改進原位滲透試驗對水電站工程中滲透參數測量的優化分析

魏亮

摘要：原位滲透試驗通過簡單的實驗環境設置，通過實驗室的模擬試驗，獲得江坪河水電站中的墊層料、特殊墊層料的滲透系數，已解決現場試驗結果不準確的問題，常用于水電站、地質工程等領域。然而，原位滲透試驗仍然存在參數測量不準確，或者部分參數缺失的問題。基于上述原因，本文提出原位滲透試驗的改進措施，并以江坪河水電站為研究對象，對比兩種試驗結果的優點。實驗結果顯示，改進型原位滲透試驗在準確率、計算過程、參數選擇方面，由于傳統的原位試驗方法。所以，改進型原位滲透實驗可以為水電站工程的設計和研究提供計算支持。

關鍵詞：原位滲透試驗;水電站工程;參數測量;優化

原位滲透實驗可以將現場滲透試驗轉移到實驗室，降低地質、水文、風等不利因素的影響，提高試驗的準確性。然而，試驗中涉及的數據較多[1]，影響試驗方法的準確性。部分無關的參數和指標，增加了試驗的復雜程度。如何選擇有效的參數和指標，對不確定的實驗數據進行合理的選取，是原位滲透試驗有效進行的關鍵。粗糙集（Rough Set，RS）是對水利工程不確定，或者不完整信息的處理工具和方法，最早由Pawlak教授提出，所以對試驗中的數據進行初步分類，在有選擇性的進行相關性分析。基于粗糙集的原位滲透試驗，可以簡化集合的數據量，通過關鍵性的數據和指標，進行相關的分析和研究，以提高原位滲透試驗的計算效率。

1.粗糙集的試驗方法

1.1滲透參數集合的構建

粗糙集要對滲透參數構建可辨識矩陣，找出各個參數中核屬性，并依據相應的實驗方法，分析各個測試的結果，[10]具體內容如下：

1）構建原位滲透試驗的可辨識矩陣M，如果矩陣中各個參數的值等于1，說明該屬性可以作為實驗參數，否則無法進行相關實驗，而且該參數值不可以去掉;假設 代表試驗相關參數的核屬性集合，那么 是 的簡約集合，可以進行后續的實驗分析[2];

2）假設S代表M矩陣中所有參數的集合，且S中無重復性的試驗數值;假設S中含有n個試驗數值組合，并用Bi表示各個試驗的數值，其公式化描述為： ?;假設Bi中含有m條件屬性，代表著原位滲透試驗的實驗條件，那么 其公式化描述為： ;其中， 為集合的基數。由此可以構建出原位滲透試驗的系數值Q，公式化描述為：

1.2試驗結果的約束規則

約束規則是原位滲透試驗實施的準則，以降低試驗設備、外界因素、人為因素的干擾，提高滲透試驗的結果。約束性規則可以對不同屬性的試驗數據進行歸類和處理，得到不同規則下的試驗數據，以及試驗數據之間的關系。約束規則是以每一個約束規則為出發點，試驗數據在不同的約束規則下進行遍歷分析，將符合所有試驗約束規則的數據納入到最終的分析數據中。每一個約束規則都設定判斷分析，只有符合分析規則的數據[3]，才能進入下一個約束規則的判斷，否則試驗數據將會被剔除。約束規則之間并不存在聯系，屬于獨立性的規則內容。試驗數據經過約束規則的處理后，實現了數據的分類，以及數據準確性的提高。

2.實際案例分析

2.1試驗設備

本文以江坪河水電站為例，試驗設備為：1）內徑=22.6cm，高度=15cm，內側刻度為0～10cm，分度值=1mm，外徑為45.2cm，容積為5000～10000ml的供水瓶;2）測量范圍為0～50℃的溫度計;3）工兵鏟、秒表，以及含水率的測量設備等。所有試驗流程要符合《水電水利工程粗粒土試驗規程》DL/T5356-2006、《水電水利工程土工試驗規程》 ?DL/T5355-2006的相關標準。

2.2相關參數

在可辨識矩陣M中包括7個參數，即 ，分別為KT滲透系數，單位：cm/s;Q滲透流量，單位：cm3/s;A內環面積，單位：cm2/s;H1水的滲透深度，單位：cm;H2住水坑的深度，單位：cm; H3毛細管力的水柱高度，單位：cm;K20水溫20度下的滲透系數，單位：cm/s。上述數據每一次測量20次，并帶入到相關公式中 （1、2和3），進行反復迭代測試。每個指標的數據分為三部分，“完全符合”、“不符合”、“似乎符合”，分別賦予1，2，0三個值。每個指標的值如果>0，說明該指標屬于關鍵指標，被納入到C中。

2.3原位滲透試驗數值初始化

依據上述數據對園內滲透數值C進行初始化，找出其中的關鍵指標數據。由于指標數據需要進行20次的測試，所以將數據的迭代測試歸為20。又由于數據的參數為7個，所以將條件數據設置為7個。在7個參數中，所有的屬性均符合要求，無需進行約簡，所以最后確定約束規制為7，原位實驗的測試結果如下：

由上表可知，改進原位滲透試驗方法與原有實驗方法之間存在差異，兩種方法在進行相關參數測量時，測量結果均符合要求，但前者的測量效果更加理想。

2.4準確度與效率比較

（1）算法準確率

改進原位滲透試驗方法對其數據集進行整合，剔除影響程度較低的數據，將關鍵性數據納入集合中。原位滲透試驗方法未對相關數據進行分類和處理，數據量相對比較多。兩者均進行20次的迭代測試，發現改進原位滲透測量方法在測試前就體現出自身優勢，測試準確率方面顯著優于原位滲透實驗法。改進原位滲透試驗法的準確率達到98.6%，原位滲透試驗方法的準確率在91.3%，雖然兩者均高于90%，但前者的準確率更高。原位滲透試驗方法在迭代12次以后，其準確率呈現下降趨勢，而改進原位滲透實驗法的準確率整體比較穩定。

（2）算法計算時間

改進原位滲透試驗進行45次迭代，僅有32s，而傳統原位滲透實驗的計算時間超過55s，是前者的1.5倍以上，所以改進原位滲透實驗的計算時間較短。改進園內滲透實驗的傾斜率變化平穩，原位滲透實驗的經營率變化較大，特別是在迭代30次以后。由此說明，改進原位滲透試驗的計算結果更加準確，計算時間更短，準確率更優，適合于水電站工程中的滲透參數測量，降低人為、自然環境等不定因素的影響。

3.結果

原位滲透試驗是水電工程中參數測量的重要實驗，但在實際測量過程中，由于人為、自然等因素的影響，實驗結果存在不準確的現象。一般來說，水電工程中的滲透參數測量，主要是在實驗室中進行。然而，水電工程中滲透參數中包含部分定性參數，無法進行準確的分析和評估。為了提高測量的準確性，降低測量過程中主觀判斷的影響，需要對相關參數和指標進行分析和評估。同時，在多次測量結果中，部分數據存在著重復、相似的現象，需要對相關數據進行剔除，以簡化數據集合。基于粗糙集的原位滲透實驗方法，對類似數據進行剔除，實現數據集合的優化，提高測量的準確性和效率。通過改進原為滲透試驗與原位滲透實驗的比較，發現改進原位滲透實驗在測量準確度、時間方面軍體現出自身優勢，適合于實際的應用和推廣。

參考文獻

[1] 李學良，盧書強，張國棟，等. 滑坡碎石土原位滲透試驗及滲透系數預測研究[J]. 人民長江. 2018， 47（10）： 41-44.

[2] 曹元生. 水泥土防滲墻原位滲透試驗方法研究[J]. 土工基礎. 2019， 26（03）： 98-100.

[3] 張濤，鄭紹羽，鄒勇. 龍鳳水電站壩基河床強夯試驗研究[J]. 水利水電技術. 2019， 42（11）： 74-78.