改进原位渗透试验对水电站工程中渗透参数测量的优化分析

魏亮

摘要：原位渗透试验通过简单的实验环境设置，通过实验室的模拟试验，获得江坪河水电站中的垫层料、特殊垫层料的渗透系数，已解决现场试验结果不准确的问题，常用于水电站、地质工程等领域。然而，原位渗透试验仍然存在参数测量不准确，或者部分参数缺失的问题。基于上述原因，本文提出原位渗透试验的改进措施，并以江坪河水电站为研究对象，对比两种试验结果的优点。实验结果显示，改进型原位渗透试验在准确率、计算过程、参数选择方面，由于传统的原位试验方法。所以，改进型原位渗透实验可以为水电站工程的设计和研究提供计算支持。

关键词：原位渗透试验;水电站工程;参数测量;优化

原位渗透实验可以将现场渗透试验转移到实验室，降低地质、水文、风等不利因素的影响，提高试验的准确性。然而，试验中涉及的数据较多[1]，影响试验方法的准确性。部分无关的参数和指标，增加了试验的复杂程度。如何选择有效的参数和指标，对不确定的实验数据进行合理的选取，是原位渗透试验有效进行的关键。粗糙集（Rough Set，RS）是对水利工程不确定，或者不完整信息的处理工具和方法，最早由Pawlak教授提出，所以对试验中的数据进行初步分类，在有选择性的进行相关性分析。基于粗糙集的原位渗透试验，可以简化集合的数据量，通过关键性的数据和指标，进行相关的分析和研究，以提高原位渗透试验的计算效率。

1.粗糙集的试验方法

1.1渗透参数集合的构建

粗糙集要对渗透参数构建可辨识矩阵，找出各个参数中核属性，并依据相应的实验方法，分析各個测试的结果，[10]具体内容如下：

1）构建原位渗透试验的可辨识矩阵M，如果矩阵中各个参数的值等于1，说明该属性可以作为实验参数，否则无法进行相关实验，而且该参数值不可以去掉;假设 代表试验相关参数的核属性集合，那么 是 的简约集合，可以进行后续的实验分析[2];

2）假设S代表M矩阵中所有参数的集合，且S中无重复性的试验数值;假设S中含有n个试验数值组合，并用Bi表示各个试验的数值，其公式化描述为：  ;假设Bi中含有m条件属性，代表着原位渗透试验的实验条件，那么 其公式化描述为： ;其中， 为集合的基数。由此可以构建出原位渗透试验的系数值Q，公式化描述为：

1.2试验结果的约束规则

约束规则是原位渗透试验实施的准则，以降低试验设备、外界因素、人为因素的干扰，提高渗透试验的结果。约束性规则可以对不同属性的试验数据进行归类和处理，得到不同规则下的试验数据，以及试验数据之间的关系。约束规则是以每一个约束规则为出发点，试验数据在不同的约束规则下进行遍历分析，将符合所有试验约束规则的数据纳入到最终的分析数据中。每一个约束规则都设定判断分析，只有符合分析规则的数据[3]，才能进入下一个约束规则的判断，否则试验数据将会被剔除。约束规则之间并不存在联系，属于独立性的规则内容。试验数据经过约束规则的处理后，实现了数据的分类，以及数据准确性的提高。

2.实际案例分析

2.1试验设备

本文以江坪河水电站为例，试验设备为：1）内径=22.6cm，高度=15cm，内侧刻度为0～10cm，分度值=1mm，外径为45.2cm，容积为5000～10000ml的供水瓶;2）测量范围为0～50℃的温度计;3）工兵铲、秒表，以及含水率的测量设备等。所有试验流程要符合《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T5356-2006、《水电水利工程土工试验规程》  DL/T5355-2006的相关标准。

2.2相关参数

在可辨识矩阵M中包括7个参数，即 ，分别为KT渗透系数，单位：cm/s;Q渗透流量，单位：cm3/s;A内环面积，单位：cm2/s;H1水的渗透深度，单位：cm;H2住水坑的深度，单位：cm; H3毛细管力的水柱高度，单位：cm;K20水温20度下的渗透系数，单位：cm/s。上述数据每一次测量20次，并带入到相关公式中 （1、2和3），进行反复迭代测试。每个指标的数据分为三部分，“完全符合”、“不符合”、“似乎符合”，分别赋予1，2，0三个值。每个指标的值如果>0，说明该指标属于关键指标，被纳入到C中。

2.3原位渗透试验数值初始化

依据上述数据对园内渗透数值C进行初始化，找出其中的关键指标数据。由于指标数据需要进行20次的测试，所以将数据的迭代测试归为20。又由于数据的参数为7个，所以将条件数据设置为7个。在7个参数中，所有的属性均符合要求，无需进行约简，所以最后确定约束规制为7，原位实验的测试结果如下：

由上表可知，改进原位渗透试验方法与原有实验方法之间存在差异，两种方法在进行相关参数测量时，测量结果均符合要求，但前者的测量效果更加理想。

2.4准确度与效率比较

（1）算法准确率

改进原位渗透试验方法对其数据集进行整合，剔除影响程度较低的数据，将关键性数据纳入集合中。原位渗透试验方法未对相关数据进行分类和处理，数据量相对比较多。两者均进行20次的迭代测试，发现改进原位渗透测量方法在测试前就体现出自身优势，测试准确率方面显著优于原位渗透实验法。改进原位渗透试验法的准确率达到98.6%，原位渗透试验方法的准确率在91.3%，虽然两者均高于90%，但前者的准确率更高。原位渗透试验方法在迭代12次以后，其准确率呈现下降趋势，而改进原位渗透实验法的准确率整体比较稳定。

（2）算法计算时间

改进原位渗透试验进行45次迭代，仅有32s，而传统原位渗透实验的计算时间超过55s，是前者的1.5倍以上，所以改进原位渗透实验的计算时间较短。改进园内渗透实验的倾斜率变化平稳，原位渗透实验的经营率变化较大，特别是在迭代30次以后。由此说明，改进原位渗透试验的计算结果更加准确，计算时间更短，准确率更优，适合于水电站工程中的渗透参数测量，降低人为、自然环境等不定因素的影响。

3.结果

原位渗透试验是水电工程中参数测量的重要实验，但在实际测量过程中，由于人为、自然等因素的影响，实验结果存在不准确的现象。一般来说，水电工程中的渗透参数测量，主要是在实验室中进行。然而，水电工程中渗透参数中包含部分定性参数，无法进行准确的分析和评估。为了提高测量的准确性，降低测量过程中主观判断的影响，需要对相关参数和指标进行分析和评估。同时，在多次测量结果中，部分数据存在着重复、相似的现象，需要对相关数据进行剔除，以简化数据集合。基于粗糙集的原位渗透实验方法，对类似数据进行剔除，实现数据集合的优化，提高测量的准确性和效率。通过改进原为渗透试验与原位渗透实验的比较，发现改进原位渗透实验在测量准确度、时间方面军体现出自身优势，适合于实际的应用和推广。

参考文献

[1] 李学良，卢书强，张国栋，等. 滑坡碎石土原位渗透试验及渗透系数预测研究[J]. 人民长江. 2018， 47（10）： 41-44.

[2] 曹元生. 水泥土防渗墙原位渗透试验方法研究[J]. 土工基础. 2019， 26（03）： 98-100.

[3] 张涛，郑绍羽，邹勇. 龙凤水电站坝基河床强夯试验研究[J]. 水利水电技术. 2019， 42（11）： 74-78.