，　，　

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，武漢　430010)

1　研究背景

南水北調(diào)中線工程是迄今為止世界上最大的調(diào)水工程，全長約1 432 km，總干渠中約387 km的渠道穿越膨脹土地區(qū)。膨脹土因其特殊的工程特性，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形等特征，易造成渠坡失穩(wěn)，對工程的安全運(yùn)行影響很大。而膨脹土含水率變化又是反映膨脹土脹縮變形的重要指標(biāo)，因此，長期監(jiān)測渠坡膨脹土含水率變化，對于研究渠坡膨脹土脹縮變形和渠道安全運(yùn)行具有重要意義。

目前，進(jìn)行膨脹土含水率與力學(xué)特征的相互關(guān)系的研究較多[1-3]，大多是室內(nèi)試驗(yàn)得出一些研究成果再用于指導(dǎo)實(shí)際工程。近年來開展了膨脹土含水率的現(xiàn)場監(jiān)測工作[4-8]，多以人工量測為主要手段，文獻(xiàn)[6-7]實(shí)現(xiàn)膨脹土含水率的自動采集和數(shù)據(jù)傳輸，為研究現(xiàn)場膨脹土含水率的變化規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

本文對現(xiàn)場采集的渠坡膨脹土含水率及其吸力、降雨量、蒸發(fā)量、土溫和氣溫等進(jìn)行了分析，并利用灰關(guān)聯(lián)理論方法分析了膨脹土含水率與大氣降雨、溫度等影響因素之間的關(guān)系。

2　渠坡膨脹土(巖)含水率監(jiān)測

含水率監(jiān)測布置：在淅川段左岸渠頂?shù)?個鉆孔內(nèi)，布設(shè)1組含水率監(jiān)測點(diǎn)，4支水分傳感器分別分布在渠頂?shù)孛嬉韵?.6，2.5，3.7，6.1 m，對應(yīng)測點(diǎn)編號為CW01，CW02，CW03，CW04。在魯山段左岸一級馬道的4個鉆孔內(nèi)，布設(shè)1組含水率監(jiān)測點(diǎn)，4支水分傳感器分別分布在一級馬道以下1.4，2.6，3.6，5.1 m，對應(yīng)測點(diǎn)編號為CW05，CW06，CW07， CW08。分別監(jiān)測渠坡強(qiáng)膨脹土(巖)不同深度的含水率變化情況。

含水率傳感器埋設(shè)：采用地質(zhì)鉆機(jī)按孔徑Ф110 mm鉆孔，孔深按傳感器埋設(shè)深度而定。傳感器用紗布包裹原土下入鉆孔后，孔內(nèi)用原土填實(shí)，每個孔內(nèi)只埋設(shè)1支傳感器，傳感器電纜牽引至渠頂自動觀測站。含水率傳感器埋設(shè)見圖1。

圖1　含水率傳感器 埋設(shè)示意圖

含水率觀測：在淅川段和魯山段對應(yīng)地方，均建有自動化觀測站。除采集土體含水率外，每處分別設(shè)有土體吸力傳感器、土體溫度傳感器、大氣降雨和氣溫傳感器等，可以同時采集這些相關(guān)信息，并及時通過無線GPRS方式傳輸至軟件管理平臺。由于含水率傳感器獲得的是體積含水率，用于現(xiàn)場監(jiān)測的傳感器還必須利用現(xiàn)場膨脹土樣進(jìn)行率定。

3　含水率傳感器率定

含水率傳感器率定目的是得到膨脹土(巖)不同含水量情況下的電壓曲線。建立現(xiàn)場測試土壤含水率傳感器的標(biāo)定模型，以獲得更接近實(shí)際的膨脹土(巖)水分變化情況。

測試方法依據(jù)《土壤墑情檢測規(guī)范》 (SL 364—2006)采用質(zhì)量含水量方法進(jìn)行測試。

數(shù)據(jù)回歸分析以土壤含水率傳感器輸出電壓平均值為自變量，以對應(yīng)的土壤含水量ω為因變量，用最小二乘法擬合成三次多項(xiàng)式ω=a1V3+a2V2+a3V+a0，求出的系數(shù)a0，a1，a2，a3，可以通過在數(shù)據(jù)采集器中進(jìn)行現(xiàn)場率定,求出土壤含水率ω的修正值。V為電壓。

圖3　強(qiáng)膨脹土含水率與土溫和降雨量過程線

測試結(jié)果表明：強(qiáng)膨脹土與強(qiáng)膨脹巖相比，強(qiáng)膨脹巖質(zhì)地較硬，兩者的含水量與電壓曲線也不一致，在10%含水量以下二者曲線接近，含水量>10%后，強(qiáng)膨脹巖電壓曲線斜率略大于強(qiáng)膨脹土電壓曲線，差值在10%～20%之間(見圖2)。

圖2　室內(nèi)測試的強(qiáng)膨脹土(巖)土壤含水量與電壓曲線關(guān)系

經(jīng)過多項(xiàng)式回歸計算得到現(xiàn)場體積含水率,測試計算公式如下。

強(qiáng)膨脹土:

ω=7.129 3V3+5.484 6V2-4.576 3V+2.177 4 ，

R2=0.989 5；

(1)

強(qiáng)膨脹巖:

ω=19.398 0V3-31.210 0V2+38.819 0V-10.268 0 ，

R2=0.986 5。

(2)

4　強(qiáng)膨脹土(巖)含水率分析

4.1　強(qiáng)膨脹土含水率

根據(jù)獲取的有效監(jiān)測數(shù)據(jù)將淅川段渠坡強(qiáng)膨脹土含水率實(shí)測結(jié)果繪制于圖3。由圖3分析可知：位于強(qiáng)膨脹土內(nèi)的3個測點(diǎn)CW01，CW02，CW03含水率明顯和大氣降雨相關(guān)，在每年的雨季，含水率均明顯增加，受降雨入滲過程影響均有一定滯后；此外，強(qiáng)膨脹土內(nèi)含水率的變化與土溫變化呈正相關(guān)，即含水率高的時段，一般土溫也高；而測點(diǎn)CW04埋設(shè)在中膨脹巖內(nèi)，其含水率變化平穩(wěn)，與大氣降雨和溫度無關(guān)。

4.2　強(qiáng)膨脹巖含水率

圖4　強(qiáng)膨脹巖含水率與土溫和降雨量過程線

根據(jù)獲取的CW05，CW06，CW08有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，將魯山段渠坡強(qiáng)膨脹巖含水率實(shí)測結(jié)果繪制于圖4。由圖4分析可知：從左岸一級馬道部位強(qiáng)膨脹巖不同深度的含水率比較分析看，最接近地表面CW05測點(diǎn)處含水率波動較大，埋深2.6 m的測點(diǎn)CW06和埋深5.1 m的測點(diǎn)CW08含水率變化平穩(wěn)；由于監(jiān)測部位位于渠坡中上部，且觀測期間渠道未通水，巖體含水率主要是受大氣降雨影響，而測點(diǎn)CW06含水率較大，是因?yàn)樵搨鞲衅髀裨O(shè)高程位于水泥改性土換填層與膨脹巖的結(jié)合面部位，若該界面部位施工處理不好，可能形成薄弱含水層，導(dǎo)致含水率偏高。

5　基于灰關(guān)聯(lián)度的含水率和大氣降雨綜合分析

5.1　灰關(guān)聯(lián)度理論方法

灰關(guān)聯(lián)度理論的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線越接近，相應(yīng)序列之間關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小。在關(guān)聯(lián)分析中，衡量2個系統(tǒng)或系統(tǒng)中2個因子間隨時間而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，稱為關(guān)聯(lián)度。它定量地描述了系統(tǒng)發(fā)展過程中因子之間相對變化的情況。

根據(jù)鄧聚龍教授[9-10]的灰關(guān)聯(lián)度理論的基本思想，劉思峰等[11]提出了更加接近實(shí)際的灰綜合關(guān)聯(lián)度計算模型。其基本方法是首先計算系列之間的灰絕對關(guān)聯(lián)度和灰相對關(guān)聯(lián)度，然后計算他們的線性組合得到灰綜合關(guān)聯(lián)度。

設(shè)含水率觀測序列X0與原因量系列Xi(i=1,2，…,n,n為原因量的個數(shù))長度相同，且初值皆不等于0，ε0i和r0i分別為X0與Xi的灰絕對關(guān)聯(lián)度和灰相對關(guān)聯(lián)度，計算方法見文獻(xiàn)[8],取其加權(quán)平均值ρ0i為灰綜合關(guān)聯(lián)度，即

ρ0i=θε0i+(1-θ)r0i。

(3)

式中θ∈[0,1],為綜合權(quán)系數(shù)。灰綜合關(guān)聯(lián)度既體現(xiàn)了折線X0與Xi的相似程度，又反映了X0與Xi相對于始點(diǎn)的變化率的接近程度，是較為全面的表征序列之間聯(lián)系是否緊密的一個數(shù)量指標(biāo)。如果偏重絕對關(guān)聯(lián)度，可取θ>0.5；若更看重相對變化率關(guān)系，則取θ<0.5。

由于灰關(guān)聯(lián)分析是在相同的關(guān)聯(lián)度模型下，計算出母序列與各子序列的關(guān)聯(lián)度。然后，通過關(guān)聯(lián)度的大小進(jìn)行排序，找出與母序列最相關(guān)的子序列。因此，灰關(guān)聯(lián)分析的核心是注重關(guān)聯(lián)序，而不是關(guān)聯(lián)度數(shù)值的大小?；谊P(guān)聯(lián)序就是將若干個子序列相對于同一個母序列的關(guān)聯(lián)度按從大到小的順序排列起來的一組序列,它直觀地反映了各個子序列相對于同一母序列的關(guān)聯(lián)程度。

5.2　含水率與吸力等影響因子間關(guān)聯(lián)分析

用上述方法計算的淅川段渠坡強(qiáng)膨脹土含水率(月平均)與降雨量(月累計)、蒸發(fā)量(月累計)、氣溫(月平均)、土溫(月平均)和吸力(月平均)因子之間的灰綜合關(guān)聯(lián)度矩陣見表1。

表1　土體含水率與各影響因子之間的灰關(guān)聯(lián)度矩陣

由表1可知，影響強(qiáng)膨脹土含水率變化的主要因素依次為溫度、降雨量、蒸發(fā)量和吸力。影響因子之間土溫與氣溫關(guān)聯(lián)度最高為0.909；其次是氣溫和含水量關(guān)聯(lián)度為0.879；在次是降雨量與土溫和氣溫關(guān)聯(lián)度,分別為0.797和0.790；最后是蒸發(fā)量與氣溫和土溫關(guān)聯(lián)度為0.730和0.723。計算結(jié)果符合實(shí)際情況。

5.3　大氣降雨入滲時間和影響深度分析

從理論上來講，大氣降雨是影響土體含水率變化的重要因子，但是強(qiáng)膨脹土的入滲過程會有一個滯后期[3]，所以直接計算他們之間的關(guān)聯(lián)度是不合理的。為探求大氣降雨滲入到強(qiáng)膨脹土一定深度的時間或大氣降雨影響的深度，有必要對大氣降雨和含水率之間進(jìn)行定量分析[12-14]。

依據(jù)關(guān)聯(lián)度理論，將降雨量序列固定，依次移動1個單位的含水率序列，然后計算他們之間的關(guān)聯(lián)度，反復(fù)計算，直至計算的關(guān)聯(lián)度序列出現(xiàn)峰值，此時，峰值對應(yīng)的時間就是降雨入滲的滯后時間。

5.3.1強(qiáng)膨脹土渠坡

隨著中國葡萄酒市場的蓬勃發(fā)展和強(qiáng)勁的增長動力，從2016年的葡萄酒大師趙鳳儀開始，這兩年，長居中國大陸終于有了全球僅有兩三百號人物的葡萄酒大師（MW）和侍酒師（MS）加冕，定居亞洲發(fā)展的這些大師級人物也漸漸多了起來，正在努力攀爬這個葡萄酒世界最頂端路線的中國人也逐年增多。走向通往葡萄酒世界最高殿堂的這兩條不同的路徑，這一路的風(fēng)景和經(jīng)歷有何不同？成為侍酒師大師和葡萄酒大師的這一年他們的事業(yè)和生活又有了怎樣的改變？這一期，我們把抵達(dá)這一路的終點(diǎn)，和在路上的這些大咖們都請來，讓他們來現(xiàn)身說法，不管是選擇，還是要不要堅持往上走，我想，他們的分享中必定有你想要找的答案！

選取淅川段2012年8月9日—2013年4月10日的數(shù)據(jù)，期間經(jīng)歷了雨季和低溫季節(jié)，具有一定代表性，而且自動化采集的數(shù)據(jù)完整，通過計算繪制了日大氣降雨與日土體含水率滯后天數(shù)關(guān)聯(lián)度圖(圖5)，其結(jié)果分析如下。

圖5　大氣降雨強(qiáng)膨脹土含水率滯后天數(shù)與 關(guān)聯(lián)度的關(guān)系

(1)地面以下1.6 m的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW01，在滯后3 d關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)了明顯的峰值，說明在大氣降雨3 d后，才能滲入到1.6 m深的強(qiáng)膨脹土中。

(2)地面以下2.5 m的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW02，在滯后的10～11 d關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)微弱峰值，表明在大氣降雨的10～11 d，才能滲入到2.5 m深的強(qiáng)膨脹土中，也說明降雨量影響較弱。

(3)地面以下3.7 m的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW03，在滯后14 d關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)了微弱峰值，也就是說在大氣降雨到14 d后，才能滲入到3.7 m深的強(qiáng)膨脹土中。

(4)埋深在6.1 m的的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW04，其關(guān)聯(lián)度變化為臺階似的變動，這說明與大氣降雨關(guān)聯(lián)不大，主要是地下水的變化引起。

5.3.2強(qiáng)膨脹巖渠坡

選取魯山段左岸一級馬道2013年10月29日—2014年4月14日的數(shù)據(jù)，期間經(jīng)歷了中雨5 d、小雨和陣雨36 d，具有一定代表性，而且自動化采集的數(shù)據(jù)完整，通過計算繪制了大氣日降雨與日土體含水率滯后天數(shù)關(guān)聯(lián)度圖(圖6)，其結(jié)果分析如下。

圖6　大氣降雨強(qiáng)膨脹巖含水率滯后天數(shù)與 關(guān)聯(lián)度的關(guān)系

(1)地面以下1.4 m的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW05，在降雨后的4～7 d里，關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)了一個高點(diǎn)，也就是說在大氣降雨滲入到1.4 m深的強(qiáng)膨脹巖中需要4～7 d時間。

(2)地面以下2.6 m的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW06，在滯后4 d關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)了明顯的峰值，也就是說在大氣降雨后到4 d時，就能滲入到2.6 m深的強(qiáng)膨脹巖中，比含水率監(jiān)測點(diǎn)CW05入滲時間短。這可能是由于監(jiān)測點(diǎn)CW06埋設(shè)高程在132.8 m左右，而該高程區(qū)域位于換填層底部與強(qiáng)膨脹巖交界處，大氣降雨可以通過該界面，減少了入滲時間。

(3)埋深在5.1 m的含水率監(jiān)測點(diǎn)CW08，在降雨后到4 d時，關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)了一個低峰值點(diǎn)，之后關(guān)聯(lián)度變化為臺階似的變動，這說明該處含水率與大氣降雨關(guān)聯(lián)不大，主要是地下水的變化引起。

5.3.3影響深度分析

(1)在淅川段，由于埋深6.1 m的監(jiān)測點(diǎn)含水率序列和大氣降雨沒有出現(xiàn)關(guān)聯(lián)度峰值，說明大氣降雨對強(qiáng)膨脹土影響深度<6.1 m。在魯山段，埋深5.1 m的監(jiān)測點(diǎn)含水率序列和大氣降雨沒有出現(xiàn)關(guān)聯(lián)度峰值，說明大氣降雨對強(qiáng)膨脹巖影響深度<5.1 m。

(2)在1.4～1.6 m深度范圍，大氣降雨滲入到強(qiáng)膨脹土的時間比滲入到強(qiáng)膨脹巖所需要的時間短1～3 d。在2.5～2.6 m深度范圍，由于CW06測點(diǎn)附近可能存在含水層，比較無實(shí)際意義。

6　結(jié)　語

由于土壤含水率是決定土壤介電常數(shù)的主要因素，因此,測量土壤的介電常數(shù)，就能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實(shí)水分含量,而與土壤本身的機(jī)理無關(guān)，這種方法是目前國際上最流行的土壤含水率測量方法。由于含水率傳感器是測量圍繞在中央探針周圍(直徑3 cm、長為6 cm的圓柱體內(nèi))的體積含水率，因此，在用于膨脹土特別是強(qiáng)膨脹土含水率監(jiān)測時，在土壤含水率極低時，因土壤的高脹縮特性存在膨脹土與中央探針脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致測量精度降低。

強(qiáng)膨脹土(巖)表層一定深度的含水率明顯和大氣降雨相關(guān)，在每年的雨季，含水率均有明顯的增加，受降雨入滲過程影響均有一定滯后。此外，強(qiáng)膨脹土內(nèi)含水率的變化與土溫變化呈正相關(guān)，即含水率高的時段，一般土溫和氣溫也高。

大氣降雨是影響土體表層含水率變化的重要因子，依據(jù)大氣降雨和現(xiàn)場實(shí)測土體含水率時間系列，利用灰關(guān)聯(lián)度理論方法，定量分析了土壤含水率及其影響因子以及大氣降雨入滲滯后時間和大氣降雨影響深度。

南水北調(diào)中線工程渠坡膨脹土含水率監(jiān)測及分析，對推動渠坡膨脹土現(xiàn)場自動化測試土壤含水率具有一定工程意義。