SWR水分監(jiān)測系統(tǒng)在黃土高填方工程中的應(yīng)用研究

于永堂，張繼文，劉爭宏，杜偉飛

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安, 710055；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安, 710043；3.陜西省特殊土工程性質(zhì)與處理技術(shù)重點實驗室, 陜西 西安, 710043)

SWR水分監(jiān)測系統(tǒng)在黃土高填方工程中的應(yīng)用研究

于永堂1,2,3，張繼文2,3，劉爭宏2,3，杜偉飛2,3

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安, 710055；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安, 710043；3.陜西省特殊土工程性質(zhì)與處理技術(shù)重點實驗室, 陜西 西安, 710043)

黃土高填方工程的變形與穩(wěn)定性受土體含水率的變化影響大。為了應(yīng)用SWR水分監(jiān)測系統(tǒng)對黃土高填方工程的土體含水率變化進(jìn)行監(jiān)測，研發(fā)了插針式SWR土壤水分傳感器的探井埋設(shè)工藝，在采用烘干法獲得實際體積含水率與對應(yīng)輸出電壓數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，探討了將SWR土壤水分傳感器輸出電壓進(jìn)行歸一化處理后與體積含水率進(jìn)行回歸分析建立標(biāo)定模型的方法。結(jié)果表明，探井埋設(shè)方法可將SWR土壤水分傳感器準(zhǔn)確可靠地安裝就位，SWR土壤水分傳感器經(jīng)標(biāo)定后，觀測精度和個體間的互換性得到顯著提高，能夠準(zhǔn)確反映土體中水分的動態(tài)變化規(guī)律。

駐波比；黃土；含水率；監(jiān)測；標(biāo)定

含水率是土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)之一，它直接影響到土的工程性質(zhì)。對土中的含水率變化進(jìn)行監(jiān)測是邊坡、堤壩、路基、高填方等工程的基礎(chǔ)性工作，是研究土體內(nèi)部水分的空間分布與遷移規(guī)律，進(jìn)行變形分析與穩(wěn)定性評價的重要資料。目前，土體中含水率的監(jiān)測方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的烘干法發(fā)展到了目前的遙感法、中子水分儀法、張力計法、介電法等快速測試方法[1-3]?；诮殡姺ㄔ黹_發(fā)的各類土壤水分傳感器，由于具備簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、量程寬，可實現(xiàn)自動化監(jiān)測等優(yōu)點，成為近年來研究的熱點，我國水利行業(yè)已建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]。駐波比(Standing-Wave Ratio，SWR)法的土壤水分傳感器屬于介電法的一種，利用駐波比法測量土體含水率，實際反映的是土體中探頭的特性阻抗變化，其基本原理是當(dāng)高頻電磁波沿傳輸線傳輸?shù)教筋^時，由于探頭阻抗與傳輸線的特性阻抗不匹配，會在傳輸線上產(chǎn)生駐波，從而引起傳輸線兩端電壓幅值的變化，由于探頭阻抗與含水土體的介電常數(shù)有關(guān)，而土的介電常數(shù)主要取決于土的含水率(水的介電常數(shù)約80，固體土顆粒的介電常數(shù)約為4，空氣的介電常數(shù)約為1)，因此通過測量傳輸線上的電壓變化即可間接反應(yīng)土體含水率[5-8]。

目前，SWR土壤水分傳感器已在農(nóng)業(yè)工程的土壤墑情監(jiān)測、節(jié)水灌溉系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[9]。近年SWR土壤水分傳感器被引入巖土工程中，用于監(jiān)測地基土的含水率變化。土壤水分傳感器的標(biāo)定工作直接影響其測試精度，若直接采用土壤水分傳感器的出廠標(biāo)定模型，會因出廠標(biāo)定用土與應(yīng)用場地土體的土質(zhì)差異，使傳感器的測量值與實際值存在著一定偏差，因此要準(zhǔn)確監(jiān)測土體的含水率變化，則需對土壤水分傳感器重新標(biāo)定，建立所監(jiān)測土體對應(yīng)的標(biāo)定模型，以提高土壤水分傳感器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性[10-11]。本文介紹了SWR水分監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備安裝、傳感器標(biāo)定校正方法及其在黃土高填方工程含水率動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用實例，相關(guān)成果可為類似介電法土壤水分傳感器在黃土地區(qū)的工程應(yīng)用提供參考。

1 SWR系統(tǒng)組成與設(shè)備安裝

SWR系統(tǒng)由SWR土壤水分傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、現(xiàn)場供電設(shè)備、監(jiān)測中心計算機(jī)等組成。本次采用的SWR土壤水分傳感器探頭為圓柱體，直徑為32 mm，前端帶有四根長度為7 cm的金屬探針，后端為通信電纜，使用時將探針插入被測土層，一組探頭通過電纜連接到集線箱。SWR土壤水分傳感器量程為0%～100%，在0%～50%范圍內(nèi)經(jīng)校正后精度可達(dá)±2%，90%測量區(qū)域為圍繞中央探針直徑3 cm，高7 cm的圓柱內(nèi)，工作電壓12 V，輸出電壓0 V～2.5 V。數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器用于將探頭測定的模擬電壓號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于向監(jiān)測中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)和接收監(jiān)測中心控制指令?，F(xiàn)場供電設(shè)備由太陽能板和蓄電池組成，用于向數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備供電。監(jiān)控中心計算機(jī)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，裝有數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)庫、虛擬串口等其它支撐軟件，主要功能是數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)據(jù)歷時曲線顯示、數(shù)據(jù)報表輸出等。SWR系統(tǒng)進(jìn)行土壤水分連續(xù)測量時，可自動記錄觀測結(jié)果，測量的時間間隔可根據(jù)需要通過監(jiān)控中心計算機(jī)靈活設(shè)置。

SWR系統(tǒng)安裝時，首先根據(jù)監(jiān)測場地的地形地貌特點和監(jiān)測要求，選擇和布置監(jiān)測點。SWR土壤水分傳感器宜采用探井埋設(shè)，當(dāng)埋設(shè)深度較大時，開挖探井困難，也可采用鉆孔埋設(shè)，具體安裝埋設(shè)方法可參考文獻(xiàn)[12]。當(dāng)采用探井埋設(shè)時，埋設(shè)步驟分為開挖探井、取樣測試、埋設(shè)探頭、回填探井和安裝采集傳輸設(shè)備等，具體內(nèi)容如下：

(1) 開挖探井：在監(jiān)測場地中采用機(jī)械洛陽鏟開挖探井，為便于人工下井安裝傳感器，探井直徑不小于50 cm。

(2) 取樣測試：根據(jù)設(shè)計安裝位置，在探井側(cè)壁上每一監(jiān)測點處取原狀土樣，測定土樣的密度和含水率。

(3) 埋設(shè)探頭：將SWR土壤水分傳感器的金屬探針?biāo)较虿迦刖o鄰取樣點處的土中，使監(jiān)測點的土質(zhì)、含水率、密度與取樣點近似相同，且應(yīng)保證探針全部插入土中。重復(fù)(2)、(3)步驟，將所有SWR土壤水分傳感器安裝至各層測點，然后在探井側(cè)壁上開挖一引線槽，將傳感器電纜線集中成一束安置在引線槽中，并采用U形卡子固定，將剩余電纜引至地面。

(4) 回填探井：采用開挖探井時帶出的原土對探井分層回填、分層夯實處理，夯實過程需防止損傷電纜。最后預(yù)留約0.8 m探井井深不回填，將SWR土壤水分傳感器的電纜集中綁扎成一束，裝入電纜袋，放入探井中。采用全站儀、GPS RTK等測量儀器觀測探井井口及電纜袋頂部的位置坐標(biāo)，用于下次進(jìn)行探井開挖時，確定探井位置及電纜袋的埋設(shè)深度。電纜袋上部覆土保護(hù)后繼續(xù)進(jìn)行填土施工，達(dá)到下一次埋設(shè)時機(jī)時重復(fù)(1)～(4)步驟，直至填土施工完成，傳感器全部安裝完畢。

(5) 安裝數(shù)據(jù)采集、傳輸和供電設(shè)備：將上述SWR土壤水分傳感器的電纜接入數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、現(xiàn)場供電設(shè)備等。

2 SWR土壤水分傳感器的標(biāo)定

SWR土壤水分傳感器使用前，為了獲得較高的測量精度，有必要采用對應(yīng)監(jiān)測地層的黃土對傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定。一般認(rèn)為傳統(tǒng)烘干法測定的含水率是可靠的，可以作為其它各種快速測量方法的校正標(biāo)準(zhǔn)。因此，標(biāo)定用土的體積含水率真實值可由式(1)計算確定。

θw=wρd/ρw

(1)

式中：w為烘干法測定的質(zhì)量含水率，%；ρd為灌砂法測定的試樣干密度，g/cm3；ρw為試驗溫度下水的密度，g/cm3，一般取為1.0 g/cm3。

研究發(fā)現(xiàn)，介電法土壤水分傳感器的測試結(jié)果除受含水率的直接影響外，還受到土的干密度、土質(zhì)和溫度等因素影響[13]。筆者在文獻(xiàn)[14]中通過建立烘干法測量值與土壤水分傳感器觀測值的關(guān)系，建立了考慮干密度影響的修正模型，較適合用于干密度已知條件下的定點監(jiān)測。本次在黃土填方工程中進(jìn)行含水率監(jiān)測，考慮到填土的干密度會隨填筑施工變化，同時干密度動態(tài)變化數(shù)值較難掌握，為了提高標(biāo)定模型的適用范圍，將含水率、干密度變化作為綜合因素考慮。對同一土樣，分別采用烘干法、SWR土壤水分傳感器法測定試驗土樣的含水率，然后采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，建立烘干法體積含水率與SWR土壤水分傳感器輸出電壓之間三次擬合多項式：

θv=aU3+bU2+cU+d

(2)

式中：a、b、c、d為擬合參數(shù)；θv、U分別為SWR土壤水分傳感器體積含水率計算值(%)和輸出電壓(V)。

為了保證標(biāo)定模型在較大范圍內(nèi)的適用性，本次試驗的含水率變化范圍控制在2.5%～24.6%，干密度變化范圍控制在1.11 g/cm3～1.85 g/cm3，試驗溫度控制在(13±1)℃。本次試驗中標(biāo)定土樣的基本性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 標(biāo)定土樣的基本性質(zhì)指標(biāo)

考慮到SWR土壤水分傳感器90%的測量影響區(qū)域圍繞中央探針直徑為3 cm、高為7 cm的圓柱體內(nèi)，標(biāo)定土樣采用了直徑d=15.2 cm，高h(yuǎn)=11.6 cm的圓柱形試樣，保證測試結(jié)果不受試樣尺寸的影響，其中低密度試樣(ρd<1.60 g/cm3)采用壓樣法制備，高密度(ρd≥1.60 g/cm3)試樣采用分層夯實法制備。

工程實踐中發(fā)現(xiàn)，SWR土壤水分傳感器的標(biāo)定曲線形式是一致的，但個體間會略有差異，若在同一場地中對每個土壤水分傳感器分別標(biāo)定，則較為費時費力。此外，同一個SWR土壤水分傳感器在長期使用后也會發(fā)生零點漂移，這時仍采用原標(biāo)定方程就會產(chǎn)生誤差。因此考慮將SWR水分傳感器的輸出電壓進(jìn)行歸一化處理，定義相對電壓比Gv：

Gv=(U-Ua)/(Uw-Ua)

(3)

式中：U、Ua、Uw為分別SWR土壤水分傳感器在使用環(huán)境條件下，土中、空氣中和水中的輸出電壓值(V)，且Ua≤U≤Uw。通過測定使用條件下的Ua、Uw，利用公式(3)計算出相對電壓比Gv值，建立烘干法體積含水率θw與相對電壓比Gv間關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 Q3黃土體積含水率與相對電壓比關(guān)系曲線

圖2為采用歸一化電壓而非絕對電壓與體積含水率進(jìn)行回歸分析，建立的標(biāo)定模型。對不同探頭、同一土質(zhì)的土體進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，不同探頭測試結(jié)果基本一致，表明該標(biāo)定方法可在一定程度上消除傳感器個體間的差異性，增強(qiáng)互換性。Q3黃土的標(biāo)定表達(dá)式為：

θw=62.6485Gv3+29.7689Gv2+5.5762Gv+2.7024， 0.12≤Gv≤0.63

(4)

采取同樣的標(biāo)定方式，可得到Q2黃土的烘干法體積含水率θw與相對電壓比Gv間關(guān)系曲線如圖3所示，對應(yīng)的標(biāo)定表達(dá)式為：

θw=174.9337Gv3-134.6299Gv2+59.3776Gv-0.6387， 0.22≤Gv≤0.75

圖2 采用歸一化處理后不同探頭的測試結(jié)果

圖3 Q2黃土體積含水率與相對電壓比關(guān)系曲線

3 SWR系統(tǒng)在高填方工程中的應(yīng)用

本次將SWR系統(tǒng)應(yīng)用于某黃土高填方含水率的動態(tài)監(jiān)測。該工程位于溫暖帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，屬于黃土丘陵溝壑地貌。填方場地黃土填料主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)馬蘭黃土及風(fēng)積、殘積(Q2eol+el)離石黃土。地下水類型為第四系孔隙潛水和侏羅系基巖裂隙水兩大類。通過在高填方體內(nèi)部沿溝底設(shè)置盲溝、填方體表面修建排水溝渠，向高填方區(qū)域外排水。本次含水率監(jiān)測的目的是通過在填土中不同深度處埋設(shè)土壤水分傳感器，探討土中不同深度的含水率變化規(guī)律。

本次在填方體的近地表大氣影響層內(nèi)、填方體中部、填方體下部的近水位面附近均安裝了土壤水分傳感器。填方區(qū)某監(jiān)測點的SWR土壤水分傳感器的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。施工過程，土壤水分傳感器的測量值均明顯增大，這主要是由于監(jiān)測位置土體隨上部土體荷重增加干密度增大，導(dǎo)致SWR土壤水分傳感器的輸出電壓增大，進(jìn)而使體積含水率測量值呈明顯的增大趨勢。填土施工完成后，停荷恒載，地基沉降明顯降低，這時土體的干密度僅小幅度增大，對應(yīng)SWR土壤水分傳感器的體積含水率觀測值呈小幅增大趨勢。

圖4 某典型監(jiān)測點的體積含水率觀測結(jié)果

圖4中，各監(jiān)測點隨填筑施工埋入高填方體內(nèi)，同時進(jìn)行了監(jiān)測。2014-10-06—2015-04-10，監(jiān)測點所在區(qū)域填筑體頂面進(jìn)行道路施工，觀測電纜臨時埋至填筑體內(nèi)，暫時停止了監(jiān)測。W12監(jiān)測點的含水率觀測值最低，主要是由于填料的初始含水率較低導(dǎo)致。埋設(shè)在填土中不同深度處的土壤水分傳感器的變化可分為3類具有代表性的區(qū)域特點：

(1) W14監(jiān)測點位于填方上部大氣影響深度范圍內(nèi)，土體的水分變化會受到大氣降水影響，含水率波動較大。

(2) 填方中部，大部測點土中水分波動幅度相對較小。主要是因為黃土高填方厚度大、填土非均質(zhì)、填土初始含水率差異不大，水分變化是填土在內(nèi)部豎向和橫向遷移的結(jié)果，遷移過程相對緩慢。

(3) W1監(jiān)測點在填方體下部近水位面部位，根據(jù)相鄰測點的地下水位觀測結(jié)果，填筑施工引起了地下水位變化，施工前W1監(jiān)測點位于地下水位面上方2.5 m處，施工階段地下水位最大上升了1.2 m，竣工后地下水位經(jīng)歷一個緩慢小幅度上升后轉(zhuǎn)而下降的過程。地下水位的變化過程與W1監(jiān)測點的含水率變化歷時曲線的增大段、緩變段和降低段有著對應(yīng)關(guān)系。分析認(rèn)為，黃土高填方地基土通過向上、水平向排水固結(jié)，潛水含水層與包氣帶之間存在毛細(xì)帶，近水面處的監(jiān)測點的含水率增大幅度明顯高于其余各個深度的體積含水率增大速率，表明該部分水分運移常態(tài)主要受地下水位變化影響。

本次在同一場地中對滲透試驗中土體的體積含水率變化進(jìn)行監(jiān)測，獲得的SWR系統(tǒng)含水率動態(tài)觀測曲線見圖5。試驗土層的干密度為1.74 g/cm3、初始質(zhì)量含水率為14.8%，探頭埋入土中深度為10 cm。浸水時，土層含水率逐步從天然增大至飽和，停水后土中水分通過蒸發(fā)和重力下滲方式降低。當(dāng)研究降雨對土體含水率變化的影響及土層對降雨的響應(yīng)深度時，地表水入滲過程與時間密切相關(guān)，必須準(zhǔn)確把握水分變化時間點[15-16]。從圖5中可以看到，從0時刻地表水浸入到觀測點深度開始，試驗點先后經(jīng)歷浸水、停水過程，SWR土壤水分傳感器均能夠靈敏地反映出觀測點出土中水分的動態(tài)變化過程和水分變化的關(guān)鍵時間節(jié)點。

圖5 SWR系統(tǒng)含水率動態(tài)觀測曲線

4 結(jié) 語

SWR系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)確、定點、連續(xù)、自動化、量程寬的特點，在巖土工程含水率動態(tài)監(jiān)測方面具有較好的應(yīng)用前景。本文通過對SWR系統(tǒng)的設(shè)備安裝、SWR土壤水分傳感器標(biāo)定及其在黃土高填方工程含水率動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，得到以下主要結(jié)論：

(1) 通過建立烘干法體積含水率與相對電壓比關(guān)系曲線，即采用歸一化電壓而非絕對電壓與體積含水率進(jìn)行回歸分析，建立標(biāo)定模型，可在一定程度上消除傳感器個體間的差異性，增強(qiáng)互換性。

(2) SWR系統(tǒng)可獲得觀測點處土壤水分變化的連續(xù)曲線，能靈敏地反映土體水分的增減變化，可同時進(jìn)行土中多個剖面的含水率變化進(jìn)行測量。

(3) SWR系統(tǒng)在某黃土高填方工程的應(yīng)用表明：填方上部大氣影響深度范圍內(nèi)，土體的含水率波動相對較大；填方中部因土方厚度大、填土非均質(zhì)、填土初始含水較小，水分發(fā)生緩慢的遷移；填方下部近水位面土體的含水率受地下水位變動影響大，該部分水分運移取決于地下水位變化。

(4) 黃土高填方體內(nèi)部含水率變化緩慢，水分遷移是一個長期過程才能達(dá)到自然平衡態(tài)，因此開展填土含水率變化的長期監(jiān)測，從而全面掌握高填方內(nèi)部水分遷移規(guī)律，可為高填方工程的防排水設(shè)計、穩(wěn)定性分析等提供實測資料。

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SWR Moisture Monitoring System and Its Application in Dynamical Measurement of Soil Moisture Content in High Filled Ground

YU Yongtang1,2,3, ZHANG Jiwen2,3, LIU Zhenghong2,3, DU Weifei2,3

(1.CollegeofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China;2.ChinaJKInstituteofEngineeringInvestigationandDesignCo.,Ltd.,Xi'an,Shaanxi710043,China;3.ShaanxiKeyLaboratoryofEngineeringBehaviorandFoundationTreatmentforSpecialSoil,Xi'an,Shaanxi710043,China)

Deformation and stability of loess high filled ground are influenced by the change of soil moisture content. In order to apply SWR moisture monitoring system to measure soil moisture content in high filled ground, the technology of the SWR soil moisture sensor was installed in an exploratory. Based on the actual volume moisture content data of soil samples obtained by drying method in laboratory test and the corresponding output voltage data of the SWR soil moisture sensor, the actual volume moisture content data and the normalized output voltage data were used to establish the calibration model by using the regression analyse method. The results show that the SWR soil moisture sensor can be installed accurately and reliably in exploratory well. The observation precision and interchange ability among individuals of SWR soil moisture sensors are improved significantly, and the dynamic change and regulation of soil moisture can be revealed accurately after calibration.

standing-wave ratio; loess; moisture content; monitoring; calibration

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.017

2017-02-01

2017-02-28

國家科技支撐計劃項目(2013BAJ06B01)

于永堂(1983—)，男(滿族)，遼寧鞍山人，博士生，高級工程師，研究方向為巖土工程檢測與監(jiān)測技術(shù)、濕陷性黃土地基處理技術(shù)。E-mail：yuyongtang@126.com

TU444

A

1672—1144(2017)03—0087—05