用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法技术方案

本发明专利技术属于地下水监测技术领域，公开了一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块。本发明专利技术提供的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，通过水位传感器测定胀缩性土及下部含水层水位变化，同时在胀缩性土的底部界面设定位移传感器，监测土体位移变形，设定阈值警报器，一旦水位高度达到临界值，或位移开始变化到某设定临界值，就发出警报，通过自动抽取地下水，进行疏排水，解决水位上涨问题。

【技术实现步骤摘要】
用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法
本专利技术属于地下水监测
，尤其涉及一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法。
技术介绍
胀缩性土遇到水后会膨胀变形，影响工程建筑的稳定性。尤其在如高速铁路、高速公路、南水北调等重大线性工程的胀缩性土分布区，胀缩性土的工程稳定性严重制约着工程的安全运营。现有的施工方法多从地表至地基处理所涉及的深度范围进行了土体换填或快速封闭等施工措施，防止胀缩性土受降水影响，但在某些地区胀缩性土底部含水层的地下水位，受压采和外调水源补给影响在持续上涨，一旦大量水分扩散上升至胀缩性土分布层位，会导致胀缩性土遇水膨胀，使上部的构筑物受损，严重影响重大工程的安全运营。现有的用于大型工程的地下水监测设备多是埋在土体中的渗压计，考察内外压是否平衡，但只单纯考虑了孔隙水压力。胀缩性土具有水敏感性和急剧变形特征，由于毛细上升作用，在饱和水位上至膨胀土之前，水分会优先扩散至胀缩性土层位，同时由于含水层的渗透性能及胀缩性土毛细吸力的差异，饱和水位与胀缩性土距离相同条件下的水分迁移量不同，因此需要根据土体的粒径及渗透系数确定的最大毛细上升高度划定较为精确的临界水位值。同时为了保证安全，同时设定土体变形的临界值，及时疏排地下水。这种水分敏感的胀缩性土环境地下水监测预警系统尚未见报道。因此，亟需一种基于水位及土体位移双控的胀缩性土环境地下水在线监测与预警系统。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块。水位监测模块，与中央控制模块连接，用于水位传感器测定胀缩性土及下部含水层中水位变化信息；其中水位传感器通过施工的小孔径监测井安装在水底及水面之上各一个，通过测定水压与气压差折算水位高度；可以是自主设计的传感器也可以是Diver等产品。土体位移监测模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的位移传感器监测土体位移变形情况；其中土体位移传感器安装在胀缩性土体层底一个以及胀缩性土体中间一个或多个；用以监测不同部位的土体变形量；可以是自主设计的传感器也购置具有连续传输数据的位移传感器产品。当任意一个土体位移传感器监测到的变形量超过预警值即触发警报。中央控制模块，与水位监测模块、土体位移监测模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；预警模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；设定水位阈值警报器，一旦水位上升至水位临界值h，或土体位移变化临界值β，就发出警报。其中水位临界值h的测算是：水位距胀缩性土底层的距离一旦小于胀缩性土毛细上升最大高度(乘以安全系数后的高度)，就发出警报。水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径。两者可以通过土工实验测试而得；α为安全系数设定为1.5。土体位移变化临界值β的测算是：现在监测时刻的位移变量at一旦大于前一监测时段位移变化值at-1的20％，就发出警报。而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量。两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得；疏排水模块，与中央控制模块连接，用于通过自动抽取地下水进行疏排水；当疏排水模块将水位降低至距离胀缩性土2h之时，停止抽水，各模块恢复监测状态。更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法包括以下步骤：步骤一，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过土体位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；步骤二，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；步骤三，通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；通过疏排水模块利用自动抽取地下水进行疏排水；步骤四，通过更新显示模块利用显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。进一步，步骤一中，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过设置于胀缩性土体内部的位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；包括：水位传感器通过施工的小孔径监测井安装在水底及水面之上各一个，通过测定水压与气压差折算水位高度；可以是自主设计的传感器也可以是Diver等产品。土体位移传感器安装在胀缩性土体层底一个以及胀缩性土体中间一个或多个；用以监测不同部位的土体变形量；可以是自主设计的传感器也购置具有连续传输数据的位移传感器产品。当任意一个土体位移传感器监测到的变形量超过预警值即触发警报。步骤三中，所述通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知，包括：设定阈值警报器，一旦水位上升至水位临界值h，或土体位移变化临界值β，就发出警报。其中水位临界值h的测算是：水位距胀缩性土底层的距离一旦小于胀缩性土毛细上升最大高度(乘以安全系数后的高度)，就发出警报。土体位移变化临界值β的测算是：现在监测时刻的位移变量at一旦大于前一监测时段位移变化值at-1的20％，就发出警报。其中水位预警值为距离胀缩性土层底h≤2.5α/[21-3.4ln(k×107)]×1/D式中k为胀缩性土的渗透系数，D为土体等效粒径。两者可以通过土工实验测试而得；α为安全系数设定为1.5。而土体位移的临界值为β＝(at-at-1)/at-1≥20％式中at为监测时刻的土体位移形变量，at-1为前一监测时刻的土体位移形变量。两者可以通过土体位移监测模块连续监测得，β值为计算机连续计算获得；当疏排水模块将水位将至2h之时，停止抽水，各模块恢复监测状态。本专利技术的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法。本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，其特征在于，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：/n水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块；/n水位监测模块，与中央控制模块连接，用于水位传感器测定胀缩性土及下部含水层中水位变化信息；/n土体位移监测模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的位移传感器监测土体位移变形情况；/n中央控制模块，与水位监测模块、土体位移监测模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；/n预警模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；/n疏排水模块，与中央控制模块连接，用于通过自动抽取地下水进行疏排水；/n更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对测定得到的土中水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统，其特征在于，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统包括：
水位监测模块、土体位移监测模块、中央控制模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块；
水位监测模块，与中央控制模块连接，用于水位传感器测定胀缩性土及下部含水层中水位变化信息；
土体位移监测模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
中央控制模块，与水位监测模块、土体位移监测模块、预警模块、疏排水模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
预警模块，与中央控制模块连接，用于通过设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；
疏排水模块，与中央控制模块连接，用于通过自动抽取地下水进行疏排水；
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对测定得到的土中水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。


2.一种应用如权利要求1所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，其特征在于，所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法包括以下步骤：
步骤一，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过设置于胀缩性土体内部的位移监测模块利用设定的位移传感器监测土体位移变形情况；
步骤二，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警系统各个模块的正常运行；
步骤三，通过预警模块利用设定的阈值警报器对异常水位计位移情况进行预警通知；通过疏排水模块利用自动抽取地下水进行疏排水；
步骤四，通过更新显示模块利用显示器对测定得到的土中水分变化及水位变化信息、土体位移变形情况、预警通知以及疏排水情况的实时数据进行更新显示。


3.如权利要求1所述的用于胀缩性土环境的地下水在线监测与预警方法，其特征在于，步骤一中，通过水位监测模块利用水位传感器测定胀缩性土及下部含水层的水位变化信息；通过设置于胀缩性土...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振兴，李向全，李金秋，马剑飞，桂春雷，刘聪，
申请(专利权)人：中国地质科学院水文地质环境地质研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13