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一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置

阅读：101发布：2020-05-27

专利汇可以提供一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置。运用前向欧拉法和后向欧拉法，对土壤水分运动基本方程Richards偏微分方程进行离散化和反演求解，得到两种非饱和土渗透系数表达式，然后通过定水头一维垂直非饱和入渗试验测得试样中Δz处的体积含水量 θt及张力 ht随时间变化的一系列数据，将实验数据代入所得的两种表达式，联合二种表达式的计算结果可快速精确地获得非饱和土的渗透性函数。实验装置包括试样筒体、量测系统、供水系统和集水系统，供水系统用溢流方式提供试验所需的定水头水源，集水系统用于收集并量测出水量，量测系统包括用于量测体积含水量θt和张力 ht的传感器以及用于数据采集的自动采集装置，传感器埋设于试样筒内部一定位置 Δz处。，下面是一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法,其特征是包括以下步骤：
1)利用前向欧拉法和后向欧拉法通过对土壤水分运动基本方程Richards偏微分方程进行离散化和反演求解，获得了两种非饱和渗透系数表达式：
式中：
Kt表示体积含水量θt对应的渗透系数；
Ks表示饱和渗透系数；
表示基质势h对于体积含水量θ求导；
Δz表示测定体积含水量θt随时间t变化测点处距离水土接触面的距离；
θs表示饱和体积含水量；
式(I)含有体积含水量θ和空间距离Δz两个变量，式(II)含有体积含水量θ、时间Δt、及空间距离Δz三个变量；
2)利用非饱和土渗透实验装置，通过一维垂直非饱和入渗试验测得土样测试点Δz处的体积含水量θt及张力ht随时间变化的一系列数据，并将所得到的数据代入式(I)及式(II)，快速确定非饱和土的渗透性函数。
2.根据权利要求1所述的一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法，其特征是：
所述的式(I)用于低含水量的情况，式(II)用于高含水量的情况。
3.一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，包括试样筒体、量测系统、集水系统和供水系统，其特征是：量测系统包括用于量测体积含水量θt的土壤水分传感器(9)和用于测量张力ht的土壤张力传感器(10)，以及用于数据采集的数据采集装置(27)，土壤水分传感器(9)和土壤张力传感器(10)测试端埋设于试样筒内部Δz处，另一端与数据采集装置(27)连接；
试样筒体(4)内设有上过滤层和下过滤层，上过滤层由上至下分别为上过滤板(6)、上钢丝网(7)、上滤纸(8)，下过滤层由上至下分别为下滤纸(12)、下钢丝网(13)、下过滤板(14)，上过滤层和下过滤层之间的空间内用于填充土样(11)，在试样筒体(4)上反滤层下方一段距离上开有两个开口(15)，用于设置土壤水分传感器(9)和土壤张力传感器(10)；
供水系统包括供水桶(24)、潜水泵(25)、进水管(3)和溢流管(23)，潜水泵(25)放置在供水桶(24)内，潜水泵(25)通过进水管(3)与试样筒体(4)连接，进水管(3)一端与潜水泵(25)连接，另一端位于试样筒体(4)内壁的上过滤层上方，溢流管(23)一端与试样筒体(4)连接，连接位置位于进水管(3)与试样筒体(4)连接位置的下方，溢流管(23)另一端位于供水桶(24)内；
集水系统包括排水管(16)、蓄水瓶(18)和天平(20)，天平(20)放置在集水系统底座(22)上，蓄水瓶(18)放置在天平(20)上，蓄水瓶(18)用于收集试验流出的积水(19)，排水管(16)一端置于试样筒体(4)内下过滤层的下方，另一端伸入蓄水瓶(18)内。
4.根据权利要求3所述的一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，其特征是：所述的溢流管(23)与试样筒(4)的连接位置位于上过滤层上方5cm的试样筒体(4)位置。
5.根据权利要求3所述的一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，其特征是：所述的集水系统底座(22)上设有试验台(21)，试样筒体(4)放置在试验台(21)上，集水系统设置在试验台(21)下方。
6.根据权利要求3所述的一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，其特征是：所述的蓄水瓶(18)上设有蓄水瓶盖(17)，排水管(16)穿过蓄水瓶盖(17)伸入蓄水瓶(18)中，蓄水瓶盖(17)与蓄水瓶(18)、排水管(16)紧密贴合保证蓄水瓶(18)的密封。
7.根据权利要求3所述的一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，其特征是：所述的试样筒体(4)上方设有顶盖(1)，顶盖(1)能够开启或关闭。
8.根据权利要求3所述的一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，其特征是：所述的进水管(3)位于试样筒体(4)内上过滤层的上方的端头上设有水喷头(2)。

说明书全文

一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及非饱和土渗透系数实验测定领域，特别是一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置。

背景技术

[0002] 非饱和渗透系数与土体含水量之间的函数关系称为渗透性函数。地球表面覆盖着的土体大部分处于非饱和状态，随着饱和度的减小，土的非饱和渗透系数减小的幅度可以产生几个甚至更多数量级的变化。因此，如何确定土的非饱和渗透系数，则成为常见的边坡工程、基础工程、大坝等岩土工程以及污染物迁移等非饱和渗流分析中的一个关键问题。

[0003] 目前，土的非饱和渗透性函数的获取主要通过经验公式(间接方法)和渗透试验(直接方法)确定。由于非饱和土渗透性试验对于试验仪器、试验过程及试验周期都要求很高，实际应用中几乎都采用非饱和土的土水特征曲线进行预测，这种半经验的确定方法并不具有普适性，常常出现这种半经验的非饱和土渗透性函数被大量滥用，而导致计算分析结果与实际工程相差甚远。因此，非饱和土的渗透性函数最好通过试验测出。

[0004] 常用的试验方法分为稳态试验方法(即流速不随时间变化)和非稳态试验方法(即流速随时间变化)。由于非饱和土在高基质吸力作用下的低渗透性，使得稳态试验方法极其耗时，因此非稳态试验方法更受青睐，其中最常用的为瞬态剖面法，在试验中量测非稳态水流中土样的张力及体积含水量分布及其随时间的变化，试验过程中水力梯度和流速都随时间变化，然后利用体积含水量计算流速，由流速和水力梯度之比给出渗透系数。瞬态剖面法试验过程十分复杂，要控制流量边界条件，要防止试样的任何部位有明显的浸润面或饱和，时间周期也较长。相对于流量边界条件，水头边界条件要容易控制和稳定得多，因此研发一种通过控制水头边界条件、能快速进行非饱和土渗透性试验并能获得非饱和土渗透性函数的实验装置及方法，对于将非饱和土理论应用于实际工程意义重大。

[0005] 通过对土壤水分运动基本控制方程的偏微分形式进行离散，获得非饱和土渗透系数的数值求解式，根据数值求解式，结合简单定水头一维垂直非饱和入渗试验来快速精确地确定非饱和土渗透性函数，是本发明的基本思想。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法及装置，利用前向欧拉法和后向欧拉法通过对土壤水分运动基本方程Richards偏微分方程进行离散化和反演求解，得到两种非饱和土渗透系数表达式并研发定水头一维垂直非饱和入渗实验装置；通过定水头一维垂直非饱和入渗试验测得试样中Δz处的体积含水量θt及张力ht随时间变化的一系列数据，将实验数据代入所得的两种渗透系数表达式，联合二种表达式的计算结果可快速精确地获得非饱和土的渗透性函数。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

[0008] 一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的方法，其特征是包括以下步骤：

[0009] 1)利用前向欧拉法和后向欧拉法通过对土壤水分运动基本方程Richards偏微分方程进行离散化和反演求解，获得了两种非饱和渗透系数表达式：

[0010]

[0011]

[0012] 式中：

[0013] Kt表示体积含水量θt对应的渗透系数；

[0014] Ks表示饱和渗透系数；

[0015] 表示基质势h对于体积含水量θ求导；

[0016] Δz表示测定体积含水量θt随时间t变化测点处距离水土接触面的距离；

[0017] θs表示饱和体积含水量；

[0018] 式(I)含有体积含水量θ和空间距离Δz两个变量，式(II)含有体积含水量θ、时间Δt、及空间距离Δz三个变量；

[0019] 2)利用非饱和土渗透实验装置，通过一维垂直非饱和入渗试验测得土样测试点Δz处的体积含水量θt及张力ht随时间变化的一系列数据，并将所得到的数据代入式(I)及式(II)，快速确定非饱和土的渗透性函数。

[0020] 一种用于快速确定非饱和土渗透性函数的实验装置，包括试样筒体、量测系统、集水系统和供水系统，其特征是：

[0021] 量测系统包括用于量测体积含水量θt的土壤水分传感器和用于测量张力ht的土壤张力传感器，以及用于数据采集的数据采集装置，土壤水分传感器和土壤张力传感器测试端埋设于试样筒内部Δz处，另一端与数据采集装置连接；

[0022] 试样筒体内设有上过滤层和下过滤层，上过滤层由上至下分别为上过滤板、上钢丝网、上滤纸，下过滤层由上至下分别为下滤纸、下钢丝网、下过滤板，上过滤层和下过滤层之间的空间内用于填充土样，在试样筒体上反滤层下方一段距离上开有两个开口，用于设置土壤水分传感器和土壤张力传感器；

[0023] 供水系统包括供水桶、潜水泵、进水管和溢流管，潜水泵放置在供水桶内，潜水泵通过进水管与试样筒体连接，进水管一端与潜水泵连接，另一端位于试样筒体内壁的上过滤层上方，溢流管一端与试样筒体连接，连接位置位于进水管与试样筒体连接位置的下方，溢流管另一端位于供水桶内；

[0024] 集水系统包括排水管、蓄水瓶和天平，天平放置在集水系统底座上，蓄水瓶放置在天平上，蓄水瓶用于收集试验流出的积水，排水管一端置于试样筒体内下过滤层的下方，另一端伸入蓄水瓶内。

[0025] 优选的方案中，所述的溢流管与试样筒的连接位置位于上过滤层上方5cm处，用于提供5cm的定水头边界条件。

[0026] 优选的方案中，所述的试样筒体下方设有试验柜台，试样筒体放置在试验柜台上方，集水系统放置在试验柜台下面。

[0027] 优选的方案中，所述的蓄水瓶上设有蓄水瓶盖，排水管穿过蓄水瓶盖伸入蓄水瓶中，蓄水瓶盖与蓄水瓶、排水管紧密贴合保证蓄水瓶的密封。

[0028] 优选的方案中，所述的试样筒体上方设有顶盖，顶盖能够开启或关闭。

[0029] 优选的方案中，所述的进水管位于试样筒体内上过滤层的上方的端头上设有水喷头。

[0030] 本发明提供的一种用于快速确定非饱和土渗透系数的方法及装置，通过采用上述方法及装置结构，具有以下有益效果：

[0031] (1)利用前向欧拉法和后向欧拉法对土壤水分运动基本方程进行离散和反演求解，获得了两种非饱和土渗透性函数表达式，直接由得出的表达式结合简单一维入渗试验便可计算得出非饱和土渗透系数，与瞬态剖面法通过实时计算变动的流速及水力梯度获得渗透系数相比，方法更加简单，函数表达式意义更加清楚；

[0032] (2)只需要知道固定位置Δz处体积含水量θ和张力ht随时间t的关系，代入上述非饱和土渗透性函数表达式便可以求得土的非饱和渗透性函数，将两个计算表达式在较低体积含水量与较高体积含水量下的计算结果相结合便可以获得较准确的土的非饱和渗透性函数；

[0033] (3)将供水系统设计成一种恒定水头的方法，利用潜水泵将不锈钢圆桶中的无气水通过进水管末端的喷头，均匀喷到过滤板上面，通过过滤板将水均匀分布渗入圆形土体中，随着水位的升高，当水位达到溢水口高度时，多余的水将从出水口溢出，从而到达控制恒定水头压力的目的，为试验提供稳定的边界条件。附图说明

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0035] 图1为本发明的装置整体结构示意图。

[0036] 图2本发明的简化入渗模型示意图。

[0037] 图中：顶盖1，水喷头2，进水管3，试样筒体4，水5，上过滤板6，上钢丝网7，上滤纸8，土壤水分传感器9，土壤张力传感器10，土样11，下滤纸12，下钢丝网13，下过滤板14，开口15，排水管16，蓄水瓶盖17，蓄水瓶18，积水19，天平20，试验台21，集水系统底座22，溢流管23，供水桶24，潜水泵25,水土接触面26，数据采集装置27。

具体实施方式

[0038] 关于非饱和土渗透系数表达式的推导：

[0039] 1.土壤水分运动基本控制方程

[0040] 土壤水分运动基本方程的一维垂直入渗形式如下：

[0041]

[0042] 式中：

[0043] θ表示体积含水量；

[0044] t表示时间；

[0045] K(θ)表示对应于θ的渗透系数；

[0046] h表示基质势。

[0047] 令则式(III)可以变化为如下形式：

[0048]

[0049] 2.土壤水分运动基本控制方程的离散和反演求解

[0050] 在一维非饱和入渗模型中，设i代表空间位置，j代表时间位置，时间间隔为Δt，空间间隔为Δz。可分别采用向前欧拉法和向后欧拉法对方程(IV)进行离散和反演求解，得到两种渗透系数K(θ)表达式。

[0051] 建立如附图2所示的简化一维垂直入渗离散模型，其中蓝色部分表示土样顶部极薄的充水层，即透水石部分，土黄色部分代表土样。在土柱竖直方向设立0、1、2三个位置点，0和1为水土界面附近非常接近的两点，可认为该两点的含水量始终等于饱和含水量，不随时间变化。

[0052] 向前欧拉法和向后欧拉法对对方程(IV)进行离散和反演求解过程如下：

[0053] 2.1向前欧拉法对方程(IV)进行离散和反演求解：

[0054] 对于

[0055] 设

[0056] 则：

[0057]

[0058] 运用前向欧拉法对时间和空间进行离散，

[0059] 左边

[0060] 右边

[0061]

[0062]

[0063] 将上述两式代入式(V)得到最终离散形式如下：

[0064]

[0065] 简化的入渗模型示意图如附图2所示，当i＝1时，上述方程表述如下：

[0066]

[0067] 位置i＝0和i＝1为水土接触面26上、下相邻的两点，故和不随时间而变，为饱和含水量θs，为饱和渗透系数Ks，则式(VI)变化为：

[0068]

[0069]

[0070] 则：

[0071]

[0072] 从式(VII)可以看出，推导后的渗透系数表达式是以含水量传感器到水土接触面的间距Δz以及体积含水量θ为因变量，与时间t没有关系。因此，只需通过一维非饱和垂直入渗试验在测点Δz处测得任意j时刻的土样体积含水量θ和张力h，就可以通过式(VII)计算出相应的渗透系数，将不同时刻的试验数据分别带入式(VII)计算便可获得一系列不同体积含水量所对应的渗透系数，进而此得到非饱和渗透性函数K(θ)。

[0073] 2.2运用向后欧拉法对方程(IV)进行离散和反演求解：

[0074] 对于

[0075] 设

[0076] 则：

[0077]

[0078] 运用前向欧拉法对时间和空间进行离散

[0079] 左边

[0080] 右边

[0081]

[0082]

[0083] 将上述两式代入式(VIII)得到最终离散形式如下：

[0084]

[0085] 简化的入渗模型示意图如附图2所示，当i＝2时，上述方程表述如下：

[0086]

[0087] 位置i＝0和i＝1为水土接触面26上、下相邻的两点，故和不随时间而变，为饱和含水量θs，为饱和渗透系数Ks，则式(X)变化为：

[0088]

[0089]

[0090] 则：

[0091]

[0092] 从式(XI)可以看出，推导后的渗透系数表达式是以时间t和含水量传感器到水土接触面的间距Δz以及体积含水量θ为因变量。因此，只需通过一维非饱和垂直入渗试验在测点Δz处测得任意j时刻的土样体积含水量θ和张力h，就可以通过式(XI)计算出相应的渗透系数，将不同时刻的试验数据分别带入式(XI)计算便可获得一系列不同体积含水量所对应的渗透系数，进而此得到非饱和渗透性函数K(θ)。

[0093] 综上所述，通过对一维垂直入渗方程的推导得到了两种非饱和渗透系数的表达式，之后通过对一维入渗物理模型的简化处理，得出了一个点位控制下的非饱和渗透系数表达式的两种形式：

[0094]

[0095]

[0096] 式中：

[0097] Kt表示体积含水量θt对应的渗透系数；

[0098] Ks表示饱和渗透系数；

[0099] 表示基质势对于体积含水量求导；

[0100] Δz表示测定体积含水量θt随时间t变化测点处距离水土接触面的距离；

[0101] θs表示饱和体积含水量。

[0102] 通过数值试验方法对式(I)和式(II)进行可靠性验证，发现不含时间t的非饱和渗透性函数表达式(I)可以较好的预测较低含水量条件下的非饱和渗透系数，含有时间t的表达式(II)可以更为精确的计算高含水量条件下的非饱和渗透性函数。最终决定联合两个表达式的计算结果，即将式(I)在较低体积含水量与式(II)在较高体积含水量下的计算结果相结合以获得较准确连续的非饱和土渗透系数K(θ)，进而得到非饱和土渗透性函数。

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