项目背景与行业痛点

深基坑、地下室、地铁车站、地下通道及大型地下空间施工过程中，地下水位直接影响土方开挖、坑底稳定、基础施工和支护体系安全。为了保证开挖面干燥并控制地下水，需要通过降水井持续抽排地下水，使坑内水位保持在施工要求范围内。

基坑降水并不是简单地“水位越低越好”。开挖深度、土层渗透性、地下水补给、连续降雨、邻近河道以及施工阶段不断变化，所需要的合理降深也会随之调整。如果长期过度抽水，可能扩大地下水降落漏斗，引起周边地层失水、地面沉降、道路变形、建筑物沉降或邻近地下管线环境影响。

传统降水工程通常采用人工查看井水位、现场启停水泵的方式。多个降水井分散运行时，很难实时掌握每口井的水位、泵运行、电流、故障和实际执行状态，也容易出现某些水泵长期运行、部分水泵频繁启停或故障后未及时发现的问题。

另外，单独监测坑内水位仍然不足以判断降水是否合理。对于周边环境敏感的基坑，还需要同步观察坑外观测井水位。如果坑内水位满足施工要求，而坑外地下水位下降过快，则说明降水可能对周边地层产生较大影响，需要结合设计重新调整抽水策略。

水位监测基坑降水自动化系统通过对坑内外观测井和降水井进行连续水位监测，结合水泵状态、电流、电源和故障信号，由边缘控制主机根据经过项目确认的上下限、变化率、多井关系及保护条件实施泵组启停或轮换，并通过4G或以太网连接SIYB智能监测平台，实现“水位监测—降深判断—水泵控制—执行反馈—异常告警—数据留痕”的闭环降水管理。

建设目标与监测目标

本项目建设基坑地下水位自动化监测与降水泵联动控制系统，对基坑内部降水井、坑内观测井和坑外环境观测井进行长期连续监测。

系统主要监测各井实时水位、水位高程、相对初始水位变化、基坑降深、水位变化速率、回升速度以及不同观测井之间的水位差异。

同步监测各降水泵运行、停止、手动/自动状态、电流或功率、过载、缺相、电源、控制指令和执行反馈。

通过坑内外多井综合在线监测，在保证坑内施工降水要求的同时，避免只追求低水位而形成不必要的过度降水。

系统根据施工阶段和经审批的降水控制策略，对泵组实施自动启停、轮换、最小停机时间、干转保护和故障锁定，并保留现场手动和应急处置能力。

需求分析

基坑降水自动化首先需要解决统一高程基准问题。不同观测井井口高程往往不同，因此不能简单比较传感器测得的“水深”，而应将传感器数据转换到统一工程高程体系后比较地下水位。

第二，需要区分坑内水位与坑外环境水位。坑内水位主要服务施工降深控制，坑外观测井用于观察降水对周边地下水环境的影响，两类测点承担不同作用。

第三，需要根据不同施工阶段调整目标水位。随着基坑逐层开挖，允许和需要的地下水位通常发生变化，因此控制逻辑不宜从项目开始到结束始终使用一个固定水位值。

第四，需要建立泵状态反馈。如果系统只发送“启动水泵”指令却不采集运行、电流或接触器反馈，就无法判断水泵是否真正启动，也无法识别断电、过载、堵塞和其他故障。

第五，需要设置失效安全。传感器漂移、通信中断、边缘主机异常或公网断线时，系统不能盲目持续启停水泵，应根据项目设计进入明确的安全状态，并保留现场手动控制优先级。

第六，重要基坑还应把水位与周边沉降、水平位移、地下水渗压和降雨联合分析，防止自动降水系统只关注坑内施工条件而忽略周边环境影响。

总体解决方案

本方案采用S-FPDW基坑降水自动化监测控制系统，由井水位感知组件、水泵及电气控制组件、边缘监测控制主机、4G/以太网通信、备用供电机制以及SIYB基坑安全监测平台组成。

在坑内观测井、降水井和坑外观测井安装投入式压力水位或项目化井水位测量终端，对各井地下水位进行连续采集。

每口井建立井号、坐标、井深、井口高程、传感器安装深度和统一水位高程基准，使不同井之间能够进行直接比较。

边缘监测控制主机持续获取多井水位，计算降深、水位变化速率和多井关系，同时采集水泵运行、手自动、电流、过载、缺相、电源和控制反馈。

根据项目审批后的施工阶段目标水位、上下限、变化率、泵组轮换、最小停机时间和保护逻辑，边缘主机向合格的水泵电气控制柜发送控制请求。

现场数据和控制记录通过4G或以太网上传SIYB平台，实现远程查看、告警、人工接管、运行记录和参数审计。

系统架构设计

系统采用地下水感知层、电气执行层、边缘控制层、通信层、云平台层和施工管理层六级架构。

地下水感知层由坑内外观测井和降水井水位监测终端组成，负责获取连续地下水位。

电气执行层由符合项目电气设计要求的水泵控制柜、接触器、保护单元、手自动切换、反馈回路及泵组组成。

边缘控制层负责水位换算、降深、变化率、多井分析、启停判断、轮换、干转保护、最小停机时间、故障锁定、本地存储和断网自治。

通信层采用RS485/Modbus连接现场设备，远程通信通常采用4G或以太网，也可根据项目条件配置其他通信方式。

SIYB平台集中显示多井水位、降深、水泵运行、电流、故障、控制记录和施工状态。

施工管理层根据开挖阶段、降水设计和周边变形监测结果，对目标水位及控制策略进行授权调整。

监测内容与监测方法

井水位是系统最核心的直接监测参数。投入式压力水位感知组件布设于观测井或降水井内，通过静水压力获得对应水柱高度，并结合井口高程和传感器位置换算实际地下水位。

坑内水位用于判断地下水是否满足当前土方开挖、基础施工和坑底稳定所要求的降水条件。

坑外水位用于观察地下水降落漏斗向周边扩展情况，是控制过度降水和环境影响的重要依据。

降深表示地下水位相对于项目规定基准或初始地下水位降低的程度，可以分别针对单井、区域或施工阶段进行管理。

水位变化速率用于观察地下水快速下降或快速回升。当绝对水位尚未达到控制线，但短时间下降速度明显异常时，也可提前进入关注状态。

水泵状态同步监测包括运行、停止、手动、自动、故障、电源、电流以及项目配置的功率等参数。

控制反馈用于确认边缘主机发出的启停指令是否真正执行，避免平台显示“已启动”而现场水泵实际上没有运行。

技术原理与算法模型

投入式压力水位测量基于液体静压力与水柱高度之间的关系。传感器在水下测得压力后，可根据压力、液体密度和重力加速度换算传感器上方水柱高度。

对于表压型水位传感器，应考虑大气压平衡、通气管状态、液体密度、温度及安装高程等因素对长期测量的影响。

设某观测井初始地下水位高程为H0，当前水位高程为Ht，则相对水位变化可表示为ΔH=Ht-H0。

如项目定义向下降水为正降深，则降深可以按照项目坐标和符号约定由初始水位与当前水位计算。平台应统一正负方向，避免不同井采用不同定义。

水位变化速率可以表示为VH=(Ht-Ht-1)/Δt，用于识别快速下降、快速回升或异常突变。

自动启停控制通常采用上下限与回差逻辑，而不在一个单一水位点反复开关水泵。例如水位达到启动条件后启动相应泵组，下降至停止条件后关闭，从而减少频繁启停。

对于多泵系统，可根据累计运行时间和设备状态实施轮换，使不同水泵工作时间相对均衡。

对于多井系统，应同时检查坑内水位、坑外观测井、泵状态和保护条件，而不建议仅依据一口井水位直接控制整个基坑全部水泵。

系统功能设计

系统具备多井水位连续监测、统一高程换算、降深计算、水位变化率分析、泵组自动启停、泵组轮换、最小停机时间、干转保护、故障锁定和人工优先等功能。

实时监测功能显示每口观测井和降水井当前水位、水位高程、降深、变化速率和通信状态。

泵组管理功能显示每台水泵运行、停止、手自动、电流、故障、电源和控制反馈。

多井联动功能可以同时考虑坑内多个观测井和坑外环境观测井，避免局部传感器异常导致不合理控制。

边缘自治功能使现场在4G公网中断时仍可按照已经验证并下发的策略运行。

质量控制功能自动识别水位越量程、突然跳变、长时间不变化、传感器漂移、断线和通信失败。

平台支持人工接管，并记录人工启停、自动控制、参数修改和故障恢复全过程。

硬件组成与配置方案

系统主要由投入式井水位传感器、井口安装及防护组件、防水电缆、边缘监测控制主机、水泵电气控制柜、接触器与保护装置、电流采集组件、4G通信模块、备用电源和现场防护箱组成。

坑内观测井用于判断施工区域地下水位，坑外观测井用于观察周边地下水环境变化，降水井负责实际抽水。

每口水位监测井均应建立完整点位档案，包括井号、坐标、井深、井口高程、传感器编号、安装深度和水位基准。

多个水位设备可通过RS485/Modbus或项目化无线方式汇聚到边缘主机。

边缘主机不直接驱动大功率水泵，而是通过继电器、PLC或控制接口向合格的电气控制柜发送控制信号。

水泵控制柜负责接触器、热继电器、缺相、过载、短路及项目要求的其他电气保护。

远程通信采用4G或以太网，现场监测主机配置备用电源，使短时停电期间仍能维持监测、告警及状态记录。

核心设备参数

S-FPDW基坑降水自动化监测控制系统可采用投入式压力水位、静压或项目化井水位测量方式。

典型水位量程可配置0～20m、0～35m或0～70m水柱，更深井或更高精度要求需要根据项目专项配置。

水位参考精度典型为±0.1%F.S～±0.2%F.S，实际测量结果还受到大气压、液体密度、温度、通气和现场安装影响。

水位分辨率典型为1mm～1cm，具体随量程、采样设置和数据展示配置确定。

水泵控制支持远程启停、手动/自动切换、水位上下限、泵组轮换、最小停机时间和故障锁定。

状态采集支持水泵运行/停止、手自动、电流或功率选配、热继/过载、缺相、水位、通信和电源状态。

控制输出可采用继电器、接触器控制接口或PLC接口。涉及大功率水泵时，必须由合格电气控制柜执行功率回路控制。

现场通信支持RS485/Modbus，远程通信支持4G或以太网；多井可通过无线或有线方式汇聚。

水泵控制系统通常根据实际泵组采用AC220V或AC380V供电设计，监测控制主机配置相应备用电源。

边缘策略支持水位上下限、变化率、多井联动、轮换、干转保护、频繁启停抑制和断网自治。

软件平台与数据展示

SIYB基坑安全监测平台按照“项目—基坑—井组—观测井/降水井—水泵”的层级管理现场数据。

站点总览显示坑内平均水位、坑外环境水位、当前降深、运行泵数量、故障泵数量以及设备通信和电源状态。

井水位页面显示各井实时水位、水位高程、降深、变化速率以及最近数据时间。

多井曲线可以将坑内观测井、降水井和坑外环境井同步显示，直接观察降水漏斗和不同区域水位变化。

泵组页面显示运行、停止、手自动、电流、故障、累计运行时间以及最近启停记录。

控制记录页面保存自动控制、远程人工控制、现场手动控制、执行反馈和失败原因。

质量控制页面自动标记超量程、突变、漂移、断线、离线、低电、维护和校准状态。

平台支持日报、月报、告警处置记录以及CSV、Excel数据导出，并可根据项目要求通过API、Modbus、MQTT等方式对接第三方系统。

数据分析与智能应用

基坑降水数据分析首先应围绕“施工需要的降深是否达到，同时是否出现过度降水”展开，而不是只寻找最低水位。

对于坑内观测井，可以按照开挖阶段统计平均水位、最低水位和降深变化，并与当前基坑底标高进行对应。

对于坑外观测井，可持续比较水位下降范围和下降速率，观察降水对周边地下水环境的影响。

如果坑内水位仍高于施工控制目标，而降水泵长时间运行，可以结合泵电流、井水位变化和其他井数据判断是否存在补水量大、泵效率下降或井体异常。

如果坑内水位已经明显低于施工所需范围，同时坑外水位持续下降，则应重点关注是否存在过度降水。

多泵运行数据可以统计累计运行时间、启动次数和故障次数，为泵组轮换和维护提供依据。

降雨数据可与水位放在同一时间轴，观察暴雨后地下水回升幅度和响应时间，为应急排水调度提供数据。

如果项目同时接入周边沉降、水平位移或建筑变形监测，可以观察坑外水位下降与周边变形之间是否存在同步变化趋势。

预警机制与决策支撑

基坑降水系统可围绕水位绝对值、目标降深、水位变化率、多井关系、泵故障和周边环境影响建立分级预警。

坑内高水位预警用于识别当前地下水位未达到施工要求，提示检查泵组运行和降水能力。

坑内过低水位提示用于识别可能存在的过度抽水状态，尤其需要结合坑外观测井共同判断。

坑外快速降水预警用于发现周边地下水位下降速度异常，即使坑内施工水位正常，也应进入环境影响复核。

快速回升预警适用于暴雨、停泵、地下水补给增强或井系统异常等场景。

水泵故障报警包括启动无反馈、运行电流异常、过载、缺相、电源故障、干转风险和通信异常。

系统可根据项目设置多井组合规则，例如“坑内水位偏高+运行泵不足”“坑内水位正常+坑外水位快速下降”“暴雨+水位快速回升+备用泵不可用”等。

实际水位控制线、启停线和环境水位变化控制值必须依据降水设计、基坑监测方案、施工阶段和周边环境保护要求确定，不能直接使用传感器量程或精度作为工程报警值。

自动降水与水泵联动控制

水泵自动控制采用经过项目审批的水位上下限、回差、施工阶段、多井关系和设备保护条件，不建议采用单点单阈值直接启停全部水泵。

当坑内水位达到启动条件且水泵、电气、通信和保护状态满足要求时，边缘主机可以向控制柜发送启动请求。

控制柜完成实际水泵启动后，通过运行反馈和电流信号向边缘主机确认执行结果。

当水位下降至停止条件并满足最小运行时间时，可停止相应泵组，避免水位在临界位置波动导致水泵频繁启停。

多台水泵可以根据累计运行时间轮换，减少单台水泵长期连续工作。

水位过低或出现干转风险时，可根据项目规则停止相关水泵并产生报警。

当某台泵发生过载、缺相或启动失败时，系统可锁定故障泵并提示人工处理；是否自动投入备用泵根据项目控制策略确定。

远程自动控制始终应保留现场手动控制和应急排水能力，自动化系统不能替代现场电气保护和应急预案。

项目实施方案

项目实施前首先取得基坑降水设计、井点布置图、井深、井口高程、目标水位、施工阶段、周边环境允许影响、水泵参数和应急排水方案。

现场对所有降水井和观测井编号，并建立坐标、井深、井口高程、传感器零点和对应水泵关系。

根据最大井深和预计地下水位变化范围选择20m、35m或70m等合适水位量程。

完成水位传感器安装后，与人工水位测量或项目认可参考方法进行比对，确认水位高程计算正确。

由合格电气人员完成水泵控制柜、接地、手自动切换、保护和运行反馈回路，监测主机不直接承担大功率泵负载。

随后冻结水位上下限、变化率、最小停机时间、泵组轮换、干转、故障锁定、人工优先级和断网策略。

正式运行前逐井开展水位比对，并模拟水泵启停、启动失败、泵故障、传感器断线、4G断网、停电和备用电源等场景。

完成试运行后建立正式水位基线和自动控制参数，并随着开挖深度和施工阶段变化重新评估目标水位。

运维服务保障

水位监测系统长期运行应重点检查传感器、水井、电缆、通气结构、控制柜、水泵和通信设备。

投入式水位传感器应根据现场水质和井内泥沙情况检查是否存在淤积、附着或传感器位置变化。

通气型压力水位设备应保持通气结构畅通，避免堵塞、进水或冷凝影响压力补偿。

降水井进行清井、换泵或维修以后，应重新检查水位传感器安装深度和控制参数。

水泵应根据累计运行时间、启动次数、电流趋势和故障记录开展针对性维护。

4G网络中断时边缘主机继续采集和执行已验证的现场规则，恢复联网后按照原始时间戳补传数据和控制记录。

暴雨、开挖阶段变化、周边沉降异常或地下水环境明显变化后，应重新评估目标水位和自动控制策略。

水位基准、量程、控制值、轮换规则、泵更换和人工接管均应形成版本记录。

项目优势与方案价值

本方案不是单独提供一个地下水位传感器，而是将多井水位、水泵状态、电气保护、边缘控制、4G通信和SIYB平台组成完整基坑降水自动化系统。

坑内和坑外观测井统一进入同一高程体系，可以同时兼顾施工降深和周边地下水环境影响。

20m、35m和70m等不同水位量程能够根据实际井深选择，适应不同规模基坑降水工程。

水泵运行、电流、故障、电源和控制反馈与水位同步采集，使系统不仅知道“水位是多少”，还能够知道“水泵是否真正执行”。

边缘自治控制减少4G公网异常对降水控制的影响，并通过最小停机时间、干转保护和故障锁定降低不合理控制。

泵组轮换可以根据项目策略均衡设备运行时间，降低单台泵长期连续运行形成的设备风险。

平台完整保存水位、泵状态、控制指令、执行反馈、故障、人工接管和参数修改，使自动降水全过程可追溯。

系统还可以与沉降、水平位移、孔压和降雨综合在线分析，使基坑降水从单纯抽水管理升级为地下水和周边环境协同控制。

应用场景

本方案适用于深基坑降水，对坑内外观测井和多口降水井进行连续水位监测及自动泵组控制。

适用于地铁车站和轨道交通基坑，对多井、分区降水和备用泵实施集中监测和故障管理。

适用于建筑地下室施工，在控制坑内水位的同时观察坑外地下水异常下降或回升。

适用于大型地下空间、市政地下工程和地下通道施工降水。

适用于工业厂房及大型设备基础深基坑地下水控制。

适用于水利和地下工程施工中的临时降水与排水系统。

适用于暴雨、停电或泵故障条件下需要保留现场联动和备用排水能力的应急排水系统。

效益分析

监测连续性方面，将人工间断测井扩展为坑内外水位和泵运行状态的连续时间序列，使施工管理人员能够完整掌握降水过程。

降水控制方面，多井水位和分阶段目标水位能够减少单纯追求低水位导致的无效抽水和环境影响风险。

故障发现方面，通过泵运行、电流、电源和反馈监测，可以更快发现启动失败、过载、缺相和异常停泵。

环境管理方面，将坑外水位与周边沉降、水平位移联合分析，可以为地下水环境影响判断提供数据。

远程管理方面，4G平台使多口井和多台泵能够集中查看，减少人工逐井读取和现场巡查工作量。

资料管理方面，自动保存水位、启停、故障、人工接管、施工阶段和参数变更，形成完整基坑降水数字档案。

标准规范与政策依据

建筑基坑地下水、周边环境及相关监测可根据项目实际适用范围参考GB 50497-2019《建筑基坑工程监测技术标准》。

建筑施工安全管理可根据实际项目参考GB 50870-2013《建筑施工安全技术统一规范》。

涉及井口高程、水位高程和周边变形配套测量时，可参考GB 50026-2020《工程测量标准》。

具有外壳防护等级声明的现场设备可参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。

采用Modbus方式进行水位设备、边缘主机和PLC系统集成时，可参考Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

综合在线平台涉及网络安全建设时，可根据实际项目要求参考GB/T 22239-2019《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》。

具体降水目标、水位控制值、泵组配置、自动启停条件及应急排水流程，应以项目降水设计、基坑专项施工方案、监测方案和责任单位批准文件为准。

成功案例

成功案例应以真实实施并获得公开授权的项目资料为准。典型深基坑自动降水项目，可以在坑内设置多个观测井和降水井，并在基坑外围设置环境水位观测井。

所有观测井建立统一高程基准，边缘控制主机持续采集坑内外地下水位，并同步读取各降水泵运行、电流、电源和故障状态。

随着基坑逐层开挖，项目根据施工阶段调整目标地下水位。当地下水位回升至启动条件并满足设备保护要求时，边缘主机向相应水泵控制柜发送启动请求，并通过运行和电流反馈确认水泵已经正常工作。

水位下降到项目停止条件后，满足最小运行时间的水泵停止运行，并按照累计运行时间实施泵组轮换。

如果坑外观测井水位出现异常快速下降，即使坑内水位满足施工要求，平台也可按照项目规则产生环境水位预警，提示管理人员检查是否存在过度降水，并结合周边沉降和位移数据进行复核。

当4G网络暂时中断时，现场边缘主机继续按照已经确认的控制规则运行并保存水位、控制和故障记录；网络恢复后再将历史数据补传至SIYB平台。

以上内容属于基于S-FPDW系统能力编制的典型应用流程，不作为欣仰邦既有客户名称、真实项目业绩或固定量化效果声明。

参考文献

[1] GB 50497-2019，《建筑基坑工程监测技术标准》。

[2] GB 50870-2013，《建筑施工安全技术统一规范》。

[3] GB 50026-2020，《工程测量标准》。

[4] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[5] GB/T 22239-2019，《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》。

[6] Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

[7] 深基坑地下水控制、降水井设计、多井降水及地下水降落漏斗相关工程技术资料。

[8] 基坑降水、周边地层沉降、地下水环境影响及水泵自动化控制相关技术资料。