）的区域；
   • 基坑内部（用于评估降水效果和坑底稳定性）；
   • 预期水力坡度变化较大的区域。
     数量与密度：根据基坑规模、地质条件复杂程度、周边环境重要性、降水方案等因素确定，应满足规范要求，形成有效的监测网络。
     深度：监测深度应涵盖主要影响的含水层，特别是基坑开挖面以下的潜在渗流层或承压含水层，孔隙水压力计需准确置于目标土层内。

2. 确保仪器正确安装、标定与保护：

   • 钻孔与清孔：监测孔钻进应避免扰动周围土体，并彻底清孔；
   • 滤管与反滤层：观测井需设置合适的滤管（割缝管）和反滤层（如砂砾料），防止泥砂淤堵；
   • 孔隙水压力计安装：必须对透水石进行饱和处理，仪器周围须密封，防止串层影响；仪器安装前应校准，记录初始读数；
   • 自动化系统安装后应进行系统联调和率定。

参考文献

1. Tiantao Su, Yong Zhou, Zhengzhen Wang, and Shuaihua Ye. Large scale model test study of foundation pit supported by pile anchors. Applied Sciences, 12(19), 2022. ↩
2. 曹权, 李清明, 项伟, and 贾海梁. 基坑群开挖对邻近既有地铁隧道影响的自动化监测研究. 岩土工程学报, 34(S1):552–556, 2012. ↩
3. 粟闯和王建东. 全自动滑动式测斜系统. 410011 湖南省长沙市韶山北路 81 号, cn203502017u edition, 2014. ↩