0 引言

近年来，基坑工程向大深度、大面积发展，基坑深度已发展到30 m以上[1]。由基坑引发的地下水问题也越来越严重，特别是基坑开挖面下部的承压水会引起坑底隆起、底板涌水等问题，易导致基坑失稳，发生安全事故，因此，承压水的有效控制成了整个基坑工程顺利进行的关键[2]。目前，井点降水法因其便捷性和经济性被大量工程项目采用[3]，其方法是在基坑四周埋设井点管，让地下水渗到井点管中，通过水泵抽水，直到地下水降到设计水位为止[4-5]。但是，目前建筑工地在应用井点法降排水时，普遍采用简单粗放的方式，即用潜水泵24小时不间断排水，另派专人巡查。由于缺乏对地下水位的精确掌控，极易出现“无水空抽”“过度抽水”的现象，如不能及时发现状况，极易造成安全事故。

当前，基坑开挖与城建密集、地下管线众多、建设场地狭小、周围环境要求高等不利因素的矛盾日益突出，这对基坑降水提出了更高要求，深基坑降水过程的自动控制也被提上日程[6]。目前，关于深基坑自动降排水的相关文献较少，已有文献也普遍未能解决无线可靠传输及地下水位分析与预警等问题，国内一些研究单位根据自己的工程经验开发出实现初步自动控制的减压降水控制技术，但真正能够应用到工程实际中的相对较少。针对以上存在的问题，本文提出了一种基于物联网架构的深基坑降排水控制系统的设计方案，设计了一种基于GPRS无线通信的测控节点装置。该节点设置于深基坑井点管内，可实时采集水位状态数据，当基坑水位持续超过设定时间时，可进行声光报警。采集的数据汇集到服务器云平台，该平台可对数据进行分析和预测，并可将信息推送到管理人员手机客户端。通过该方案构建的具有自动监控功能的深基坑降排水系统，可实时监控基坑内水位的变化，减少人工成本，降低安全事故，有利于开展绿色施工，减轻自动排水施工难度，提高经济和社会效益。

1 降排水系统总体结构设计

如图1所示，该深基坑降排水控制系统由“数据采集和分析模块”“控制模块”两部分构成。“控制模块”采用微控制器芯片作为主控制芯片，利用GPRS通信与“数据采集和分析模块”交换数据，该模块实现功能如下：①当基坑水位达到水位上阈值时，触发开关闭合操作，自动启动水泵抽水；当水位降到下阈值时，触发开关断开操作，水泵停止工作。②当基坑水位持续超过设定的水位时，定时器计时，进行灯控和声控报警。③向“数据采集和分析模块”传递水位状态数据。

本文以浙江省乐清湾某码头为实例工程，设计真空联合堆载预压处理方案，然后借助ABAQUS有限元计算软件，通过三维数值模拟，分析处理过程中实例工程地基承载力、沉降量变化。最终计算结果显示，实例工程最终固结度达到94.5%，且沉降速率减小至1.0mm/天，满足规范要求，加固效果良好。

在农业机械化法律关系中，出现了责任主体和监督主体不明晰的现象。目前在全国范围内，我国尚未建立一个完善的农业机械安全管理法律制度。针对农机管理部门对农业机械的初次检验、年度检验和临时检验；农业机械的停驶登记、报废登记；农业机械驾驶操作人员的考核、安全教育、证照核发、变动登记、年审、农机违章和责任事故的处理等一系列的问题在各个地区之间存在的差异不大，可以在全国范围内确立统一的标准，由政府主管的农业部门作为主要监管机构，联合交通运输部门和公安部门，形成一个较为完善的农业机械管理体系，对农业机械化的安全管理问题明确一个相对清晰的责任划分，方便农业机械的安全管理。

我们设置水样的ph值梯度为：1、2、3、4、5、6、7；浒苔粉目数梯度为：40、60、80、100；藻粉浓度梯度：2、6、10、14、18和22 g/L；温度：27℃和32℃。在研究不同温度下浒苔粉对Ni2+的吸附情况，我们还需要设置Ni2+的初始浓度梯度：10、20、30、40 和 50 mg/L。

  

图1 深基坑降排水控制系统结构示意图

2 深基坑降排水系统控制节点硬件设计

2.1 主控制模块设计

2)采集机程序。采集机程序通过GPRS手机网络与现场控制节点交互信息，主要任务是实时采集水位信息并保存在数据库中，形成历史数据，并可根据功能需求下达命令给现场控制节点。

  

图2 控制模块电路图

2.2 无线收发模块设计

图4所示为数字输入模块，用来采集深基坑水位状态数据和水泵工作状态数据[7]，包括并联电阻R11和R12，电阻R36另一端连接有电阻R13和发光二极管LED1，电阻R12另一端连接有三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接电阻R14，三极管Q1的集电极连接电阻R11。图5所示是数字输出模块，模块的输入端与主控制器的25脚连接，输出端通过继电器与潜水泵连接，用以控制潜水泵通断。数字输出模块包括并联的电阻R21和R22，电阻R21另一端还连接有电阻R23和发光二极管LED2，电阻R22另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接电阻R24，三极管Q2的集电极连接电阻R21另一端。

 

2.3 数字输入和输出模块设计

图3所示为主控制模块中的无线收发子模块，采用MG2639型芯片，该芯片是中兴通讯研制的GSM850/EGSM900/DCS1800/PCS1900四频工业模块，能实现无线数据高速传输。图3中，7脚RSSI_LED内部下拉，为普通I/O，电流驱动能力较弱，此处，通过增加一个三极管S8050来驱动LED灯，起到网络信号指示的作用。17脚为复位管脚，需要拉低500 ms，可对MG2639进行复位，复位信号由主控制器的27脚I/O口发出。24脚为PWRKEY管脚，通过给该管脚一个持续时间2～5 s的低电平脉冲，模块即可开机。29、30脚接主控制器的UART接口，用于发送AT指令，传输数据业务，升级模块软件等，通信速率设置为19 200 bit/s。

  

图4 数字输入模块

  

图5 数字输出模块

2.4 电源子模块设计

1)控制器程序。通过设置在深基坑井点管内的水位传感器动态实时采集水位信息，水位信息传到控制模块，并由控制模块通过GPRS通信方式实时传输给采集机。当深基坑井点管内水位达到警戒上阈值时，由控制模块触发开关闭合操作，自动启动潜水泵抽水；当井点管内水位降到警戒下阈值时，触发开关断开操作，水泵停止工作，以防止水泵无水空抽，损坏电机。当水泵处于抽水状态，并且井点管内水位持续超过警戒上阈值且超过定时器设定的时间周期后，由控制模块触发灯控和声控报警装置。

 

3 系统软件设计

系统软件工作流程见图8，包括控制器程序、采集机程序、数据分析与服务程序和Web浏览服务程序[8]4个部分，具体如下：

“数据采集和分析模块”的功能如下：①通过GPRS让采集机采集“控制模块”获取的水位数据，并保存到数据库，形成历史数据。②对历史数据进行分析和挖掘，形成水位动态信息、报警信息、水情预测信息等，并通过Internet向计算机或手机推送消息。③通过GIS地图从全局的角度了解井内水位状态的详细情况，同时提供访问具体设备的便捷接口。④在不影响系统运行的情况下，可在线增加或删除水位状态监控点。

图6所示是3.9 V电源子模块，采用MIC29302电源转换芯片为GPRS芯片MG2639提供电源；图7所示为3.3 V电源供电模块，采用XC6219B332MR电源转换芯片为STM32主控制器、485接口电路和数字输入输出电路提供电源。

  

图7 3.3 V电源供电模块

  

图8 系统软件工作流程图

如图2所示，主控制模块的主控制器采用STM32系列32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，最高工作频率是72MHz，支持单周期乘法和硬件除法功能。其中，21、22脚接 2路数字输入信号，接收水位传感器发送的状态信号；25脚接1路数字输出信号，用来驱动继电器模块控制潜水泵启停切换；12、13脚接 RS485通信接口芯片，用来和上位机进行 485通信；30、31脚接GPRS通信模块的29、30脚，通过UART口将采集的水位状态数据发送给GPRS模块 ；44、20脚 接 BOOT0和BOOT1，为系统启动方式选择项。本设计中，选择内嵌SRAM为控制器启动区域。ND

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3)数据分析与服务程序。该程序模块实时获取数据库中的水位信息，对数据进行分析和挖掘，形成水位动态状态信息、报警信息、水情预测信息等，并通过Internet向计算机或移动客户端推送消息。

4)Web浏览服务程序。Web浏览服务由相关软件功能模块承担，满足用户使用计算机或移动客户端浏览水位状态、报警信息、水位预警信息等需求。在异常情况发生时，模块将主动推送报警信息到相关管理人员的客户端，相关管理人员可以远程实时掌握深基坑水位的安全状态和预测信息。

4 结语

本文研究了深基坑降排水的实现机理，提出了一种基于物联网架构技术的深基坑降排水控制系统的解决方案，给出了系统总体结构图，设计了用于监控井下水位的硬件节点装置，分析了控制系统的工作主要流程。采用该方案进行深基坑降排水控制具有以下优点：①可以自动完成基坑降排水工作，保证基坑水位在安全高度，为安全施工提供保证；②基于物联网架构技术，可根据深基坑的规模进行设备配置，简化自动化设备架构复杂度；③可为施工提供监测数据和决策信息，增强经济和社会效益。

参考文献：

[1] 中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.深基坑支护技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 李卫华，车灿辉.城市深基坑工程地下水位监测问题的研究[J].探矿工程，2013，40（6）：70-72．

[3] 杨雄.深基坑施工地下水位监测技术研究[J].地基与基础，2013，27（4）：534-536．

[4] 李家富，杨正贵，丁国泰.深窄基坑降排水及开挖施工技术[J].人民长江，2014，45（8）：70-73．

[5] 袁光辉，刘勇，诸葛仲彦，张子勤，何宣仿.大型深基坑分区封闭降排水施工技术[J].施工技术，2017，46（14）：22-24．

[6] 蔡宽余.深基坑工程减压性降水自动控制系统研究[M].成都：电子科技大学出版社，2011：9.

[7] 付磊.煤矿井下排水控制系统设计与优化[M].徐州：中国矿业大学，2014.

[8] 郑文彦.基坑工程减压降水监测可视化系统研究[M].上海：上海交通大学，2013.