文摘

阿肯色州交通部(ARDOT)使用不同类型的金属涵洞和cross-drains。服务的生活这些涵洞在很大程度上受到这些涵洞中使用的金属的腐蚀。在任何工程水土环境中腐蚀的金属部分是由地球化学和电化学性质的土壤和水域。许多运输机构包括ARDOT主要关注调查土壤的物理和机械性能而不是它们的化学方面。本研究的主要目的是分析岩土在阿肯色州和土壤的地球化学特性来估计不同金属管道在不同条件下的使用寿命。土壤电阻率值预测在分析美国农业部(USDA)土壤调查数据用神经网络(NN)模型。发达神经网络模型训练和验证通过实验室测试结果从ARDOT采集的土壤样本,并从美国农业部调查数据得到。金属的服务生活涵洞被估计的基础上,预测土壤属性和水质参数提取数据从阿肯色州部门获得的环境质量(ADEQ)。最后,基于地理信息系统的三种不同类型的金属管道的腐蚀风险地图是根据估计的使用寿命。发达的地图将帮助ARDOT工程师评估金属管道的腐蚀电位开始前新建筑和维修项目和将允许使用适当的涵洞材料最大化他们的寿命。

1。介绍

在阿肯色州金属涵洞或管道经常用于不同的高速公路排水结构和灌溉的目的。这些涵洞是容易受到严重腐蚀。阿肯色州有涵失败的历史和腐蚀的金属涵洞被发现这些失败背后的主要原因。阿肯色州交通部(ARDOT)花大量的钱在更换和安装不同类型的涵洞cross-drains每年。2018年,ARDOT分配约3.5美元新安装和替换现有的金属管涵洞(1]。在未来几年,ARDOT预计建造和安装更多的金属涵洞。这些涵洞的选择适当的金属材料在不同的建筑工地在州内可以节省未来的投资,减少维护成本。

ARDOT的2014年公路建设的标准规范文件没有提供足够的细节需要采取措施减少损失腐蚀(1]。ARDOT第601节的2014年公路建设的标准规范,金属涵洞的类型,可以使用在阿肯色州参军。根据ARDOT规范、锌涂层(镀锌)波纹钢管、铝涂层波纹钢管、锌合金涂层波纹钢管、波纹铝管道、沥青涂覆波纹金属管道、聚合物预镀涂金属波纹钢管涵洞,和光滑的聚合物可以使用预镀涂金属波纹钢管(1]。这些管道的腐蚀速率取决于使用的材料在这些管道及其理化性质,类型的涂料,管道周围土壤的性质,表面质量的水通过管道,地下水质量,环境温度和其他环境因素。高腐蚀性表面水、砂床材料、和腐蚀性地下水也可以影响涵洞的腐蚀。几项研究已经在其他国家进行分析金属涵洞和准备的寿命风险地图。然而,ARDOT没有详细信息可能腐蚀速率的空间分布和不同金属的预期使用寿命。也没有特定的准则存在管道材料选择和他们的安装和/或更换时间表在阿肯色州。

(nrc)使用国家资源保护服务调查地理数据库映射(SSURGO)和裸钢腐蚀风险势低,中等和高基于不同指标变量。nrc排水使用类和质地的土壤,土壤的总酸度,在饱和土壤电阻率和电导率的饱和提取风险分类。该机构已经定义了“低”腐蚀风险潜在的排水性良好的土壤时,包含粗切颗粒结合总酸度不到8毫克当量/ 100 g,在饱和至少5000欧姆的电阻率/厘米,和电导率的饱和提取不到0.3 mmhos厘米⁻¹。同样,“温和”腐蚀风险潜在的定义是当土壤排水良好、适度,适度粗切土,有一个总酸度之间的8 - 12毫克当量/ 100 g,在饱和土壤电阻率在2000年和5000年之间欧姆/厘米,和土壤电导率的饱和提取在0.3和0.8之间mmhos厘米⁻¹。最后,“高”腐蚀风险潜在的被认为是主要用于fine-textured土壤不同排水条件,以及最低的总酸度12毫克当量/ 100 g,少于2000欧姆的电阻率在饱和/厘米,和电导率的饱和提取mmhos大于或等于0.8厘米⁻¹(2018年nrc [2),(3])。在这项研究中,风险类别分为五个不同的类基于土壤电阻率和pH值标准,并申请映射的目的。

女子和曼宁(4)开发了金属腐蚀风险地图南部的路易斯安那州。这些研究者腐蚀电位分类成四个不同类型像“轻度腐蚀性”“腐蚀性”“高度腐蚀性,”和“极其腐蚀性,”基于金属管道的预期平均寿命。这些研究人员使用双重加权25×12矩阵分类风险势基于土壤的pH值和电阻率。风险矩阵是细分的基础上,研究由科罗拉多交通部和路易斯安那州运输部和发展和SSURGO数据库是用于提取土壤电导率、pH值数据。

本研究的主要目的是开发基于二次腐蚀地图阿肯色州数据分析,实验室测试结果,神经网络(NN)建模预测土壤电阻率,和估计使用寿命。回顾了相关文献和指导方针来分析目标指数参数的最佳选择基于可用的数据来源和具体差距相应的评估和处理。在这项研究中,镀锌钢管(平原),波纹(II型)钢管、铝和铝波纹管被认为是估计使用寿命。

2。方法

美国钢铁协会(AISI),全国波纹钢管协会(NCSPA),加州交通部(加州运输局),佛罗里达州运输部,在美国和其他一些机构估计的使用寿命不同金属涵洞位置。这些机构指出,电阻率、pH值、氯化物,硫酸盐,含水量,土壤中溶解气体和细菌活动和水可以影响金属管道的使用寿命。然而,大多数的agency-developed金属管道的寿命估算方法是基于土壤电阻率、土壤pH值、水电阻率,和水博士,外部和内部的金属涵洞都容易受到腐蚀。腐蚀外一侧的涵洞主要由土壤和回填材料特性和地下水水质参数。另一方面,涵洞的内侧腐蚀主要是由沉积物的排水水质参数和磨料性质通过涵洞(5]。ARDOT没有细节,这些参数的空间变异性。结果,一个广泛的文献综述进行了评估和发展金属腐蚀使用寿命地图。在这个过程中,相关数据来源,和相关数据,收集土壤样本。文献回顾后,土壤电阻率被发现失踪ARDOT中的关键参数的典型土壤调查报告。一个NN-based预测模型是基于土壤属性预测土壤电阻率提供SSURGO和实验室测试结果的收集土壤样本。最后,基于土壤实验室分析收集到的数据和次级数据预处理和分析,使用寿命的金属涵洞在不同的位置的状态估计和映射。本项目所涉及的步骤的详细流程图呈现在图1。

2.1。二次数据收集和预处理

ARDOT已经从先前的建设项目岩土工程报告的数据库。然而,ARDOT没有足够的数据相关的土壤电阻率和电导率。美国农业部(USDA)已经进行了广泛的土壤调查在美国,并记录在一个可访问的所有数据的格式。SSURGO数据库具有广泛的可推断出的数据组成的重要土壤理化性质(2018年nrc [2])。它有相关数据68种不同形式的microsoft access(微软access)数据集在阿肯色州的所有75个县。使用土壤数据查看器、一个插件的软件、数据提取不同的多边形shapefile教区与相应的土壤属性。

在这项研究中,土壤数据查看器工具添加到ArcMap 10.6.1 SSURGO数据提取。特性类21不同土壤参数提取和合并创建一个shapefile相关所有的州县。这些特性选择基于腐蚀预测因素是重要的,在不同的文学作品。SSURGO的特性选择如下:潜在风险的腐蚀混凝土(分为高、中等和低),潜在风险裸钢的腐蚀(分为高、中等和低),碳酸钙当量(按重量百分比的碳酸盐,土壤质量分数小于2毫米的大小)、阳离子交换量(CEC-7),有效的阳离子交换容量(ECEC),电导率(EC)、石膏(水合硫酸盐钙的重量百分数,在< 20毫米的土壤)、pH值、钠吸附比(SAR),液限,有机质、粘土百分比(土壤颗粒直径小于0.002毫米),砂百分比(土壤颗粒直径0.05毫米到2毫米),淤泥百分比(土壤颗粒直径0.002 - 0.05毫米),塑性指数、饱和导水率(每秒微米),AASHTO土壤分类、排水,地下水位深度,洪水频率类(归类为none,非常罕见,罕见,偶尔,频繁,而且非常频繁),和水洼频率类(归类为none,少见,偶尔,和频繁的)(2,6]。从SSURGO土壤收集所有数据后,一系列地理处理的任务是完成通过使用ArcMap工具箱和“ArcPy”模块命令清洁并将它们合并。合并后的所有数据的75个县,共计334102个教区,在阿肯色州,命名为保持属性表的所有字段清洁和轻易出口。摘要提取的数值数据集提出了表1。所有的数据表中给出1总结了基于提取的数据的334102个教区在阿肯色州。

数据提取完成后,所有的多边形层溶解成一层。最初的地理坐标参考(GCS_North_American_1983)数据为所有多边形也转换为投影坐标系(NAD_1983_UTM_ZONE_15N)。后来,这个投影坐标系用于应用地理空间插入。几何特性,X和Y每个多边形的中心坐标,也被添加到属性表。最后的多边形shapefile被命名为“AR_Dissolved_SSURGO。轴马力”,共有334102个多边形。AR_Dissolved_SSURGO数据集。”提取数据库”文件,作为Microsoft Excel电子表格。数据被保存在一个不同的地方进行进一步的处理和使用的MATLAB程序。

ADEQ也有一个广泛的数据从不同的监测站水质参数的状态。这些数据集是可抽出的Microsoft Excel电子表格格式。在这项研究中,水pH值和总溶解固体物数据收集的75个县和与位置的细节。后提取的数据集转换成基于点特征层站的位置(7]。

2.2。实验室调查

SSURGO数据库结合岩土工程和土壤的地球化学参数。辅助数据收集的SSURGO岩土和地球化学数据。收集更多数据和提高观察和预测模型开发,收集土壤样本来自不同ARDOT地区10 - 02正在进行的建设项目。区工程师联系,在他们的帮助下,22个土壤样本收集。地理位置的收集土壤样本也通过ARDOT工程师收集。土壤电阻率、pH值、粒度分布,界限含水量,和特定的重力采集土壤样品测定的实验室按照ASTM G57 ASTM G51, ASTM D422, ASTM D4318,分别和ASTM D854方法。土壤样本的描述与纬度和经度的采样点,实验室测量土壤pH值和电阻率值表进行了总结2。

从实验室调查获得的数据都导入到ArcGIS“soil_sample_data”数据。土壤样本数据集采样位置,样本ID、pH值、电阻率、比重、液限、塑性指数、沙子、百分比%粘土和淤泥百分比数据。额外的数据相关的土壤样本添加到数据集根据SSURGO数据最接近的地理位置。在下一阶段,实验室调查数据提取特征类,“soil_sample_data。“终于加入了数据转换成一个Excel-readable格式。

2.3。土壤电阻率的预测

开发土壤电阻率预测模型,导出的数据表(表格格式)与所有溶解值进一步清理通过移除重复的行不管他们的元数据。清洗后334102行,只有1927行数据被发现是独特的和有意义的。然而,所有这些行没有EC值。因此,数据过滤和减少在EC值的行。新的数据集有EC值由152行。然后,EC值被转换为电阻率值的转换因子和16个土壤样本的实验结果被添加到从SSURGO获得152行数据的数据库。最后,168数据集被用来训练一个浅神经网络拟合工具。

基于初始数据分类的经验和主成分分析结果,十个参数选择土壤电阻率的预测。所选参数阳离子交换容量,有效阳离子交换量、pH值、液限,有机质含量百分比,粘土含量百分比,含砂量百分比,泥沙含量百分比,塑性指数和水力传导率。trainbr几试验之后,贝叶斯regularization-based”,“一个MATLAB函数,被选中的神经网络模型。在选择几个隐藏层和神经元的数量,使用了一个简化的方法。根据Erzin et al。8),神经元的最大数量,可用于任何给定数量的变量(I)是2我+ 1。基于Erzin et al。8),最多10预测,21个神经元模型被认为是培训。一个随机过程是用于数据集的选择培训、验证和测试的比率为75%,5%,和20%,分别。浅神经网络有10隐藏神经元被发现的最佳适用的预测模型在本研究中使用的数据集。MATLAB函数生成基于best-performed模型,最终被用来预测土壤电阻率的数据集。性能指标的总结训练后隐藏层的数据集具有不同结构如表所示3。

确定系数(R²)是一种测量绩效指标的回归模型。神经网络的训练和测试结果表明,一个隐层神经元十值最高R(表3)。一个隐藏层有八个神经元也有相对更好的培训和测试性能。从表3,很明显,神经元的数量的增加导致了模型的性能恶化。在多层隐藏结构的情况下,7个神经元的模型有一个两层结构第一层和第二层三神经元表现出可接受的性能。然而,随着层数的增加和神经元,数量减少的总体性能被发现。因此,基于绩效评估,一个简单的模型有一个隐藏层神经元十被选为最终的模型。的R²价值模型的训练和整体阶段0.99 (R= 0.99)和0.57 (R分别为= 0.75)。这是一个相对可以接受的性能估算土壤电阻率的位置没有任何身体上的电阻率测量。换句话说,开发了神经网络模型可以用来预测土壤电阻率通过只使用SSURGO数据作为输入参数。

2.4。使用寿命估计

美国钢铁协会(AISI),全国波纹钢管协会(NCSPA),和许多交通机构开发了他们的寿命评估方法不同的涵洞(5]。镀锌钢管(GSP),“加州法”中被广泛接受和使用人员在没有先验知识的学习网站是可用的。美国钢铁协会,佛罗里达交通部(FDOT),联邦土地公路(FLH),科罗拉多交通部,NCSPA,犹他州点也发达评估gsp时的使用寿命的方法。大部分的方法包括“加州法”使用电阻率和pH值gsp时的使用寿命的评估。“加州法”的图形形式显示在图2(一个)(9),它被用于估计gsp时的使用寿命。渗铝钢(II型)管是另一个常见的涵洞ARDOT使用。FDOT开发了一个基于电阻率方法,计厚度、和pH值来估算渗铝钢的使用寿命涵洞,呈现在图2 (b)。铝管是一种常用的材料,不同的政府机构。FDOT还开发了一种方法来估计这种类型的涵洞的使用寿命。的图形表示方法如图2 (c)(5,10,11]。方法由FDOT [10)已被用于估计渗铝钢和铝管的使用寿命。

如前所述,在内部和外部腐蚀的金属管道主要是控制的水质参数和土壤和回填参数。部分管连接到土壤床更容易腐蚀容易电动通道。出于这个原因,多个研究推荐使用的电阻率和土壤和水的pH值估计的使用寿命。在最近的研究中,土壤和水的电阻率和pH值被认为是,和最低估计使用寿命(年)被认为是预期的管道的使用寿命。为此,pH值在SSURGO数据库和土壤电阻率发达的神经网络预测模型。另一方面,水的pH值ADEQ中可用数据集是用于估计管道使用寿命。水的电阻率(ohm-cm)估计的总溶解固体(毫克/升),ADEQ中可用数据集,通过应用开发的相关Rusydi [12]。

映射的目的,整个阿肯色州分为位图(每个光栅250×250)的大小。最近邻方法应用于水电阻率和pH值分配给个人点特性。ArcGIS地理处理工具是用于此目的。后,光栅特性被转换为点特性和经验贝叶斯克里格(订购)技术应用于开发寿命预测的插图在阿肯色州的不同位置。三个不同的地图是准备选择三种类型的金属管道。比较分析,选用16-gage管估计服务的所有三个金属管道的生活。这三种方法都是基于使用电阻率和周围土壤和地表水的pH值。因此,服务生活可以估计基于详细的图形如图2。这些方法预测使用寿命(年)的金属管道、不同线性或非线性与周围介质的电阻率对数刻度为特定范围的博士当pH值范围内变化时,响应曲线的转变。在所有三个案例中,响应曲线有积极的斜坡转向他们的纵坐标与pH值的增加。铝管被发现是不太敏感的电阻率值相比与其他两种类型的金属管道。

3所示。研究成果

3.1。pH值

基于从SSURGO数据库中提取的数据,它是发现,土壤pH值变化从4.3到8.3,平均值为5.4,标准差为0.65。后将所有334102阿肯色州教区划分为250 m×250 m光栅细胞和分配相同的pH值在一个栅格单元,2137685个光栅细胞的平均pH值被发现5.51标准差为0.77。地表水在州内的平均pH值变化从1.5到10.28,平均价值的7.0,标准差为0.83。土壤的平均pH值为每个县呈现在图3(一个)。这张地图显示,联盟,沃希托河、内华达、格兰特,盐,和麦迪逊县pH值小于5,分为“高酸性的。“四其他类别显示在地图上被归类为“中度酸性,“5和5.5之间平均pH值,和“酸性,pH值从5.5到6.0。pH值从6.0到6.5,县是“温和的酸性,pH值大于6.5,县被视为“不酸。”

3.2。电阻率

正如前面提到的,本研究的主要目标之一是评估不同位置的土壤电阻率的基础上,现有的辅助数据和收集原始数据。使用二次数据收集来自美国农业部和实验室调查结果,他开发了一个神经网络模型来预测教区的土壤电阻率。每个县的预测平均土壤电阻率值绘制在图3 (b)。

见图4,一些县(富尔顿,锋利,一种羚羊、巴克斯特和粘土)在阿肯色州东北部低土壤电阻率值。在西北部州的一部分,牛顿和麦迪逊县土壤电阻率值非常低。西部边境的状态,三个县(斯科特,霍华德和佩里)土壤电阻率很低。南部的州,两县(联盟和内华达)有相对较低的土壤电阻率值比其他县下学习。其余的县东部的土壤电阻率相对较高。图4表明,怀特河的上游流域土壤电阻率相对较低,较低的盆地,阿肯色河盆地的一部分,和红色的流域土壤电阻率相对较高。基于该模型的结果显示一致性的地质图阿肯色州(13]。一般来说,每个县的土壤电阻率的平均值在657年至7698年之间ohm-cm不同。对于整个州,从7到22515年ohm-cm电阻率范围。在阿肯色州土壤电阻率的平均值是3524 ohm-cm 4034 ohm-cm的标准差。另一方面,国家范围内的估计水电阻率从264年到1,62500 ohm-cm平均价值9156 8133 ohm-cm ohm-cm和标准偏差。

3.3。预计使用寿命

3.3.1。普通镀锌钢管(GSP)

根据加州法(1993),普通的GSP的使用寿命可达50年。这种方法使用电阻率和pH值周围的媒体(水土保持)作为关键参数和使用寿命可以估计基于技术如图2(一个)。当前的研究使用了预先制定土壤电阻率值和提取土壤pH值、水的pH值,水电阻率值来估计每个栅格单元的使用寿命GSP 16-gage管。使用寿命估计分别基于土壤pH值和电阻率和水pH值和电阻率,然后报告的最低价值。GSP,估计使用寿命从0到10年被认为是极其腐蚀性,10到20年高度腐蚀性,20到30年中等腐蚀性,30到40年腐蚀性,40到50年轻度腐蚀性。后,对该地区估计服务的生命被窜改。GSP的插值GIS栅格地图是图所示4。从图4很明显,大多数的县、区分类作为16-gage gsp时极其腐蚀性高腐蚀性。服务生活不同大小的gsp时可以使用乘法因子估计为1.6,2.2,2.8,3.4,14-gage 12-gage, 10-gage,分别和8-gage gsp时,9]。基于图4,只有gsp时位于阿肯色州东北部有很高的预期使用寿命。一般来说,大多数的部分状态之前应该仔细考虑过使用任何16和18量规gsp时。十年的服务或任何现有的gsp时更应该检查预防措施。为未来开发或建设项目,替代管材料应考虑实现更好的服务生活。

3.3.2。镀铝波纹钢管(II型)

而确定渗铝的使用寿命(II型)波纹钢管,前面所述的方法的gsp时,除了用于FDOT方法的情况下,而不是加州方法之后。插入地图开发这一类的管道,估计的使用寿命被认为是0到20年极其腐蚀性,20到40年高度腐蚀性,40到60年中等腐蚀性,60到80年腐蚀性,超过80年轻度腐蚀性。镀铝的插图(II型)波纹钢管图所示5。从图5很明显,很大一部分国家适度温和的腐蚀风险,标明相对更高的gsp时相比使用寿命。然而,在部分ARDOT地区2,3,4,6,7,9,这种类型的管道预计将有一个非常低的使用寿命。因此,应采取足够的预防措施在这些地区使用这种类型的管。在图所示的栅格地图516-gage管道。不同大小的渗铝波纹钢管(II型),使用寿命可以估计使用乘数。这些增加的因素是1.3,1.8,2.3,和2.8 14-gage, 12-gage, 10-gage,分别和8-gage管道(10]。

3.3.3。波纹铝管

类似于GSP、渗铝波纹钢管、波纹铝管的使用寿命估计基于FODOT方法。对于这种类型的管,估计的使用寿命被认为是0到40年极其腐蚀性,40到60年高度腐蚀性,60到80年中等腐蚀性80到100年腐蚀性,超过100年轻度腐蚀性。即使环境极其腐蚀性,这项研究表明,这种类型的金属管道可以生存很长一段。然而,磨损的风险是非常高的这种类型的金属管道。所以,在选择这种类型的金属管道的情况下,沉积物的类型,通过管道或任何决定之前应该分析涵洞。详细的插图预测服务的生命波纹铝类型如图6。图6表明,除了一些县(联盟,洛根,格兰特,牛顿,Lonoke,独立,华盛顿和克劳福德),大多数国家的土壤,是归类为这种类型的管道的腐蚀性较小。类似于其他两种类型的管道,16-gage管被认为是评价这种类型的管的使用寿命。不同大小的波纹铝管,使用寿命可以通过使用乘数根据外推的方法(10]。这些增加的因素是1.3,1.8,2.3,和2.8 14-gage, 12-gage, 10-gage,分别和8-gage铝管。

4所示。结论

本研究的主要目的是评价金属管道的腐蚀风险和发展为阿肯色州腐蚀风险地图。本研究确定了可用的辅助数据来源和可用的数据集以及实验室实验结果分析。重要的岩土工程和土壤的地球化学性质和水质数据收集了阿肯色州的所有75个县。一些土壤样本也来自不同的地方。基于实验结果和收集的数据从公共领域,研制了基于神经网络(NN)的模型来预测土壤电阻率。从ADEQ水质数据收集。结合土壤pH值、土壤电阻率、表面水pH值、水电阻率参数,三种主要的预期使用寿命使用金属管道(纯镀锌钢、渗铝钢和铝)在阿肯色州使用加州和FDOT估计方法。插值方法从中申请开发基于gis技术的地图,估计可能的服务生活的三种金属16-gage管道。在一般情况下,渗铝波纹钢管或铝管被发现比镀锌钢管。然而,这些类型的服务生活的金属管道之间存在着显著的差异,当他们在阿肯色州被安装在不同的建筑工地。 The estimated service lives presented in the maps can be used to extrapolate the service lives of different sizes (gage thicknesses) and other types of metal such as coated pipes.

本研究的发现是implementation-ready ARDOT工程师,可以立即用于选择合适的金属管道和维护公路排水管道。使用这些映射的练习将帮助避免任何不必要的事故,通过选择合适的金属管道在关键区域地图所示。因此,它预计将减少不必要的成本与金属涵洞的去除和/或更换。本研究的结果还将帮助该机构估计的状况现有涵洞安装在关键的位置,可以用作指导采取必要措施减少额外的开支。发达的神经网络模型可以用于估算土壤电阻率,基于现有的辅助数据在任何位置。

本研究的局限性之一是磨损水平模型的公司,因为他们不容易量化在不同位置根据可用的沉积物数据发现在美国地质调查数据库。因此,应采取预防措施在选择铝管道磨损水平发挥重要作用在决定使用寿命。发达的神经网络模型可以更新当新的调查结果和额外的辅助数据是可用的。

数据可用性

所有的数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者还要感谢区02 (Brad Smithee先生)和地区10(外胚叶的怀亚特先生)为他们的努力和协助工程师收集土壤样本,并提供初步的数据。先生女士杰米纳什的技术援助,艾伦•考普林博士Shubhalaxmi kh,和阿什拉夫博士曾,都来自一个国家,在整个项目中是高度认可。作者还要感谢研究小组的其他成员在一个国家包括Sumon罗伊先生,萨拉•福特女士和女士Paige朱迪雷思能。作者要感谢交通财团中南部州(Tran-SET)提供资金和技术支持进行这项研究。