SWR水分监测系统在黄土高填方工程中的应用研究

于永堂，张继文，刘争宏，杜伟飞

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安, 710055；2.机械工业勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安, 710043；3.陕西省特殊土工程性质与处理技术重点实验室, 陕西 西安, 710043)

SWR水分监测系统在黄土高填方工程中的应用研究

于永堂1,2,3，张继文2,3，刘争宏2,3，杜伟飞2,3

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安, 710055；2.机械工业勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安, 710043；3.陕西省特殊土工程性质与处理技术重点实验室, 陕西 西安, 710043)

黄土高填方工程的变形与稳定性受土体含水率的变化影响大。为了应用SWR水分监测系统对黄土高填方工程的土体含水率变化进行监测，研发了插针式SWR土壤水分传感器的探井埋设工艺，在采用烘干法获得实际体积含水率与对应输出电压数据的基础上，探讨了将SWR土壤水分传感器输出电压进行归一化处理后与体积含水率进行回归分析建立标定模型的方法。结果表明，探井埋设方法可将SWR土壤水分传感器准确可靠地安装就位，SWR土壤水分传感器经标定后，观测精度和个体间的互换性得到显著提高，能够准确反映土体中水分的动态变化规律。

驻波比；黄土；含水率；监测；标定

含水率是土的基本物理性质指标之一，它直接影响到土的工程性质。对土中的含水率变化进行监测是边坡、堤坝、路基、高填方等工程的基础性工作，是研究土体内部水分的空间分布与迁移规律，进行变形分析与稳定性评价的重要资料。目前，土体中含水率的监测方法已经从传统的烘干法发展到了目前的遥感法、中子水分仪法、张力计法、介电法等快速测试方法[1-3]。基于介电法原理开发的各类土壤水分传感器，由于具备简便安全、快速准确、定点连续、量程宽，可实现自动化监测等优点，成为近年来研究的热点，我国水利行业已建立了相关标准[4]。驻波比(Standing-Wave Ratio，SWR)法的土壤水分传感器属于介电法的一种，利用驻波比法测量土体含水率，实际反映的是土体中探头的特性阻抗变化，其基本原理是当高频电磁波沿传输线传输到探头时，由于探头阻抗与传输线的特性阻抗不匹配，会在传输线上产生驻波，从而引起传输线两端电压幅值的变化，由于探头阻抗与含水土体的介电常数有关，而土的介电常数主要取决于土的含水率(水的介电常数约80，固体土颗粒的介电常数约为4，空气的介电常数约为1)，因此通过测量传输线上的电压变化即可间接反应土体含水率[5-8]。

目前，SWR土壤水分传感器已在农业工程的土壤墒情监测、节水灌溉系统中得到广泛应用[9]。近年SWR土壤水分传感器被引入岩土工程中，用于监测地基土的含水率变化。土壤水分传感器的标定工作直接影响其测试精度，若直接采用土壤水分传感器的出厂标定模型，会因出厂标定用土与应用场地土体的土质差异，使传感器的测量值与实际值存在着一定偏差，因此要准确监测土体的含水率变化，则需对土壤水分传感器重新标定，建立所监测土体对应的标定模型，以提高土壤水分传感器测量数据的准确可靠性[10-11]。本文介绍了SWR水分监测系统的设备安装、传感器标定校正方法及其在黄土高填方工程含水率动态监测中的应用实例，相关成果可为类似介电法土壤水分传感器在黄土地区的工程应用提供参考。

1 SWR系统组成与设备安装

SWR系统由SWR土壤水分传感器探头、数据采集转换器、GPRS无线数据传输模块、现场供电设备、监测中心计算机等组成。本次采用的SWR土壤水分传感器探头为圆柱体，直径为32 mm，前端带有四根长度为7 cm的金属探针，后端为通信电缆，使用时将探针插入被测土层，一组探头通过电缆连接到集线箱。SWR土壤水分传感器量程为0%～100%，在0%～50%范围内经校正后精度可达±2%，90%测量区域为围绕中央探针直径3 cm，高7 cm的圆柱内，工作电压12 V，输出电压0 V～2.5 V。数据采集转换器用于将探头测定的模拟电压号转换为数字信号。GPRS无线数据传输模块用于向监测中心发送监测数据和接收监测中心控制指令。现场供电设备由太阳能板和蓄电池组成，用于向数据采集和传输设备供电。监控中心计算机接入Internet网络，装有数据采集软件、数据库、虚拟串口等其它支撑软件，主要功能是数据采集与存储、数据历时曲线显示、数据报表输出等。SWR系统进行土壤水分连续测量时，可自动记录观测结果，测量的时间间隔可根据需要通过监控中心计算机灵活设置。

SWR系统安装时，首先根据监测场地的地形地貌特点和监测要求，选择和布置监测点。SWR土壤水分传感器宜采用探井埋设，当埋设深度较大时，开挖探井困难，也可采用钻孔埋设，具体安装埋设方法可参考文献[12]。当采用探井埋设时，埋设步骤分为开挖探井、取样测试、埋设探头、回填探井和安装采集传输设备等，具体内容如下：

(1) 开挖探井：在监测场地中采用机械洛阳铲开挖探井，为便于人工下井安装传感器，探井直径不小于50 cm。

(2) 取样测试：根据设计安装位置，在探井侧壁上每一监测点处取原状土样，测定土样的密度和含水率。

(3) 埋设探头：将SWR土壤水分传感器的金属探针水平向插入紧邻取样点处的土中，使监测点的土质、含水率、密度与取样点近似相同，且应保证探针全部插入土中。重复(2)、(3)步骤，将所有SWR土壤水分传感器安装至各层测点，然后在探井侧壁上开挖一引线槽，将传感器电缆线集中成一束安置在引线槽中，并采用U形卡子固定，将剩余电缆引至地面。

(4) 回填探井：采用开挖探井时带出的原土对探井分层回填、分层夯实处理，夯实过程需防止损伤电缆。最后预留约0.8 m探井井深不回填，将SWR土壤水分传感器的电缆集中绑扎成一束，装入电缆袋，放入探井中。采用全站仪、GPS RTK等测量仪器观测探井井口及电缆袋顶部的位置坐标，用于下次进行探井开挖时，确定探井位置及电缆袋的埋设深度。电缆袋上部覆土保护后继续进行填土施工，达到下一次埋设时机时重复(1)～(4)步骤，直至填土施工完成，传感器全部安装完毕。

(5) 安装数据采集、传输和供电设备：将上述SWR土壤水分传感器的电缆接入数据采集转换器、GPRS无线数据传输模块、网络通信设备、现场供电设备等。

2 SWR土壤水分传感器的标定

SWR土壤水分传感器使用前，为了获得较高的测量精度，有必要采用对应监测地层的黄土对传感器进行重新标定。一般认为传统烘干法测定的含水率是可靠的，可以作为其它各种快速测量方法的校正标准。因此，标定用土的体积含水率真实值可由式(1)计算确定。

θw=wρd/ρw

(1)

式中：w为烘干法测定的质量含水率，%；ρd为灌砂法测定的试样干密度，g/cm3；ρw为试验温度下水的密度，g/cm3，一般取为1.0 g/cm3。

研究发现，介电法土壤水分传感器的测试结果除受含水率的直接影响外，还受到土的干密度、土质和温度等因素影响[13]。笔者在文献[14]中通过建立烘干法测量值与土壤水分传感器观测值的关系，建立了考虑干密度影响的修正模型，较适合用于干密度已知条件下的定点监测。本次在黄土填方工程中进行含水率监测，考虑到填土的干密度会随填筑施工变化，同时干密度动态变化数值较难掌握，为了提高标定模型的适用范围，将含水率、干密度变化作为综合因素考虑。对同一土样，分别采用烘干法、SWR土壤水分传感器法测定试验土样的含水率，然后采用最小二乘法进行数据回归，建立烘干法体积含水率与SWR土壤水分传感器输出电压之间三次拟合多项式：

θv=aU3+bU2+cU+d

(2)

式中：a、b、c、d为拟合参数；θv、U分别为SWR土壤水分传感器体积含水率计算值(%)和输出电压(V)。

为了保证标定模型在较大范围内的适用性，本次试验的含水率变化范围控制在2.5%～24.6%，干密度变化范围控制在1.11 g/cm3～1.85 g/cm3，试验温度控制在(13±1)℃。本次试验中标定土样的基本性质指标如表1所示。

表1 标定土样的基本性质指标

考虑到SWR土壤水分传感器90%的测量影响区域围绕中央探针直径为3 cm、高为7 cm的圆柱体内，标定土样采用了直径d=15.2 cm，高h=11.6 cm的圆柱形试样，保证测试结果不受试样尺寸的影响，其中低密度试样(ρd<1.60 g/cm3)采用压样法制备，高密度(ρd≥1.60 g/cm3)试样采用分层夯实法制备。

工程实践中发现，SWR土壤水分传感器的标定曲线形式是一致的，但个体间会略有差异，若在同一场地中对每个土壤水分传感器分别标定，则较为费时费力。此外，同一个SWR土壤水分传感器在长期使用后也会发生零点漂移，这时仍采用原标定方程就会产生误差。因此考虑将SWR水分传感器的输出电压进行归一化处理，定义相对电压比Gv：

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

(3)

式中：U、Ua、Uw为分别SWR土壤水分传感器在使用环境条件下，土中、空气中和水中的输出电压值(V)，且Ua≤U≤Uw。通过测定使用条件下的Ua、Uw，利用公式(3)计算出相对电压比Gv值，建立烘干法体积含水率θw与相对电压比Gv间关系曲线如图1所示。

图1 Q3黄土体积含水率与相对电压比关系曲线

图2为采用归一化电压而非绝对电压与体积含水率进行回归分析，建立的标定模型。对不同探头、同一土质的土体进行测试发现，不同探头测试结果基本一致，表明该标定方法可在一定程度上消除传感器个体间的差异性，增强互换性。Q3黄土的标定表达式为：

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

(4)

采取同样的标定方式，可得到Q2黄土的烘干法体积含水率θw与相对电压比Gv间关系曲线如图3所示，对应的标定表达式为：

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

图2 采用归一化处理后不同探头的测试结果

图3 Q2黄土体积含水率与相对电压比关系曲线

3 SWR系统在高填方工程中的应用

本次将SWR系统应用于某黄土高填方含水率的动态监测。该工程位于温暖带半干旱大陆性季风气候区，属于黄土丘陵沟壑地貌。填方场地黄土填料主要为第四系上更新统风积(Q3eol)马兰黄土及风积、残积(Q2eol+el)离石黄土。地下水类型为第四系孔隙潜水和侏罗系基岩裂隙水两大类。通过在高填方体内部沿沟底设置盲沟、填方体表面修建排水沟渠，向高填方区域外排水。本次含水率监测的目的是通过在填土中不同深度处埋设土壤水分传感器，探讨土中不同深度的含水率变化规律。

本次在填方体的近地表大气影响层内、填方体中部、填方体下部的近水位面附近均安装了土壤水分传感器。填方区某监测点的SWR土壤水分传感器的监测结果如图4所示。施工过程，土壤水分传感器的测量值均明显增大，这主要是由于监测位置土体随上部土体荷重增加干密度增大，导致SWR土壤水分传感器的输出电压增大，进而使体积含水率测量值呈明显的增大趋势。填土施工完成后，停荷恒载，地基沉降明显降低，这时土体的干密度仅小幅度增大，对应SWR土壤水分传感器的体积含水率观测值呈小幅增大趋势。

图4 某典型监测点的体积含水率观测结果

图4中，各监测点随填筑施工埋入高填方体内，同时进行了监测。2014-10-06—2015-04-10，监测点所在区域填筑体顶面进行道路施工，观测电缆临时埋至填筑体内，暂时停止了监测。W12监测点的含水率观测值最低，主要是由于填料的初始含水率较低导致。埋设在填土中不同深度处的土壤水分传感器的变化可分为3类具有代表性的区域特点：

(1) W14监测点位于填方上部大气影响深度范围内，土体的水分变化会受到大气降水影响，含水率波动较大。

(2) 填方中部，大部测点土中水分波动幅度相对较小。主要是因为黄土高填方厚度大、填土非均质、填土初始含水率差异不大，水分变化是填土在内部竖向和横向迁移的结果，迁移过程相对缓慢。

(3) W1监测点在填方体下部近水位面部位，根据相邻测点的地下水位观测结果，填筑施工引起了地下水位变化，施工前W1监测点位于地下水位面上方2.5 m处，施工阶段地下水位最大上升了1.2 m，竣工后地下水位经历一个缓慢小幅度上升后转而下降的过程。地下水位的变化过程与W1监测点的含水率变化历时曲线的增大段、缓变段和降低段有着对应关系。分析认为，黄土高填方地基土通过向上、水平向排水固结，潜水含水层与包气带之间存在毛细带，近水面处的监测点的含水率增大幅度明显高于其余各个深度的体积含水率增大速率，表明该部分水分运移常态主要受地下水位变化影响。

本次在同一场地中对渗透试验中土体的体积含水率变化进行监测，获得的SWR系统含水率动态观测曲线见图5。试验土层的干密度为1.74 g/cm3、初始质量含水率为14.8%，探头埋入土中深度为10 cm。浸水时，土层含水率逐步从天然增大至饱和，停水后土中水分通过蒸发和重力下渗方式降低。当研究降雨对土体含水率变化的影响及土层对降雨的响应深度时，地表水入渗过程与时间密切相关，必须准确把握水分变化时间点[15-16]。从图5中可以看到，从0时刻地表水浸入到观测点深度开始，试验点先后经历浸水、停水过程，SWR土壤水分传感器均能够灵敏地反映出观测点出土中水分的动态变化过程和水分变化的关键时间节点。

图5 SWR系统含水率动态观测曲线

4 结 语

SWR系统具有快速、准确、定点、连续、自动化、量程宽的特点，在岩土工程含水率动态监测方面具有较好的应用前景。本文通过对SWR系统的设备安装、SWR土壤水分传感器标定及其在黄土高填方工程含水率动态监测中的应用，得到以下主要结论：

(1) 通过建立烘干法体积含水率与相对电压比关系曲线，即采用归一化电压而非绝对电压与体积含水率进行回归分析，建立标定模型，可在一定程度上消除传感器个体间的差异性，增强互换性。

(2) SWR系统可获得观测点处土壤水分变化的连续曲线，能灵敏地反映土体水分的增减变化，可同时进行土中多个剖面的含水率变化进行测量。

(3) SWR系统在某黄土高填方工程的应用表明：填方上部大气影响深度范围内，土体的含水率波动相对较大；填方中部因土方厚度大、填土非均质、填土初始含水较小，水分发生缓慢的迁移；填方下部近水位面土体的含水率受地下水位变动影响大，该部分水分运移取决于地下水位变化。

(4) 黄土高填方体内部含水率变化缓慢，水分迁移是一个长期过程才能达到自然平衡态，因此开展填土含水率变化的长期监测，从而全面掌握高填方内部水分迁移规律，可为高填方工程的防排水设计、稳定性分析等提供实测资料。

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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

国家科技支撑计划项目(2013BAJ06B01)

于永堂(1983—)，男(满族)，辽宁鞍山人，博士生，高级工程师，研究方向为岩土工程检测与监测技术、湿陷性黄土地基处理技术。E-mail：yuyongtang@126.com

TU444

A

1672—1144(2017)03—0087—05