CN108303512B - 一种原位测试土水特征曲线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原位测试土水特征曲线的方法，适用于原位测试土质山体的土水特征曲线。本发明包含6个步骤：(1)测线的布置；(2)测试孔隙率和初始含水率；(3)埋设水分传感器；(4)记录水分传感器的读数；(5)注液孔周含水率的计算；(6)确定不同测点处的土水特征曲线。本发明综合考虑现场情况，基于水运动理论，提出了原位测试土水特征曲线的方法，该方法可以原位测试山体内部土的土水特征曲线，以及不同深度处土的土水特征曲线，分析山体内部土性质的空间变异性，为模拟山体的稳定性和山体中水的渗流问题提供可靠的土水特性参数。

Description

一种原位测试土水特征曲线的方法
技术领域
本发明涉及土水特征曲线的测量技术，尤其涉及土质山体的土水特征曲线原位测试方法。
背景技术
土质山体在强降雨作用下，会导致山体强度弱化，引起山体滑坡、泥石流等自然灾害，采用现有的数值模拟软件可以模拟强降雨对山体的影响，事先对山体的稳定性进行评估，并采取相应的防灾措施；离子型稀土矿开采的注液、收液工程对稀土离子浸取率有重要影响，采用现有的数值模拟软件可以模拟浸矿剂溶液在山体中的渗流过程，提出注液、收液工程的优化方案，提高浸取率。模拟山体稳定性和水分在山体的渗流过程的数值软件有很多，数值软件本身所用的数学模型经过了大量的室内外实例的验证，精度较高，数值软件模拟结果的准确性和有效性主要取决于如何确定要模拟山体的实际参数，其中，土水特征曲线是数值软件模拟结果准确性和有效性的重要参数之一。
土水特征曲线可以用来推测非饱和土强度和渗透等特性，合理确定非饱和土的土水特征曲线对模拟山体的稳定性以及水在山体中的渗流过程具有重要意义，测试土水特征曲线的常用方法有：张力计法、轴平移技术、电/热传导传感器和接触式滤纸技术等，这些方法主要适用于室内或者现场表层土的土水特征曲线的测试。通过现场取样、室内测试时，取样过程会使土发生扰动且破坏土的结构，扰动后的土的性质与扰动前有显著差别；山体土的性质在空间上存在变异性，表层土的性质与山体内部土的性质有明显差异。采用现场取样、室内测试的方法，以扰动后土的参数作为扰动前的参数以及采用表层土的参数作为整个山体土的参数，代入数值软件中进行模拟，模拟结果与实际情况有较大偏差甚至会出现错误。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位测试土水特征曲线的方法，得到的土水特性参数可靠。
本发明的技术方案：一种原位测试土水特征曲线的方法，包括以下步骤：
第一步：测线的布置，
在测试地点开挖一个半径为0.03m～0.08m、深度为1.0m～2.0m的注液孔，布置3条～5条垂直地表的含水率测线，第1条测线与注液孔轴线的水平距离为0.3m～0.8m，相邻测线间的水平距离为0.3m～0.8m；
第二步：测试孔隙率和初始含水率，
采用取土钻在布置的3条～5条测线处开挖，对每次开挖出来的土进行取样，记录土样对应的深度，采用现有的方法测试不同深度处土样的孔隙率和初始含水率；
第三步：埋设水分传感器，
每条测线上至少布置3个测点，每个测点处埋设一个水分传感器，各测线上同一深度的水分传感器称为1排，从上往下依次编号为第1排，第2排…，第q排，其中q为最底部排的排号，第1排测点与注液孔底的垂直距离为0.5m～1.0m，相邻排测点的垂直距离为0.5m～1.0m，由深到浅埋设水分传感器，先埋入最深处的水分传感器，将对应深度处的土体回填，回填到上一排水分传感器预设的位置，埋入水分传感器，直至水分传感器和土体全部回填为止，静置1周～2周；
第四步：记录水分传感器的读数，
往注液孔中注水，注入的流量为0.5m3/d～2.0m3/d，通过水分传感器的采集仪，记录不同时刻水分传感器的读数，直到所有水分传感器的读数均不随时间的变化而变化时，记录完毕；
第五步：注液孔周含水率的计算，
先建立非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学关系，当k为奇数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(1)描述，当k为偶数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(6)描述；
关系式(1)：
Figure GDA0002443057490000031
关系式(1)中，θ为含水率，k为时间结点，j为水平径向坐标结点，n为垂向坐标的最大结点，a1i、b1i、c1i和d1i分别为关系式(1)中的系数，分别采用关系式(2)、(3)、(4)、(5)进行计算；
关系式(2)、(3)、(4)、(5)分别为：
Figure GDA0002443057490000032
Figure GDA0002443057490000033
Figure GDA0002443057490000034
Figure GDA0002443057490000041
关系式(2)、(3)、(4)、(5)中，a1i、b1i、c1i和d1i分别为关系式(1)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；
关系式(6)：
Figure GDA0002443057490000042
关系式(6)中，θ为含水率，k为时间结点，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，i为z坐标结点，m为r坐标的最大结点，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i分别为关系式(6)中的系数，采用关系式(7)、(8)、(9)、(10)进行计算；
关系式(7)、(8)、(9)、(10)分别为：
Figure GDA0002443057490000043
Figure GDA0002443057490000044
Figure GDA0002443057490000045
Figure GDA0002443057490000051
关系式(7)、(8)、(9)、(10)中，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i分别为关系式(6)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；
在给定边界条件和初始条件的条件下，结合关系式(1)和关系式(6)可以计算出不同时刻、不同位置处的含水率；
第六步：确定不同测点处的土水特征曲线，
先选第1排、第2排、第3排的测点进行分析，结合第二步得到的各测点处的孔隙率和初始含水率，以各测点的初始含水率作为初始条件，以第1排测点、第3排测点、第1条测线上的第2排测点以及第3条测线上的第2排测点作为边界条件，先给定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学表达式中的参数Ds、m1、Ks和m2，Ds和Ks分别为饱和扩散系数和饱和渗透系数，m1和m2为经验系数；按照第五步的计算方法，可以得到这8个测点所围成的区域内任意位置含水率随时间的变化关系，也可以得到第2条测线上第2排测点的含水率随时间变化的计算值，与实测值进行比较，改变数学表达式中参数的取值，以计算值与实测值平方和最小作为确定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数关系中参数的标准，采用现有的数学优化算法确定参数，把非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率的数学表达式代入关系式(11)中，确定的土水特征曲线作为第2条测线上第2排测点的土水特征曲线，选用第p-1排、第p排、第p+1排的测点进行分析，可以测试第2条测线上第p排测点的土水特征曲线，其中p为某一排的排号，1<p<q，q为最底部排的排号；
关系式(11)：
Figure GDA0002443057490000061
关系式(11)中，h为基质吸力水头，θ为含水率，θs为饱和含水率，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数。
本发明综合考虑现场情况，基于水运动理论，提出了原位测试土水特征曲线的方法，它可以原位测试山体内部土的土水特征曲线，以及不同深度处土的土水特征曲线，分析山体内部土性质的空间变异性，为模拟山体的稳定性和山体中水的渗流问题提供可靠的土水特性参数。
附图说明
图1为本发明实施例中水分传感器布置示意图。
图中：1、注液孔，2、测线，3、水分传感器。
具体实施方式
实施例：在龙南某矿山进行不公开的现场试验。
第一步：测线的布置，
在矿山上选择一地势平整的场地作为测试地点，在测试地点开挖一个半径为0.05m、深度为1.5m的注液孔，布置3条垂直地表的含水率测线，第1条测线与注液孔的水平距离为0.5m，相邻测线间的水平距离为0.5m；
第二步：测试孔隙率和初始含水率，
采用取土钻在布置的3条测线处开挖，对每次开挖出来的土样进行取样，记录土样对应的深度，3条测线上距注液孔底垂直距离为0.6m、1.2m、1.8m和2.4m处土样的孔隙率采用环刀法测试，初始含水率采用烘干法测试，第1条测线上测点的孔隙率分别为0.54、0.55、0.49和0.47，对应初始含水率分别为0.34、0.32、0.37和0.31，第2条测线上测点的孔隙率分别为0.50、0.51、0.45和0.44，对应初始含水率分别为0.35、0.31、0.37和0.34，第3条测线上测点的孔隙率分别为0.49、0.51、0.44和0.53，对应初始含水率分别为0.34、0.36、0.34和0.33；
第三步：埋设水分传感器，
每条测线上布置4个测点，每个测点处埋设一个水分传感器，同一深度处的水分传感器称为1排，第1排测点与注液孔底的垂直距离为0.6m，相邻排测点的垂直距离为0.6m，由深到浅埋设水分传感器，先埋入最深处的水分传感器，将对应深度处的土体回填，回填到上1排水分传感器预设的位置，埋入水分传感器，直至水分传感器和土体全部回填为止，静置1周，水分传感器的布置如图1所示；
第四步：记录水分传感器的读数，
往注液孔中进行定流量注水，注入的流量为1.8m3/d，通过水分传感器的采集仪，记录不同时刻水分传感器的读数，直到所有水分传感器的读数均不随时间的变化而变化时，记录完毕；
第五步：注液孔周含水率的计算
采用经验模型描述非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率的关系：
Figure GDA0002443057490000071
和
Figure GDA0002443057490000072
(Ds和Ks分别为饱和扩散系数和饱和渗透系数，θs为饱和含水率，m1和m2为经验系数)，当k为奇数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(1)描述，当k为偶数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(6)描述；
关系式(1)：
Figure GDA0002443057490000081
关系式(1)中，θ为含水率，k为时间结点，j为水平径向坐标结点，n为垂向坐标的最大结点，a1i、b1i、c1i和d1i为关系式(1)中的系数，分别采用关系式(2)～关系式(5)进行计算；
关系式(2)～关系式(5)：
Figure GDA0002443057490000082
Figure GDA0002443057490000083
Figure GDA0002443057490000084
Figure GDA0002443057490000085
关系式(2)～关系式(5)中，a1i、b1i、c1i和d1i为关系式(1)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；
关系式(6)：
Figure GDA0002443057490000091
关系式(6)中，θ为含水率，k为时间结点，i为垂向坐标结点，m为水平径向坐标的最大结点，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i为关系式(6)中的系数，采用关系式(7)～关系式(10)进行计算；
关系式(7)～关系式(10)：
Figure GDA0002443057490000092
Figure GDA0002443057490000093
Figure GDA0002443057490000094
Figure GDA0002443057490000095
关系式(7)～关系式(10)中，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i为关系式(6)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；
在给定边界条件和初始条件的条件下，结合关系式(1)和关系式(6)可以计算出不同时刻、不同位置处的含水率；
第六步：确定不同测点处的土水特征曲线，
先选第1排～第3排的测点进行分析，结合第二步得到的各测点处的孔隙率和初始含水率，以各测点的初始含水率作为初始条件，以第1排测点、第3排测点、第1条测线上的第2排测点以及第3条测线上的第2排测点作为边界条件，先给定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率的数学表达式中的参数Ds、m1、Ks和m2分别为0.1m2/d、5、0.1m/d和6，Δt、Δz和Δr分别取0.0021d、0.12m和0.1m，n和m均取11，采用第五步的方法，可以得到这8个测点所围成的区域内任意位置含水率随时间的变化关系，也可以得到第2条测线上第2排测点的含水率随时间变化的计算值，与实测值进行比较，以计算值与实测值平方和最小作为确定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学表达式中参数的标准，采用内点优化算法确定数学表达式中的参数，把非饱和扩散系数和非饱和渗透系数的数学表达式代入关系式(11)中，确定的土水特征曲线作为第2条测线上第2排测点的土水特征曲线，选第2排～第4排的测点进行分析，可以测试第2条测线上第3排测点处的土水特征曲线；第2条测线上第2排测点和第3排测点的土水特征曲线分别为：0.50[(θs/θ)3.32-1]和0.13[(θs/θ)4.00-1]。
关系式(11)：
Figure GDA0002443057490000101
关系式(11)中，h为基质吸力水头，θ为含水率，θs为饱和含水率，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数。

Claims (1)

1.一种原位测试土水特征曲线的方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步：测线的布置，
在测试地点开挖一个半径为0.03m～0.08m、深度为1.0m～2.0m的注液孔，布置3条～5条垂直地表的含水率测线，第1条测线与注液孔轴线的水平距离为0.3m～0.8m，相邻测线间的水平距离为0.3m～0.8m；
第二步：测试孔隙率和初始含水率，
采用取土钻在布置的3条～5条测线处开挖，对每次开挖出来的土进行取样，记录土样对应的深度，采用现有的方法测试不同深度处土样的孔隙率和初始含水率；
第三步：埋设水分传感器，
每条测线上至少布置3个测点，每个测点处埋设一个水分传感器，各测线上同一深度的水分传感器称为1排，从上往下依次编号为第1排，第2排…，第q排，其中q为最底部排的排号，第1排测点与注液孔底的垂直距离为0.5m～1.0m，相邻排测点的垂直距离为0.5m～1.0m，由深到浅埋设水分传感器，先埋入最深处的水分传感器，将对应深度处的土体回填，回填到上一排水分传感器预设的位置，埋入水分传感器，直至水分传感器和土体全部回填为止，静置1周～2周；
第四步：记录水分传感器的读数，
往注液孔中注水，注入的流量为0.5m3/d～2.0m3/d，通过水分传感器的采集仪，记录不同时刻水分传感器的读数，直到所有水分传感器的读数均不随时间的变化而变化时，记录完毕；
第五步：注液孔周含水率的计算，
先建立非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学关系，当k为奇数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(1)描述，当k为偶数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(6)描述；
关系式(1)：
Figure FDA0002443057480000021
关系式(1)中，θ为含水率，k为时间结点，j为水平径向坐标结点，n为垂向坐标的最大结点，a1i、b1i、c1i和d1i分别为关系式(1)中的系数，分别采用关系式(2)、(3)、(4)、(5)进行计算；
关系式(2)、(3)、(4)、(5)分别为：
Figure FDA0002443057480000022
Figure FDA0002443057480000023
Figure FDA0002443057480000024
Figure FDA0002443057480000025
关系式(2)、(3)、(4)、(5)中，a1i、b1i、c1i和d1i分别为关系式(1)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；
关系式(6)：
Figure FDA0002443057480000031
关系式(6)中，θ为含水率，k为时间结点，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，i为z坐标结点，m为r坐标的最大结点，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i分别为关系式(6)中的系数，采用关系式(7)、(8)、(9)、(10)进行计算；
关系式(7)、(8)、(9)、(10)分别为：
Figure FDA0002443057480000032
Figure FDA0002443057480000033
Figure FDA0002443057480000034
Figure FDA0002443057480000035
关系式(7)、(8)、(9)、(10)中，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i分别为关系式(6)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；
在给定边界条件和初始条件的条件下，结合关系式(1)和关系式(6)可以计算出不同时刻、不同位置处的含水率；
第六步：确定不同测点处的土水特征曲线，
先选第1排、第2排、第3排的测点进行分析，结合第二步得到的各测点处的孔隙率和初始含水率，以各测点的初始含水率作为初始条件，以第1排测点、第3排测点、第1条测线上的第2排测点以及第3条测线上的第2排测点作为边界条件，先给定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学表达式中的参数Ds、m1、Ks和m2，Ds和Ks分别为饱和扩散系数和饱和渗透系数，m1和m2为经验系数；按照第五步的计算方法，可以得到这8个测点所围成的区域内任意位置含水率随时间的变化关系，也可以得到第2条测线上第2排测点的含水率随时间变化的计算值，与实测值进行比较，改变数学表达式中参数的取值，以计算值与实测值平方和最小作为确定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数关系中参数的标准，采用现有的数学优化算法确定参数，把非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率的数学表达式代入关系式(11)中，确定的土水特征曲线作为第2条测线上第2排测点的土水特征曲线，选用第p-1排、第p排、第p+1排的测点进行分析，可以测试第2条测线上第p排测点的土水特征曲线，其中p为某一排的排号，1<p<q，q为最底部排的排号；
关系式(11)：
Figure FDA0002443057480000041
关系式(11)中，h为基质吸力水头，θ为含水率，θs为饱和含水率，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数。
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