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1數(shù)據(jù)處理軟件SHP的主要設(shè)計(jì)

水文地質(zhì)參數(shù)可視化計(jì)算程序包括主程序和一系列相對(duì)獨(dú)立的子程序，共用一個(gè)模塊。首先明確軟件適用的范圍，由于實(shí)際工程中抽水試驗(yàn)應(yīng)用廣泛，壓水試驗(yàn)是鉆孔內(nèi)最常用的巖體原位滲透試驗(yàn)，《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL31-2003)采用呂榮試驗(yàn)作為常規(guī)性的壓水試驗(yàn)方法。微水試驗(yàn)作為新的水文地質(zhì)試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)時(shí)間短、不需要附加觀測(cè)孔，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，對(duì)地下水正常觀測(cè)的影響也較小，幾乎不造成任何污染，取得的滲透參數(shù)雖只涉及試驗(yàn)孔附近小范圍的含水層介質(zhì)，但在研究范圍小或在研究范圍內(nèi)有較多勘探孔的情況下，采用微水試驗(yàn)無(wú)疑是一種理想的方法。而其他方法使用較少，因此，程序包括三大部分:抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1程序結(jié)構(gòu)其中穩(wěn)定流潛水完整井和穩(wěn)定流承壓完整井根據(jù)Dupuit公式和Thiem公式求解;非穩(wěn)定流承壓完整井的Jacob直線法、配線法和水位恢復(fù)法，根據(jù)Theis公式求解;呂榮法，采用三級(jí)壓力5個(gè)階段求解透水率;振蕩試驗(yàn)法采用Kipp模型，基于振蕩方程確定含水層參數(shù)，而承壓微水試驗(yàn)和潛水微水試驗(yàn)的理論公式分別根據(jù)Cooper模型和Bouwer模型基于水流的傳導(dǎo)方程確定水文地質(zhì)參數(shù)。

2程序設(shè)計(jì)流程

軟件中各個(gè)子程序的流程按照數(shù)據(jù)錄入—繪制曲線—計(jì)算求參3個(gè)步驟來(lái)完成，除穩(wěn)定流潛水完整井和穩(wěn)定流承壓完整井，因其只需直接輸入已知條件即可得到滲透系數(shù)。

2.1數(shù)據(jù)錄入Jacob直線法、配線法等均需要輸入大量數(shù)據(jù)，已有的計(jì)算機(jī)程序多采用逐個(gè)輸入數(shù)據(jù)或讀取*.dat文件。鑒于Excel具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，該軟件通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言建立連接，直接讀取Excel文件的方式錄入數(shù)據(jù)。單擊“數(shù)據(jù)處理”后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即顯示在picture圖片框中。

2.2繪制曲線對(duì)于Jacob直線法、水位恢復(fù)法、呂榮法這3種方法來(lái)說(shuō)，繪制曲線的重點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)坐標(biāo)的生成問(wèn)題。每次錄入數(shù)據(jù)之后，查找數(shù)據(jù)中的最大值，并依據(jù)最大值重新設(shè)置圖片框的范圍，同時(shí)橫、縱坐標(biāo)也隨之變化。Jacob直線法、水位恢復(fù)法采用最小二乘法原理擬合直線(如圖2)，與Excel作圖結(jié)果一致。呂榮法連接5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可繪制上升曲線與下降曲線。配線法、脈沖振蕩試驗(yàn)法和承壓微水試驗(yàn)這3種方法則需要繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，配線法為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，后兩者為半對(duì)數(shù)坐標(biāo)。程序根據(jù)人工配線先繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，之后將實(shí)測(cè)點(diǎn)繪制在透明(半)對(duì)數(shù)坐標(biāo)上移動(dòng)至與標(biāo)準(zhǔn)曲線重合這一原理實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的可視化:調(diào)用過(guò)程函數(shù)Draw繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線及其(半)對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸，編寫(xiě)另一過(guò)程函數(shù)Draw1繪制實(shí)測(cè)點(diǎn)及其(半)對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸，前者顯示主坐標(biāo)軸，后者顯示次坐標(biāo)軸，配線時(shí)，視覺(jué)效果即實(shí)測(cè)點(diǎn)所在(半)對(duì)數(shù)紙?jiān)跇?biāo)準(zhǔn)曲線所在(半)對(duì)數(shù)紙上移動(dòng)。配線法可以通過(guò)尋找實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)曲線離差平方和的最小值來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)配線。這3種方法均可采用手動(dòng)配線法，通過(guò)滾動(dòng)條的滑動(dòng)或單擊滾動(dòng)條兩側(cè)箭頭，移動(dòng)實(shí)測(cè)點(diǎn)及其(半)對(duì)數(shù)坐標(biāo)，直至實(shí)測(cè)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線重合。該過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法為:每當(dāng)觸發(fā)滾動(dòng)條命令時(shí)，記錄移動(dòng)值，圖片框被清空，重新調(diào)用Draw與Draw1函數(shù)，Draw1函數(shù)考慮移動(dòng)值。潛水微水試驗(yàn)是在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪出lgy-t曲線，首先擬合該曲線的直線部分，延伸該直線至t=0并記下y0，選取直線上一點(diǎn)，記下y和t的值。然后查找與Lk/rw相關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)A、B或C，計(jì)算ln(Re/rw)，最后得到巖土體的滲透性參數(shù)。根據(jù)該原理，需要解決兩方面的問(wèn)題:首先確定曲線的直線段進(jìn)行擬合其次是查找參數(shù)。第一個(gè)問(wèn)題程序以MouseDown命令選擇分界點(diǎn)，利用比分界點(diǎn)觀測(cè)時(shí)刻早的那部分?jǐn)?shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合直線;第二個(gè)問(wèn)題要查找標(biāo)準(zhǔn)曲線確定參數(shù)A、B或C值，先通過(guò)后臺(tái)計(jì)算Lk/rw，其中Lk為過(guò)濾器長(zhǎng)度，rw為花管半徑(m)，A、B、C標(biāo)準(zhǔn)曲線由許多散點(diǎn)組成，確定橫坐標(biāo)Lk/rw，的相鄰兩點(diǎn)，兩點(diǎn)構(gòu)成直線函數(shù)，將橫坐標(biāo)Lk/rw代入該函數(shù)，可以獲得對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值，即A、B值或C值。

2.3計(jì)算求參Jacob直線法、水位恢復(fù)法經(jīng)過(guò)直線擬合，獲得斜率值，即可代入相應(yīng)的公式求得導(dǎo)水系數(shù)與貯水系數(shù);呂榮法在數(shù)據(jù)錄入時(shí)，已經(jīng)將Q3、P3賦值給數(shù)組，直接代入公式q=(Q3/L)×(1/P3)求得透水率，式中:q為透水率(Lu)，Q3為第三(最大)壓力階段的壓入流量(L/min)，P3為第三(最大)壓力階段的試驗(yàn)壓力(MPa)，L為試段長(zhǎng)度(m);配線法、脈沖振蕩試驗(yàn)法、承壓微水試驗(yàn)和潛水微水試驗(yàn)，通過(guò)MouseDown命令選擇匹配點(diǎn)(計(jì)算點(diǎn))，除潛水微水試驗(yàn)獲得滲透系數(shù)值外，其余均獲得導(dǎo)水系數(shù)與貯水系數(shù)。計(jì)算完成之后可單擊“新建”繼續(xù)計(jì)算，也可單擊“保存”，存為“．TXT”格式，將計(jì)算所得水文地質(zhì)參數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)任意位置。保存時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框“輸入試驗(yàn)信息”，以避免進(jìn)行大量計(jì)算后保存結(jié)果出現(xiàn)混亂。軟件中各子程序采用的實(shí)現(xiàn)方法歸納整理，如表1所示。3SPH的特點(diǎn)及創(chuàng)新SPH主要特色在于實(shí)用性強(qiáng)、人機(jī)交互簡(jiǎn)單、配線過(guò)程可視化以及程序設(shè)計(jì)人性化。該軟件可用于多種試驗(yàn)方法求取水文地質(zhì)參數(shù)，滿足不同的工程需要;VB的強(qiáng)大界面功能，使得整個(gè)操作流程清晰、明確、簡(jiǎn)單;配線時(shí)移動(dòng)坐標(biāo)紙的過(guò)程，使得軟件可視化特征更清楚明了;利用“打開(kāi)”與“關(guān)閉”文件的命令實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的連續(xù)保存，并輸入信息加以標(biāo)記，方便使用。在該軟件的開(kāi)發(fā)之中，除了數(shù)據(jù)錄入時(shí)采用數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用Excel，包括微水試驗(yàn)這一國(guó)內(nèi)新興起的試驗(yàn)方法之外，還具有兩點(diǎn)創(chuàng)新之處:(1)用VB控件—滾動(dòng)條實(shí)現(xiàn)手動(dòng)配線:通過(guò)查閱已有的配線法計(jì)算程序，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法只有輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)移動(dòng)距離，如將數(shù)據(jù)點(diǎn)往左、上移輸入負(fù)數(shù)，反復(fù)進(jìn)行，直至與標(biāo)準(zhǔn)曲線基本重合。本程序采用滾動(dòng)條控制實(shí)測(cè)點(diǎn)及其所在坐標(biāo)軸的移動(dòng)，非常直觀，與不斷輸入移動(dòng)距離比較省時(shí)省力;(2)實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)定流承壓完整井自動(dòng)配線的新方法，即優(yōu)化路徑法:根據(jù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙下，W(u)－1/u和s-r2/t的曲線形態(tài)基本一致，受人工配線的啟發(fā)，擬合完成時(shí)，散點(diǎn)區(qū)域中必定存在一點(diǎn)(控制點(diǎn))位于標(biāo)準(zhǔn)曲線上，新方法的原理就在于采用控制點(diǎn)帶動(dòng)所有實(shí)測(cè)點(diǎn)沿標(biāo)準(zhǔn)曲線移動(dòng)，尋找實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)距標(biāo)準(zhǔn)曲線離差平方和最小的位置。具體實(shí)現(xiàn)方法為:①計(jì)算實(shí)測(cè)點(diǎn)橫坐標(biāo)的均值得到x，在x左右各取0.25，即對(duì)數(shù)坐標(biāo)單位的1/2，計(jì)算該范圍內(nèi)實(shí)測(cè)點(diǎn)縱坐標(biāo)的均值得到y(tǒng)，確定控制點(diǎn)A(x，y);標(biāo)準(zhǔn)曲線共有157個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與A在橫、縱坐標(biāo)方向均有一組平移量，將所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)按相應(yīng)的平移量移動(dòng)至標(biāo)準(zhǔn)曲線附近，共移動(dòng)157次，尋找離差平方和f1最小的位置;②為避免曲線拐彎的影響，再取輔助控制點(diǎn)，其橫坐標(biāo)計(jì)算公式為:x=2/3×(實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大值－實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最小值)+實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最小值用同樣的方法確定y值和尋找離差平方和f2的最小值，取f1、f2中較小值，按其相應(yīng)的平移量移動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，即可完成配線。和已有方法相比，在精度和速度方面都有較大提高。

4應(yīng)用實(shí)例

4.1工程概況玄武湖位于南京市城區(qū)中北部，南、北、東三面環(huán)山，西面為沖積平原。玄武湖隧道西起模范馬路，東至新莊立交二期，全長(zhǎng)約2.7km，隧道從湖底穿行進(jìn)入城區(qū)，其中暗埋段為2.2km，總寬度為32.0m，為雙向六車(chē)道，單洞凈寬為13.6m，通行凈高為4.5m。隧道穿過(guò)玄武湖、古城墻和中央路，到達(dá)蘆席營(yíng)路口后在南京化工大學(xué)附近出地面。玄武湖隧道工程區(qū)地層巖性主要第四紀(jì)沉積土層，全新世沉積土層，晚更新世－早全新世沉積土層，基巖－燕山期巖漿巖。場(chǎng)內(nèi)地下水可分為淺層潛水及深層弱承壓水。隧道途經(jīng)水域部分，勘探期間水深度0.6～1.8m，湖底淤泥厚度0.2～1.2m，湖水面標(biāo)高10.13m。隧道途經(jīng)陸(島)域部分，模范馬路段地面標(biāo)高10.19～10.47m;模范馬路－玄武湖段地面標(biāo)高10.24～12.16m，其間穿過(guò)中央路及玄武湖城墻;梁洲段地面標(biāo)高11.29～14.78m;翠洲段地面標(biāo)高10.16～13.31m;萬(wàn)人游泳池－藥物園段地面標(biāo)高10.88～11.17m。

4.2SHP軟件計(jì)算本文采用新型軟件SHP確定水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算出導(dǎo)水系數(shù)、貯水系數(shù)、滲透系數(shù)，并且將軟件計(jì)算結(jié)果與人工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，軟件計(jì)算省去了人工計(jì)算的繁瑣過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算過(guò)程僅需2～3s。抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，選取第5～600min的流量計(jì)算平均值，得出穩(wěn)定流量Q=1.443m3/h。以自動(dòng)配線法為例，整個(gè)計(jì)算過(guò)程如下:(1)首先進(jìn)入SHP軟件主界面，如圖1所示，單擊“配線法”，即可出現(xiàn)以下窗口，如圖3所示。(2)單擊“錄入數(shù)據(jù)”，選取“降深時(shí)間配線法”進(jìn)行下一步計(jì)算(圖4)。(3)進(jìn)入降深時(shí)間配線法窗口，根據(jù)表2數(shù)據(jù)輸入“抽水井流量”及“計(jì)算點(diǎn)到抽水井的距離”，單擊“”選擇Excel文件，如圖5所示。(4)單擊選擇數(shù)據(jù)所在“工作表”，讀取“累計(jì)抽取時(shí)間”和“計(jì)算時(shí)刻降深”，如圖6所示。(5)點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”，即進(jìn)入配線窗口，如圖7所示。(6)配線步驟完成后，用鼠標(biāo)單擊曲線上任意點(diǎn)，再點(diǎn)擊“輸出結(jié)果”，即可算出導(dǎo)水系數(shù)為44.7292m2/d，已知含水層厚度為10.3m，則滲透系數(shù)為4.34264m/d，如圖8所示。人工計(jì)算結(jié)果導(dǎo)水系數(shù)為47.12m2/d，滲透系數(shù)為4.57m/d。由軟件計(jì)算結(jié)果和人工計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，SHP軟件精度較高，計(jì)算所需時(shí)間較短，計(jì)算過(guò)程清楚明了。

5結(jié)束語(yǔ)

就目前而言，SHP是一款較全面、新穎的計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的軟件，通過(guò)靈活運(yùn)用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)曲線擬合、參數(shù)計(jì)算等，并提出基于SHP的程序手動(dòng)配線和自動(dòng)配線的新方法，使得軟件具有簡(jiǎn)單實(shí)用、人性化、可視化的特點(diǎn)。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理軟件不能針對(duì)特定的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼和繪圖分析，SHP運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用Excel文件，除了提高工作效率外，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除異常點(diǎn)，保證擬合精度，為工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供良好的基礎(chǔ)保障。

作者：李偉駱祖江張靜李志利王璐佳單位：河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司