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        融合物探法與回歸分析的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測系統(tǒng)設計

        2022-04-12 03:41:38江志成
        水利科學與寒區(qū)工程 2022年3期
        關鍵詞:分析系統(tǒng)

        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(qū)別于常規(guī)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(xù)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(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,因此相關防滲加固堤壩含水量監(jiān)測的研究一直是工程施工方與監(jiān)理方的關注重點。常規(guī)的防滲加固堤壩含水量監(jiān)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(qū)域土質(zhì)樣品進行檢測的方式,盡管此種含水量監(jiān)測方法可以通過實驗室檢測得到堤壩含水量的真實數(shù)值[2]。但在執(zhí)行與此方面相關的工作時,卻不可避免對堤壩整體結(jié)構(gòu)造成了損壞。因此,本文引進物探法,設計一種可實現(xiàn)防滲加固堤壩含水量監(jiān)測的系統(tǒng)。本文系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩個核心部分構(gòu)成,并且將物探法應用到此過程中,不僅具有操作便捷、監(jiān)測效率高等優(yōu)勢,也可以避免監(jiān)測行為受到堤壩環(huán)境的限制。

        1 系統(tǒng)硬件設計

        針對本文系統(tǒng)當中的無線網(wǎng)絡傳輸裝置,本文選用ZigBee技術的ISF-1656型號無線網(wǎng)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(tǒng)在運行過程中的經(jīng)濟效益[3]。為了進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),在一個半徑為2.5 km的圓形范圍內(nèi),設置一個監(jiān)測節(jié)點,達到對數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)硬件進行設計時,根據(jù)其監(jiān)測需要,硬件結(jié)構(gòu)組成包括:傳感器、無線網(wǎng)絡傳輸裝置、探測器、顯示器等。在本文監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中,首先,需要通過傳感器裝置對各個監(jiān)測點的含水量測量結(jié)果進行記錄并采集。其次,將傳感器節(jié)點通過自組網(wǎng)的方式,將采集到的測量結(jié)果傳輸?shù)絽R聚節(jié)點當中[4]。最后,由匯聚節(jié)點通過無線通信方式將采集到的測量結(jié)果全部傳輸?shù)缴衔粰C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(jié)果,本文引入數(shù)據(jù)測量探測裝置,將其應用在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)當中?;谙到y(tǒng)的監(jiān)測要求,選用IVS64-560型號數(shù)據(jù)測量探測裝置,該裝置能夠為監(jiān)測提供低阻、高阻等多種不同的數(shù)據(jù)探測方法。該型號數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)果的誤差,進一步提高監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度。

        2 系統(tǒng)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(tǒng)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??紤]到在此過程中,防滲加固堤壩含水量受到區(qū)域降水補給量與淺水層蒸發(fā)等多種因素的影響,假定入水進入呈現(xiàn)一種相對均衡的狀態(tài),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(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(cè)邊緣;y為防滲加固堤壩表面排水右側(cè)邊緣;W為補給量常數(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(jiān)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(jīng)過對滲透系數(shù)的多次擬合處理后可知,冪函數(shù)與多項式函數(shù),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(shù)計算結(jié)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(jù)表1中信息,對不同層數(shù)與對應深度,提出防滲加固堤壩含水層滲流系數(shù)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(shù);q為在指定時間內(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(shù)進行計算,才能確保計算結(jié)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(jīng)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(jù)上述研究結(jié)果,參照國內(nèi)外對防滲加固堤壩含水的試驗場分析結(jié)果,可知在對防滲加固堤壩含水量進行監(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(shù)。并在此基礎上,設定多個回歸系數(shù),對結(jié)果進行統(tǒng)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(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為排水層滲流強度,MPa。

        根據(jù)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(tǒng)計與監(jiān)測的過程中,可直接參照防滲加固堤壩相關參數(shù),采用將數(shù)值直接導入的方式,便可以得出含水量系數(shù)。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(jiān)測系統(tǒng)的設計后,本章將采用對比試驗的方式,對設計的系統(tǒng)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(jù),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(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(jiān)測系統(tǒng),與傳統(tǒng)含水量監(jiān)測系統(tǒng),對防滲加固堤壩不同層含水量系數(shù)進行分析,統(tǒng)計分析結(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)上述試驗結(jié)果,可以直接看出,本文系統(tǒng)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(shù)結(jié)果是不同的,此種試驗結(jié)果,也是符合工程實施客觀標準的,而傳統(tǒng)系統(tǒng)在對不同層含水量進行分析的過程中,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)嚴重不符問題。因此,得出此次對此試驗的結(jié)論:相比傳統(tǒng)系統(tǒng),本文設計的基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測系統(tǒng),在實際應用中,可實現(xiàn)對不同層含水量的準確分析,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方面,設計一種基于物探法的防滲加固堤壩含水量監(jiān)測系統(tǒng),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(jiān)測防滲加固堤壩含水量系數(shù)三個方面對系統(tǒng)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(tǒng),在實際應用中,可實現(xiàn)對不同層含水量的準確監(jiān)測,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)投入使用的相對價值更高。

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