融合物探法与回归分析的防渗加固堤坝含水量监测系统设计

江志成

(江西省水利水电开发有限公司,江西 南昌 330001)

堤坝后期加固过程中，使用混凝土结构进行防渗加固堤坝设计，可以落实对堤坝的基础性渗水问题，属于一种可靠性相对较高的加固处理手段。但混凝土加固工程区别于常规性工程，属于一种隐蔽性较强的工程，且在使用混凝土施工的过程中，存在工程连续性与均匀性差的问题，会影响防渗加固堤坝的整体平整度，也会出现一定层面的坝基渗水现象[1]主要原因在于防渗加固堤坝内坝基的含水量较高，因此相关防渗加固堤坝含水量监测的研究一直是工程施工方与监理方的关注重点。常规的防渗加固堤坝含水量监测方法，大多采用直接钻孔法，此种方法是通过在堤坝上钻取取样孔洞，获取区域土质样品进行检测的方式，尽管此种含水量监测方法可以通过实验室检测得到堤坝含水量的真实数值[2]。但在执行与此方面相关的工作时，却不可避免对堤坝整体结构造成了损坏。因此，本文引进物探法，设计一种可实现防渗加固堤坝含水量监测的系统。本文系统主要由硬件与软件两个核心部分构成，并且将物探法应用到此过程中，不仅具有操作便捷、监测效率高等优势，也可以避免监测行为受到堤坝环境的限制。

1 系统硬件设计

针对本文系统当中的无线网络传输装置，本文选用ZigBee技术的ISF-1656型号无线网络传输装置。该装置在实际应用中具备更高的安全性，运行功率更低，能够保证系统在运行过程中的经济效益[3]。为了进一步提高数据传输的可靠性，采用网状网络结构，在一个半径为2.5 km的圆形范围内，设置一个监测节点，达到对数据的上传下送目的。

本文在对基于物探法的防渗加固堤坝含水量监测系统硬件进行设计时，根据其监测需要，硬件结构组成包括：传感器、无线网络传输装置、探测器、显示器等。在本文监测系统运行过程中，首先，需要通过传感器装置对各个监测点的含水量测量结果进行记录并采集。其次，将传感器节点通过自组网的方式，将采集到的测量结果传输到汇聚节点当中[4]。最后，由汇聚节点通过无线通信方式将采集到的测量结果全部传输到上位机当中，完成所有操作。为确保传感器能够获取更加准确的测量结果，本文引入数据测量探测装置，将其应用在系统硬件结构当中。基于系统的监测要求，选用IVS64-560型号数据测量探测装置，该装置能够为监测提供低阻、高阻等多种不同的数据探测方法。该型号数据测量探测装置全行程约5.5±0.5 mm，能够充分满足对防渗加固堤坝的测量长度需要。在探测装置的探测结构上增加探针，以此确保在实际测量的过程中不会接触到堤坝周围的水，减小采集结果的误差，进一步提高监测系统的监测精度。

2 系统软件设计

2.1 基于物探法的堤坝含水层厚度分析

为了掌握防渗加固堤坝含水量，引进物探法，对统计关系进行一种物探勘察，以此种方式掌握防渗加固堤坝表层平整度。考虑到在此过程中，防渗加固堤坝含水量受到区域降水补给量与浅水层蒸发等多种因素的影响，假定入水进入呈现一种相对均衡的状态，此时为了简化分析流程，可将防渗加固堤坝入水过程近似看作一种相对均匀的运动[5]。在此种条件下，可对防渗加固堤坝表面平整度进行下述假设，例如，将堤坝边缘作为入水的边界条件，可将半幅堤坝作为此次研究的分析对象，防渗加固堤坝表面的入水长度可用式(1)计算。

(1)

式中：l为防渗加固堤坝的排水长度，m；B为防渗加固堤坝表面宽度，m；iz为区域浅蒸状态下的水量，mm;ih为在h降雨厚度下的区域水量，mm。

在此基础上，参照物探勘察方法，绘制防渗加固堤坝平整度预测图示，如图1。

图1 基于物探法的堤坝含水层厚度预测

图1中，x为防渗加固堤坝表面排水左侧边缘；y为防渗加固堤坝表面排水右侧边缘；W为补给量常数；h1与h2分别为含水层厚度。将防渗加固堤坝倾斜度作为平整度，以此完成对防渗加固堤坝含水量的初步分析。

2.2 导出防渗加固堤坝水量衰减因子

为了更加准确的描述与监测防渗加固堤坝含水量，可采用计算防渗加固堤坝水量衰减因子的方式，对防渗加固堤坝的追从性进行分析[6-7]。在此过程中，应当掌握衰减因子的变化形式，主要是由防渗加固堤坝平衡水量能力确定得出的，在经过对渗透系数的多次拟合处理后可知，幂函数与多项式函数，对于防渗加固堤坝对水分子的保有能力，具有较强的拟合效果，采用划分防渗加固堤坝含水层的方式，定位水量衰减因子，可以提高分段函数计算结果的准确性[8]。因此，对防渗加固堤坝含水层进行划分，如表1所示。

表1 划分防渗加固堤坝含水层

根据表1中信息，对不同层数与对应深度，提出防渗加固堤坝含水层渗流系数的计算式如式(2)。

(2)

式中：ky为防渗加固堤坝含水层渗流系数；q为在指定时间内，防渗加固堤坝含水层的排水量，m3；L为防渗加固堤坝含水层长度,m；A为截面积,m2；t为渗流时间,s。在对此方面进行计算的过程中，需要注意的是上述提出计算公式需要符合Darcy定律，即只有在符合计算条件下，对防渗加固堤坝含水层渗流系数进行计算，才能确保计算结果具备一定精准度[9]。Darcy定律的适用范围可以表示为式(3)：

(3)

式中：Re为Darcy定律的适用范围；V为渗流速度最大值，m/d；D为需求条件，m/d；v为渗流速度，m/d。在经过对Darcy定律的多次计算后，可知提出的计算公式适用于对防渗加固堤坝含水衰减因子的计算。因此，导出防渗加固堤坝水量衰减因子计算见式(4)。

(4)

式中：kx为在防渗加固堤坝x层的水量衰减因子。按照上述计算公式，完成对防渗加固堤坝水量衰减因子的有效导出。

2.3 基于回归分析法的堤坝含水量分析

根据上述研究结果，参照国内外对防渗加固堤坝含水的试验场分析结果，可知在对防渗加固堤坝含水量进行监控过程中，受到其排水层构成的影响较为显著。因此，采用回归分析法，对不同排水条件下的影响因素进行考虑，得出防渗加固堤坝含水量系数。并在此基础上，设定多个回归系数，对结果进行统计，回归计算过程如式(5)。

(5)

式中：hmax为防渗加固堤坝含水量系数；c1为含水层沿层厚度,mm；c2为表层厚度,mm；x0为潜水层排水能力；hm为排水层渗流强度,MPa。

根据上述计算公式可知，防渗加固堤坝含水层与排水层厚度及其渗流强度等具有直接关系。因此，在对其含水量进行最终统计与监测的过程中，可直接参照防渗加固堤坝相关参数，采用将数值直接导入的方式，便可以得出含水量系数。在完成计算后，便可掌握沥青路面的含水量。

3 试验论证分析

在完成对基于物探法的防渗加固堤坝含水量监测系统的设计后，本章将采用对比试验的方式，对设计的系统进行实践验证。此次试验在实施中，选择某个正在施工的防渗加固堤坝市政工程作为研究对象，获取工程在实施过程中相关资料，并以此为依据，划分试验对象防渗加固堤坝含水层不同层厚度。其中含水层第一层为表层，主要由沥青构成，厚度为3.0 cm；第二层为表层浅层，主要由碎石构成，厚度为8.0 cm；第三层为表层潜层，主要由大粒径碎石构成，厚度为10.0 cm；第四层为表层底层，主要由基底材料构成，厚度为5.0 cm。根据工程实际需求可知，不同层的含水量是不同的，而本次试验将分别使用设计的基于物探法的防渗加固堤坝含水量监测系统，与传统含水量监测系统，对防渗加固堤坝不同层含水量系数进行分析，统计分析结果，如表2所示。

表2 不同层含水系数分析结果

根据上述试验结果，可以直接看出，本文系统在对不同层含水量进行分析的过程中，所得到的含水量系数结果是不同的，此种试验结果，也是符合工程实施客观标准的，而传统系统在对不同层含水量进行分析的过程中，所得到的含水系数结果是相同的，此种结果与客观需求呈现严重不符问题。因此，得出此次对此试验的结论：相比传统系统，本文设计的基于物探法的防渗加固堤坝含水量监测系统，在实际应用中，可实现对不同层含水量的准确分析，并且，分析结果符合客观需求。

4 结 语

本文从硬件与软件两个方面，设计一种基于物探法的防渗加固堤坝含水量监测系统，分别从基于物探法分析防渗加固堤坝平整度、导出防渗加固堤坝水量衰减因子、基于回归分析监测防渗加固堤坝含水量系数三个方面对系统展开设计研究，并通过对比试验的方式，证明了本文设计的系统，在实际应用中，可实现对不同层含水量的准确监测，分析的结果符合客观需求，相比传统的系统，此系统投入使用的相对价值更高。