融合物探法與回歸分析的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江志成

(江西省水利水電開發(fā)有限公司,江西 南昌 330001)

堤壩后期加固過程中，使用混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防滲加固堤壩設(shè)計(jì)，可以落實(shí)對(duì)堤壩的基礎(chǔ)性滲水問題，屬于一種可靠性相對(duì)較高的加固處理手段。但混凝土加固工程區(qū)別于常規(guī)性工程，屬于一種隱蔽性較強(qiáng)的工程，且在使用混凝土施工的過程中，存在工程連續(xù)性與均勻性差的問題，會(huì)影響防滲加固堤壩的整體平整度，也會(huì)出現(xiàn)一定層面的壩基滲水現(xiàn)象[1]主要原因在于防滲加固堤壩內(nèi)壩基的含水量較高，因此相關(guān)防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)的研究一直是工程施工方與監(jiān)理方的關(guān)注重點(diǎn)。常規(guī)的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)方法，大多采用直接鉆孔法，此種方法是通過在堤壩上鉆取取樣孔洞，獲取區(qū)域土質(zhì)樣品進(jìn)行檢測(cè)的方式，盡管此種含水量監(jiān)測(cè)方法可以通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)得到堤壩含水量的真實(shí)數(shù)值[2]。但在執(zhí)行與此方面相關(guān)的工作時(shí)，卻不可避免對(duì)堤壩整體結(jié)構(gòu)造成了損壞。因此，本文引進(jìn)物探法，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。本文系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩個(gè)核心部分構(gòu)成，并且將物探法應(yīng)用到此過程中，不僅具有操作便捷、監(jiān)測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)，也可以避免監(jiān)測(cè)行為受到堤壩環(huán)境的限制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)本文系統(tǒng)當(dāng)中的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置，本文選用ZigBee技術(shù)的ISF-1656型號(hào)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置。該裝置在實(shí)際應(yīng)用中具備更高的安全性，運(yùn)行功率更低，能夠保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)效益[3]。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在一個(gè)半徑為2.5 km的圓形范圍內(nèi)，設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的上傳下送目的。

本文在對(duì)基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)其監(jiān)測(cè)需要，硬件結(jié)構(gòu)組成包括：傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置、探測(cè)器、顯示器等。在本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首先，需要通過傳感器裝置對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含水量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄并采集。其次，將傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)的方式，將采集到的測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)當(dāng)中[4]。最后，由匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式將采集到的測(cè)量結(jié)果全部傳輸?shù)缴衔粰C(jī)當(dāng)中，完成所有操作。為確保傳感器能夠獲取更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，本文引入數(shù)據(jù)測(cè)量探測(cè)裝置，將其應(yīng)用在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)當(dāng)中。基于系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)要求，選用IVS64-560型號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量探測(cè)裝置，該裝置能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)提供低阻、高阻等多種不同的數(shù)據(jù)探測(cè)方法。該型號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量探測(cè)裝置全行程約5.5±0.5 mm，能夠充分滿足對(duì)防滲加固堤壩的測(cè)量長度需要。在探測(cè)裝置的探測(cè)結(jié)構(gòu)上增加探針，以此確保在實(shí)際測(cè)量的過程中不會(huì)接觸到堤壩周圍的水，減小采集結(jié)果的誤差，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于物探法的堤壩含水層厚度分析

為了掌握防滲加固堤壩含水量，引進(jìn)物探法，對(duì)統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行一種物探勘察，以此種方式掌握防滲加固堤壩表層平整度。考慮到在此過程中，防滲加固堤壩含水量受到區(qū)域降水補(bǔ)給量與淺水層蒸發(fā)等多種因素的影響，假定入水進(jìn)入呈現(xiàn)一種相對(duì)均衡的狀態(tài)，此時(shí)為了簡化分析流程，可將防滲加固堤壩入水過程近似看作一種相對(duì)均勻的運(yùn)動(dòng)[5]。在此種條件下，可對(duì)防滲加固堤壩表面平整度進(jìn)行下述假設(shè)，例如，將堤壩邊緣作為入水的邊界條件，可將半幅堤壩作為此次研究的分析對(duì)象，防滲加固堤壩表面的入水長度可用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：l為防滲加固堤壩的排水長度，m；B為防滲加固堤壩表面寬度，m；iz為區(qū)域淺蒸狀態(tài)下的水量，mm;ih為在h降雨厚度下的區(qū)域水量，mm。

在此基礎(chǔ)上，參照物探勘察方法，繪制防滲加固堤壩平整度預(yù)測(cè)圖示，如圖1。

圖1 基于物探法的堤壩含水層厚度預(yù)測(cè)

圖1中，x為防滲加固堤壩表面排水左側(cè)邊緣；y為防滲加固堤壩表面排水右側(cè)邊緣；W為補(bǔ)給量常數(shù)；h1與h2分別為含水層厚度。將防滲加固堤壩傾斜度作為平整度，以此完成對(duì)防滲加固堤壩含水量的初步分析。

2.2 導(dǎo)出防滲加固堤壩水量衰減因子

為了更加準(zhǔn)確的描述與監(jiān)測(cè)防滲加固堤壩含水量，可采用計(jì)算防滲加固堤壩水量衰減因子的方式，對(duì)防滲加固堤壩的追從性進(jìn)行分析[6-7]。在此過程中，應(yīng)當(dāng)掌握衰減因子的變化形式，主要是由防滲加固堤壩平衡水量能力確定得出的，在經(jīng)過對(duì)滲透系數(shù)的多次擬合處理后可知，冪函數(shù)與多項(xiàng)式函數(shù)，對(duì)于防滲加固堤壩對(duì)水分子的保有能力，具有較強(qiáng)的擬合效果，采用劃分防滲加固堤壩含水層的方式，定位水量衰減因子，可以提高分段函數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。因此，對(duì)防滲加固堤壩含水層進(jìn)行劃分，如表1所示。

表1 劃分防滲加固堤壩含水層

根據(jù)表1中信息，對(duì)不同層數(shù)與對(duì)應(yīng)深度，提出防滲加固堤壩含水層滲流系數(shù)的計(jì)算式如式(2)。

(2)

式中：ky為防滲加固堤壩含水層滲流系數(shù)；q為在指定時(shí)間內(nèi)，防滲加固堤壩含水層的排水量，m3；L為防滲加固堤壩含水層長度,m；A為截面積,m2；t為滲流時(shí)間,s。在對(duì)此方面進(jìn)行計(jì)算的過程中，需要注意的是上述提出計(jì)算公式需要符合Darcy定律，即只有在符合計(jì)算條件下，對(duì)防滲加固堤壩含水層滲流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，才能確保計(jì)算結(jié)果具備一定精準(zhǔn)度[9]。Darcy定律的適用范圍可以表示為式(3)：

(3)

式中：Re為Darcy定律的適用范圍；V為滲流速度最大值，m/d；D為需求條件，m/d；v為滲流速度，m/d。在經(jīng)過對(duì)Darcy定律的多次計(jì)算后，可知提出的計(jì)算公式適用于對(duì)防滲加固堤壩含水衰減因子的計(jì)算。因此，導(dǎo)出防滲加固堤壩水量衰減因子計(jì)算見式(4)。

(4)

式中：kx為在防滲加固堤壩x層的水量衰減因子。按照上述計(jì)算公式，完成對(duì)防滲加固堤壩水量衰減因子的有效導(dǎo)出。

2.3 基于回歸分析法的堤壩含水量分析

根據(jù)上述研究結(jié)果，參照國內(nèi)外對(duì)防滲加固堤壩含水的試驗(yàn)場(chǎng)分析結(jié)果，可知在對(duì)防滲加固堤壩含水量進(jìn)行監(jiān)控過程中，受到其排水層構(gòu)成的影響較為顯著。因此，采用回歸分析法，對(duì)不同排水條件下的影響因素進(jìn)行考慮，得出防滲加固堤壩含水量系數(shù)。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)定多個(gè)回歸系數(shù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，回歸計(jì)算過程如式(5)。

(5)

式中：hmax為防滲加固堤壩含水量系數(shù)；c1為含水層沿層厚度,mm；c2為表層厚度,mm；x0為潛水層排水能力；hm為排水層滲流強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)上述計(jì)算公式可知，防滲加固堤壩含水層與排水層厚度及其滲流強(qiáng)度等具有直接關(guān)系。因此，在對(duì)其含水量進(jìn)行最終統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測(cè)的過程中，可直接參照防滲加固堤壩相關(guān)參數(shù)，采用將數(shù)值直接導(dǎo)入的方式，便可以得出含水量系數(shù)。在完成計(jì)算后，便可掌握瀝青路面的含水量。

3 試驗(yàn)論證分析

在完成對(duì)基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，本章將采用對(duì)比試驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。此次試驗(yàn)在實(shí)施中，選擇某個(gè)正在施工的防滲加固堤壩市政工程作為研究對(duì)象，獲取工程在實(shí)施過程中相關(guān)資料，并以此為依據(jù)，劃分試驗(yàn)對(duì)象防滲加固堤壩含水層不同層厚度。其中含水層第一層為表層，主要由瀝青構(gòu)成，厚度為3.0 cm；第二層為表層淺層，主要由碎石構(gòu)成，厚度為8.0 cm；第三層為表層潛層，主要由大粒徑碎石構(gòu)成，厚度為10.0 cm；第四層為表層底層，主要由基底材料構(gòu)成，厚度為5.0 cm。根據(jù)工程實(shí)際需求可知，不同層的含水量是不同的，而本次試驗(yàn)將分別使用設(shè)計(jì)的基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)防滲加固堤壩不同層含水量系數(shù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，如表2所示。

表2 不同層含水系數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以直接看出，本文系統(tǒng)在對(duì)不同層含水量進(jìn)行分析的過程中，所得到的含水量系數(shù)結(jié)果是不同的，此種試驗(yàn)結(jié)果，也是符合工程實(shí)施客觀標(biāo)準(zhǔn)的，而傳統(tǒng)系統(tǒng)在對(duì)不同層含水量進(jìn)行分析的過程中，所得到的含水系數(shù)結(jié)果是相同的，此種結(jié)果與客觀需求呈現(xiàn)嚴(yán)重不符問題。因此，得出此次對(duì)此試驗(yàn)的結(jié)論：相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層含水量的準(zhǔn)確分析，并且，分析結(jié)果符合客觀需求。

4 結(jié) 語

本文從硬件與軟件兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)一種基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別從基于物探法分析防滲加固堤壩平整度、導(dǎo)出防滲加固堤壩水量衰減因子、基于回歸分析監(jiān)測(cè)防滲加固堤壩含水量系數(shù)三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)研究，并通過對(duì)比試驗(yàn)的方式，證明了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層含水量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，分析的結(jié)果符合客觀需求，相比傳統(tǒng)的系統(tǒng)，此系統(tǒng)投入使用的相對(duì)價(jià)值更高。