融合物探法與回歸分析的防滲加固堤壩含水量監測系統設計

江志成

(江西省水利水電開發有限公司,江西 南昌 330001)

堤壩后期加固過程中，使用混凝土結構進行防滲加固堤壩設計，可以落實對堤壩的基礎性滲水問題，屬于一種可靠性相對較高的加固處理手段。但混凝土加固工程區別于常規性工程，屬于一種隱蔽性較強的工程，且在使用混凝土施工的過程中，存在工程連續性與均勻性差的問題，會影響防滲加固堤壩的整體平整度，也會出現一定層面的壩基滲水現象[1]主要原因在于防滲加固堤壩內壩基的含水量較高，因此相關防滲加固堤壩含水量監測的研究一直是工程施工方與監理方的關注重點。常規的防滲加固堤壩含水量監測方法，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，獲取區域土質樣品進行檢測的方式，盡管此種含水量監測方法可以通過實驗室檢測得到堤壩含水量的真實數值[2]。但在執行與此方面相關的工作時，卻不可避免對堤壩整體結構造成了損壞。因此，本文引進物探法，設計一種可實現防滲加固堤壩含水量監測的系統。本文系統主要由硬件與軟件兩個核心部分構成，并且將物探法應用到此過程中，不僅具有操作便捷、監測效率高等優勢，也可以避免監測行為受到堤壩環境的限制。

1 系統硬件設計

針對本文系統當中的無線網絡傳輸裝置，本文選用ZigBee技術的ISF-1656型號無線網絡傳輸裝置。該裝置在實際應用中具備更高的安全性，運行功率更低，能夠保證系統在運行過程中的經濟效益[3]。為了進一步提高數據傳輸的可靠性，采用網狀網絡結構，在一個半徑為2.5 km的圓形范圍內，設置一個監測節點，達到對數據的上傳下送目的。

本文在對基于物探法的防滲加固堤壩含水量監測系統硬件進行設計時，根據其監測需要，硬件結構組成包括：傳感器、無線網絡傳輸裝置、探測器、顯示器等。在本文監測系統運行過程中，首先，需要通過傳感器裝置對各個監測點的含水量測量結果進行記錄并采集。其次，將傳感器節點通過自組網的方式，將采集到的測量結果傳輸到匯聚節點當中[4]。最后，由匯聚節點通過無線通信方式將采集到的測量結果全部傳輸到上位機當中，完成所有操作。為確保傳感器能夠獲取更加準確的測量結果，本文引入數據測量探測裝置，將其應用在系統硬件結構當中。基于系統的監測要求，選用IVS64-560型號數據測量探測裝置，該裝置能夠為監測提供低阻、高阻等多種不同的數據探測方法。該型號數據測量探測裝置全行程約5.5±0.5 mm，能夠充分滿足對防滲加固堤壩的測量長度需要。在探測裝置的探測結構上增加探針，以此確保在實際測量的過程中不會接觸到堤壩周圍的水，減小采集結果的誤差，進一步提高監測系統的監測精度。

2 系統軟件設計

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，引進物探法，對統計關系進行一種物探勘察，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域降水補給量與淺水層蒸發等多種因素的影響，假定入水進入呈現一種相對均衡的狀態，此時為了簡化分析流程，可將防滲加固堤壩入水過程近似看作一種相對均勻的運動[5]。在此種條件下，可對防滲加固堤壩表面平整度進行下述假設，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象，防滲加固堤壩表面的入水長度可用式(1)計算。

(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為區域淺蒸狀態下的水量，mm;ih為在h降雨厚度下的區域水量，mm。

在此基礎上，參照物探勘察方法，繪制防滲加固堤壩平整度預測圖示，如圖1。

圖1 基于物探法的堤壩含水層厚度預測

圖1中，x為防滲加固堤壩表面排水左側邊緣；y為防滲加固堤壩表面排水右側邊緣；W為補給量常數；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，以此完成對防滲加固堤壩含水量的初步分析。

2.2 導出防滲加固堤壩水量衰減因子

為了更加準確的描述與監測防滲加固堤壩含水量，可采用計算防滲加固堤壩水量衰減因子的方式，對防滲加固堤壩的追從性進行分析[6-7]。在此過程中，應當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，在經過對滲透系數的多次擬合處理后可知，冪函數與多項式函數，對于防滲加固堤壩對水分子的保有能力，具有較強的擬合效果，采用劃分防滲加固堤壩含水層的方式，定位水量衰減因子，可以提高分段函數計算結果的準確性[8]。因此，對防滲加固堤壩含水層進行劃分，如表1所示。

表1 劃分防滲加固堤壩含水層

根據表1中信息，對不同層數與對應深度，提出防滲加固堤壩含水層滲流系數的計算式如式(2)。

(2)

式中：ky為防滲加固堤壩含水層滲流系數；q為在指定時間內，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為滲流時間,s。在對此方面進行計算的過程中，需要注意的是上述提出計算公式需要符合Darcy定律，即只有在符合計算條件下，對防滲加固堤壩含水層滲流系數進行計算，才能確保計算結果具備一定精準度[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。在經過對Darcy定律的多次計算后，可知提出的計算公式適用于對防滲加固堤壩含水衰減因子的計算。因此，導出防滲加固堤壩水量衰減因子計算見式(4)。

(4)

式中：kx為在防滲加固堤壩x層的水量衰減因子。按照上述計算公式，完成對防滲加固堤壩水量衰減因子的有效導出。

2.3 基于回歸分析法的堤壩含水量分析

根據上述研究結果，參照國內外對防滲加固堤壩含水的試驗場分析結果，可知在對防滲加固堤壩含水量進行監控過程中，受到其排水層構成的影響較為顯著。因此，采用回歸分析法，對不同排水條件下的影響因素進行考慮，得出防滲加固堤壩含水量系數。并在此基礎上，設定多個回歸系數，對結果進行統計，回歸計算過程如式(5)。

(5)

式中：hmax為防滲加固堤壩含水量系數；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為排水層滲流強度,MPa。

根據上述計算公式可知，防滲加固堤壩含水層與排水層厚度及其滲流強度等具有直接關系。因此，在對其含水量進行最終統計與監測的過程中，可直接參照防滲加固堤壩相關參數，采用將數值直接導入的方式，便可以得出含水量系數。在完成計算后，便可掌握瀝青路面的含水量。

3 試驗論證分析

在完成對基于物探法的防滲加固堤壩含水量監測系統的設計后，本章將采用對比試驗的方式，對設計的系統進行實踐驗證。此次試驗在實施中，選擇某個正在施工的防滲加固堤壩市政工程作為研究對象，獲取工程在實施過程中相關資料，并以此為依據，劃分試驗對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，主要由瀝青構成，厚度為3.0 cm；第二層為表層淺層，主要由碎石構成，厚度為8.0 cm；第三層為表層潛層，主要由大粒徑碎石構成，厚度為10.0 cm；第四層為表層底層，主要由基底材料構成，厚度為5.0 cm。根據工程實際需求可知，不同層的含水量是不同的，而本次試驗將分別使用設計的基于物探法的防滲加固堤壩含水量監測系統，與傳統含水量監測系統，對防滲加固堤壩不同層含水量系數進行分析，統計分析結果，如表2所示。

表2 不同層含水系數分析結果

根據上述試驗結果，可以直接看出，本文系統在對不同層含水量進行分析的過程中，所得到的含水量系數結果是不同的，此種試驗結果，也是符合工程實施客觀標準的，而傳統系統在對不同層含水量進行分析的過程中，所得到的含水系數結果是相同的，此種結果與客觀需求呈現嚴重不符問題。因此，得出此次對此試驗的結論：相比傳統系統，本文設計的基于物探法的防滲加固堤壩含水量監測系統，在實際應用中，可實現對不同層含水量的準確分析，并且，分析結果符合客觀需求。

4 結 語

本文從硬件與軟件兩個方面，設計一種基于物探法的防滲加固堤壩含水量監測系統，分別從基于物探法分析防滲加固堤壩平整度、導出防滲加固堤壩水量衰減因子、基于回歸分析監測防滲加固堤壩含水量系數三個方面對系統展開設計研究，并通過對比試驗的方式，證明了本文設計的系統，在實際應用中，可實現對不同層含水量的準確監測，分析的結果符合客觀需求，相比傳統的系統，此系統投入使用的相對價值更高。