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水文地质参数计算应用

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1数据处理软件SHP的主要设计

水文地质参数可视化计算程序包括主程序和一系列相对独立的子程序,共用一个模块。首先明确软件适用的范围,由于实际工程中抽水试验应用广泛,压水试验是钻孔内最常用的岩体原位渗透试验,《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL31-2003)采用吕荣试验作为常规性的压水试验方法。微水试验作为新的水文地质试验方法,其试验时间短、不需要附加观测孔,经济简便,对地下水正常观测的影响也较小,几乎不造成任何污染,取得的渗透参数虽只涉及试验孔附近小范围的含水层介质,但在研究范围小或在研究范围内有较多勘探孔的情况下,采用微水试验无疑是一种理想的方法。而其他方法使用较少,因此,程序包括三大部分:抽水试验、压水试验和微水试验,其结构图如图1所示。图1程序结构其中稳定流潜水完整井和稳定流承压完整井根据Dupuit公式和Thiem公式求解;非稳定流承压完整井的Jacob直线法、配线法和水位恢复法,根据Theis公式求解;吕荣法,采用三级压力5个阶段求解透水率;振荡试验法采用Kipp模型,基于振荡方程确定含水层参数,而承压微水试验和潜水微水试验的理论公式分别根据Cooper模型和Bouwer模型基于水流的传导方程确定水文地质参数。

2程序设计流程

软件中各个子程序的流程按照数据录入—绘制曲线—计算求参3个步骤来完成,除稳定流潜水完整井和稳定流承压完整井,因其只需直接输入已知条件即可得到渗透系数。

2.1数据录入Jacob直线法、配线法等均需要输入大量数据,已有的计算机程序多采用逐个输入数据或读取*.dat文件。鉴于Excel具有强大数据处理功能,该软件通过数据库语言建立连接,直接读取Excel文件的方式录入数据。单击“数据处理”后,实测数据即显示在picture图片框中。

2.2绘制曲线对于Jacob直线法、水位恢复法、吕荣法这3种方法来说,绘制曲线的重点在于动态坐标的生成问题。每次录入数据之后,查找数据中的最大值,并依据最大值重新设置图片框的范围,同时横、纵坐标也随之变化。Jacob直线法、水位恢复法采用最小二乘法原理拟合直线(如图2),与Excel作图结果一致。吕荣法连接5个数据点即可绘制上升曲线与下降曲线。配线法、脉冲振荡试验法和承压微水试验这3种方法则需要绘制标准曲线,配线法为双对数坐标,后两者为半对数坐标。程序根据人工配线先绘制标准曲线,之后将实测点绘制在透明(半)对数坐标上移动至与标准曲线重合这一原理实现整个过程的可视化:调用过程函数Draw绘制标准曲线及其(半)对数坐标轴,编写另一过程函数Draw1绘制实测点及其(半)对数坐标轴,前者显示主坐标轴,后者显示次坐标轴,配线时,视觉效果即实测点所在(半)对数纸在标准曲线所在(半)对数纸上移动。配线法可以通过寻找实测数据点与标准曲线离差平方和的最小值来实现程序的自动配线。这3种方法均可采用手动配线法,通过滚动条的滑动或单击滚动条两侧箭头,移动实测点及其(半)对数坐标,直至实测曲线与标准曲线重合。该过程的实现方法为:每当触发滚动条命令时,记录移动值,图片框被清空,重新调用Draw与Draw1函数,Draw1函数考虑移动值。潜水微水试验是在半对数坐标纸上绘出lgy-t曲线,首先拟合该曲线的直线部分,延伸该直线至t=0并记下y0,选取直线上一点,记下y和t的值。然后查找与Lk/rw相关的无量纲参数A、B或C,计算ln(Re/rw),最后得到岩土体的渗透性参数。根据该原理,需要解决两方面的问题:首先确定曲线的直线段进行拟合其次是查找参数。第一个问题程序以MouseDown命令选择分界点,利用比分界点观测时刻早的那部分数据,采用最小二乘法拟合直线;第二个问题要查找标准曲线确定参数A、B或C值,先通过后台计算Lk/rw,其中Lk为过滤器长度,rw为花管半径(m),A、B、C标准曲线由许多散点组成,确定横坐标Lk/rw,的相邻两点,两点构成直线函数,将横坐标Lk/rw代入该函数,可以获得对应的纵坐标值,即A、B值或C值。

2.3计算求参Jacob直线法、水位恢复法经过直线拟合,获得斜率值,即可代入相应的公式求得导水系数与贮水系数;吕荣法在数据录入时,已经将Q3、P3赋值给数组,直接代入公式q=(Q3/L)×(1/P3)求得透水率,式中:q为透水率(Lu),Q3为第三(最大)压力阶段的压入流量(L/min),P3为第三(最大)压力阶段的试验压力(MPa),L为试段长度(m);配线法、脉冲振荡试验法、承压微水试验和潜水微水试验,通过MouseDown命令选择匹配点(计算点),除潜水微水试验获得渗透系数值外,其余均获得导水系数与贮水系数。计算完成之后可单击“新建”继续计算,也可单击“保存”,存为“.TXT”格式,将计算所得水文地质参数存储在计算机任意位置。保存时会弹出对话框“输入试验信息”,以避免进行大量计算后保存结果出现混乱。软件中各子程序采用的实现方法归纳整理,如表1所示。3SPH的特点及创新SPH主要特色在于实用性强、人机交互简单、配线过程可视化以及程序设计人性化。该软件可用于多种试验方法求取水文地质参数,满足不同的工程需要;VB的强大界面功能,使得整个操作流程清晰、明确、简单;配线时移动坐标纸的过程,使得软件可视化特征更清楚明了;利用“打开”与“关闭”文件的命令实现计算结果的连续保存,并输入信息加以标记,方便使用。在该软件的开发之中,除了数据录入时采用数据库调用Excel,包括微水试验这一国内新兴起的试验方法之外,还具有两点创新之处:(1)用VB控件—滚动条实现手动配线:通过查阅已有的配线法计算程序,手动实现方法只有输入数据点移动距离,如将数据点往左、上移输入负数,反复进行,直至与标准曲线基本重合。本程序采用滚动条控制实测点及其所在坐标轴的移动,非常直观,与不断输入移动距离比较省时省力;(2)实现非稳定流承压完整井自动配线的新方法,即优化路径法:根据在双对数坐标纸下,W(u)-1/u和s-r2/t的曲线形态基本一致,受人工配线的启发,拟合完成时,散点区域中必定存在一点(控制点)位于标准曲线上,新方法的原理就在于采用控制点带动所有实测点沿标准曲线移动,寻找实测数据距标准曲线离差平方和最小的位置。具体实现方法为:①计算实测点横坐标的均值得到x,在x左右各取0.25,即对数坐标单位的1/2,计算该范围内实测点纵坐标的均值得到y,确定控制点A(x,y);标准曲线共有157个点,每个点与A在横、纵坐标方向均有一组平移量,将所有实测数据点按相应的平移量移动至标准曲线附近,共移动157次,寻找离差平方和f1最小的位置;②为避免曲线拐弯的影响,再取辅助控制点,其横坐标计算公式为:x=2/3×(实测数据最大值-实测数据最小值)+实测数据最小值用同样的方法确定y值和寻找离差平方和f2的最小值,取f1、f2中较小值,按其相应的平移量移动实测数据,即可完成配线。和已有方法相比,在精度和速度方面都有较大提高。

4应用实例

4.1工程概况玄武湖位于南京市城区中北部,南、北、东三面环山,西面为冲积平原。玄武湖隧道西起模范马路,东至新庄立交二期,全长约2.7km,隧道从湖底穿行进入城区,其中暗埋段为2.2km,总宽度为32.0m,为双向六车道,单洞净宽为13.6m,通行净高为4.5m。隧道穿过玄武湖、古城墙和中央路,到达芦席营路口后在南京化工大学附近出地面。玄武湖隧道工程区地层岩性主要第四纪沉积土层,全新世沉积土层,晚更新世-早全新世沉积土层,基岩-燕山期岩浆岩。场内地下水可分为浅层潜水及深层弱承压水。隧道途经水域部分,勘探期间水深度0.6~1.8m,湖底淤泥厚度0.2~1.2m,湖水面标高10.13m。隧道途经陆(岛)域部分,模范马路段地面标高10.19~10.47m;模范马路-玄武湖段地面标高10.24~12.16m,其间穿过中央路及玄武湖城墙;梁洲段地面标高11.29~14.78m;翠洲段地面标高10.16~13.31m;万人游泳池-药物园段地面标高10.88~11.17m。

4.2SHP软件计算本文采用新型软件SHP确定水文地质参数,计算出导水系数、贮水系数、渗透系数,并且将软件计算结果与人工计算结果进行比较,软件计算省去了人工计算的繁琐过程,操作简单,计算过程仅需2~3s。抽水试验实测数据如表2所示,选取第5~600min的流量计算平均值,得出稳定流量Q=1.443m3/h。以自动配线法为例,整个计算过程如下:(1)首先进入SHP软件主界面,如图1所示,单击“配线法”,即可出现以下窗口,如图3所示。(2)单击“录入数据”,选取“降深时间配线法”进行下一步计算(图4)。(3)进入降深时间配线法窗口,根据表2数据输入“抽水井流量”及“计算点到抽水井的距离”,单击“”选择Excel文件,如图5所示。(4)单击选择数据所在“工作表”,读取“累计抽取时间”和“计算时刻降深”,如图6所示。(5)点击“数据处理”,即进入配线窗口,如图7所示。(6)配线步骤完成后,用鼠标单击曲线上任意点,再点击“输出结果”,即可算出导水系数为44.7292m2/d,已知含水层厚度为10.3m,则渗透系数为4.34264m/d,如图8所示。人工计算结果导水系数为47.12m2/d,渗透系数为4.57m/d。由软件计算结果和人工计算结果对比可知,SHP软件精度较高,计算所需时间较短,计算过程清楚明了。

5结束语

就目前而言,SHP是一款较全面、新颖的计算水文地质参数的软件,通过灵活运用VB语言实现曲线拟合、参数计算等,并提出基于SHP的程序手动配线和自动配线的新方法,使得软件具有简单实用、人性化、可视化的特点。现有的数据处理软件不能针对特定的大量数据进行译码和绘图分析,SHP运用数据库调用Excel文件,除了提高工作效率外,还可以进行数据预处理,剔除异常点,保证拟合精度,为工程项目的顺利进行提供良好的基础保障。

作者:李伟骆祖江张静李志利王璐佳单位:河海大学地球科学与工程学院同济大学地下建筑与工程系广州地铁设计研究院有限公司

水文地质参数计算应用责任编辑:田老师    阅读:人次