本發(fā)明涉及水利工程中心墻堆石壩大壩填筑土料料源質(zhì)量測定領(lǐng)域，特別涉及一種心墻堆石壩土料含水率快速檢測方法。

背景技術(shù)：

國內(nèi)心墻堆石壩建設(shè)規(guī)模越來越大，已經(jīng)達到300米級，土料需求量也隨之變大。對于心墻堆石壩填筑質(zhì)量，心墻堆石壩土料含水率是一個非常關(guān)鍵的控制指標。心墻堆石壩土料含水率不合格在施工過程中容易造成碾壓土料的剪切破壞、壓實度檢測取樣合格率偏低、層間結(jié)合不良等問題，無法有效控制工程質(zhì)量。由于質(zhì)量原因?qū)е聲和ＵＪ┕げ⑦M行返工處理，會嚴重影響大壩的施工進度。因此，心墻堆石壩土料含水率檢測是心墻堆石壩施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，心墻堆石壩土料含水率檢測仍主要采用較為傳統(tǒng)的烘干稱質(zhì)量法，完成一次檢測需要10小時以上，太過于耗時，效率低下，給現(xiàn)場檢測帶來了極大的不便。

廣大學者針對土料含水率快速檢測方法，進行了相關(guān)研究。中國專利CN103267702A公開了一種基于烘干稱質(zhì)量法發(fā)明的土樣含水率快速檢測儀，先利用紅外線燈管加熱，再微波加熱，相對于傳統(tǒng)烘干方法節(jié)省了較多烘干時間，但是所發(fā)明儀器體積較大，操作較為繁瑣；中國專利CN105116016A基于電阻法，考慮到土壤中孔隙水的導電率，將含水土壤等效為電阻，建立含水率快速檢測電路，但是其測量范圍有限，精度不高；中國專利CN104897734A基于范德堡理論(VDP理論)利用四探針法計算含水土層的電導率，通過土層電導率和含水率的對應關(guān)系，確定各點位含水率，但是隨時間推移探針靈敏度會有所減弱，影響測量結(jié)果；中國專利CN104297270A基于CT掃描得到紅黏土試樣的CT值與含水率和干密度的關(guān)系式，可對土壤含水率進行檢測，但是由于該方法存在一定的輻射，用于現(xiàn)場檢測會對人體產(chǎn)生一定的危害；中國專利CN104390932A基于紅外差譜技術(shù)針對木材提出了含水率快速檢測的方法，但是由于土料變異性影響，誤差大，在土料含水率檢測上適應性不強。

通過土壤介電特性測量土壤含水率的介電法是近20年來新發(fā)展起來的一種測量方法，在測量的實時性與精度上都較具優(yōu)勢，而且在使用操作上更加方便靈活，可適用于不同用途的土壤水分測量，是目前國內(nèi)外廣泛使用的一種土壤水分測量方法。目前，國內(nèi)市場上基于介電法研發(fā)的土壤含水率傳感器主要有時域反射法(TDR)和頻域反射法(FDR)兩種。采用頻域反射法(FDR)測量土壤含水率需要考慮土壤質(zhì)地、溫度和容重等影響，考慮因素較多。時域反射法(TDR)是基于電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的原理，根據(jù)高頻電磁波在土壤中發(fā)射波和反射波間的時間差來測定土壤含水率，其優(yōu)點是測量速度快、操作簡便、精確度高，并可連續(xù)測量，測量數(shù)據(jù)易于處理。目前，該方法主要應用于農(nóng)業(yè)和生態(tài)領(lǐng)域，由于心墻堆石壩土料具有獨特的制備工藝，在土壤特性方面與普通土壤具有較大差異，該方法在心墻堆石壩土料含水率檢測領(lǐng)域還未曾應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，針對心墻堆石壩土料含水率檢測，提供一種基于時域反射法(TDR)，快速、精確、高效的心墻堆石壩土料含水率快速檢測方法。本發(fā)明方法構(gòu)建了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)處理、信息反饋一整套的系統(tǒng)流程。利用本發(fā)明方法，能夠?qū)ν亮系暮蔬M行準確、快速測量，并對不符合心墻堆石壩土料含水率控制標準的土料區(qū)進行報警，實現(xiàn)了心墻堆石壩土料含水率的快速檢測、及時反饋，既提高了土料含水率的檢測效率，也有利于土料質(zhì)量負責人員針對土料含水率不合格區(qū)域進行及時處理，保證心墻堆石壩土料質(zhì)量。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種心墻堆石壩土料含水率快速檢測方法，包括心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器、以及通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接的掌上電腦和數(shù)據(jù)處理服務器，所述心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器包括通過同軸電纜相連接的探頭和時域反射儀，所述探頭包括PVC管和探針，所述同軸電纜上、靠近所述探頭處，設(shè)置有供其插拔組裝和拆卸的串口。

對心墻堆石壩土料含水率的檢測方法包括以下步驟：

(1)利用心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器對土料含水率進行檢測，時域反射儀獲得電磁波傳播時間；

(2)檢測人員利用掌上電腦將步驟(1)采集到的電磁波傳播時間發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務器；

(3)數(shù)據(jù)處理服務器對接收到的數(shù)據(jù)進行計算獲得土料含水率，并和設(shè)定的含水率標準進行對比分析；

(4)數(shù)據(jù)處理服務器將檢測結(jié)果推送到檢測人員的掌上電腦，若步驟(3)中計算得到的土料含水率不符合設(shè)計標準，數(shù)據(jù)處理服務器給現(xiàn)場土料質(zhì)量負責人員的掌上電腦推送報警通知。

步驟(3)中，數(shù)據(jù)處理服務器對接收到的數(shù)據(jù)進行計算，并和設(shè)定的含水率標準進行對比分析，具體步驟為：

a.根據(jù)電磁波傳播時間，計算土料介電常數(shù)：

K_a＝(cT/2L)²

其中，K_a為土壤的表觀介電常數(shù)；c為真空中電磁波的速度(m/s)；T為電磁波傳播時間(s)；L為探針長度(m)；

b.根據(jù)時域反射儀測量土料含水率公式，計算土料含水率：

其中：ω為土料含水率；

c.將步驟b計算得到的含水率ω和設(shè)定的含水率標準集[ω_下，ω_上]進行合格分析：

其中：ω_下為設(shè)定的含水率標準下限，ω_上為設(shè)定的含水率標準上限。

步驟(3)中，設(shè)定的含水率標準由設(shè)計單位根據(jù)編號為SL274-2001的《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》進行現(xiàn)場實驗確定，獲得設(shè)定的含水率標準集[ω_下，ω_上]。

步驟(4)中，步驟(3)中計算得到的土料含水率不符合設(shè)計標準，即其中，ω為步驟(3)計算得到的土料含水率，[ω_下，ω_上]為設(shè)定的含水率標準集。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明提出了心墻堆石壩土料含水率快速檢測的方法，操作簡便快捷、測量精度高，克服了傳統(tǒng)烘干稱質(zhì)量法時耗長、效率低等問題；

2.本發(fā)明在實現(xiàn)土料含水率準確、快速測量的同時，可對不符合心墻堆石壩土料含水率控制標準的土料區(qū)進行報警，向現(xiàn)場土料質(zhì)量負責人的掌上電腦推送報警通知，實現(xiàn)了心墻堆石壩土料含水率的快速檢測、及時反饋，既提高了土料含水率的檢測效率，也有利于土料質(zhì)量負責人員針對土料含水率不合格區(qū)域進行及時處理，保證心墻堆石壩土料質(zhì)量。

附圖說明

圖1：本發(fā)明心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本發(fā)明心墻堆石壩土料含水率快速檢測方法數(shù)據(jù)分析處理流程圖。

附圖標注：1、時域反射儀；2、同軸電纜；3、PVC管；4、探針；5、串口；6、掌上電腦；7、數(shù)據(jù)處理服務器；8、掌上電腦。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是利用時域反射法檢測土壤介電特性來反映心墻堆石壩土料含水率。

如附圖1所示，一種心墻堆石壩土料含水率快速檢測方法，包括心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器、以及通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接的掌上電腦6、8和數(shù)據(jù)處理服務器7。所述心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器包括通過同軸電纜2相連接的探頭和時域反射儀1。所述探頭采用CS605型三針式探針，包括PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl chloride)管3和探針4；探針4長度30cm，探針4間距2.25cm，直徑0.476cm；PVC管3長度35cm，直徑11cm；PVC管3和探針4相互組合，其中一端兩者持平，探針4處于PVC管3正中心。所述同軸電纜2采用4m長的50Ω同軸電纜，所述同軸電纜2上、靠近所述探頭處(距離所述探頭約10cm處)，設(shè)置有供其插拔組裝和拆卸的串口5。

如附圖2所示，對心墻堆石壩土料含水率的檢測方法包括以下步驟：

步驟一，在心墻堆石壩土料區(qū)挖一剖面，垂直面進行削平處理，將探頭(不帶電纜)水平插入土壤，取樣。

步驟二，將同軸電纜2與探頭(內(nèi)部含填充土樣)通過串口5連接，利用心墻堆石壩土料含水率快速檢測儀器對土料含水率進行檢測，時域反射儀1獲得電磁波沿土壤中探針4來回傳播的總時間(即電磁波傳播時間T)。

步驟三，檢測人員利用掌上電腦6將步驟二采集到的電磁波傳播時間T通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務器7。

步驟四，數(shù)據(jù)處理服務器7接收到上述數(shù)據(jù)信息，根據(jù)含水率計算公式對接收到的數(shù)據(jù)進行計算，具體計算方法如下所示：

根據(jù)電磁波傳播時間，計算土料介電常數(shù)：

K_a＝(cT/2L)² (1)

其中，K_a為土壤的表觀介電常數(shù)；c為真空中電磁波的速度(m/s)，取3×10⁸m/s；T為電磁波傳播時間(s)；L為探針4長度(m)，本實施例中為0.3m。

根據(jù)時域反射儀1測量土料含水率公式，計算土料含水率：

其中：ω為土料含水率。

步驟五，將步驟四計算得到的含水率ω和設(shè)定的含水率標準集[ω_下，ω_上]進行合格分析：

其中：ω_下為設(shè)定的含水率標準下限，ω_上為設(shè)定的含水率標準上限。

設(shè)定的含水率標準由設(shè)計單位根據(jù)規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)進行現(xiàn)場實驗確定，獲得設(shè)定的含水率標準集[ω_下，ω_上]。

步驟六，數(shù)據(jù)處理服務器7通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)將含水率計算結(jié)果和合格分析結(jié)果推送到檢測人員的掌上電腦6上。若含水率不符合設(shè)計標準，即則數(shù)據(jù)處理服務器7通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場土料質(zhì)量負責人員的掌上電腦8上推送報警通知。