CN108444895B - 一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法。该方法包括：确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律；根据黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，确定黄土体非饱和渗透参数‑黄土体的孔隙分维；根据进气值关于干密度的公式，确定黄土体非饱和渗透参数‑进气值。本发明采用分形理论揭示了不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，揭示了黄土体孔隙分维可以用颗粒体积分维代替，颗粒体积分维也可以用来验证土壤水分特征曲线的精确度，即给出了一种简便的黄土介质孔隙分维的获得方法，提供一种简单的非饱和黄土渗透参数的获取方法，能够方便地获得不同干密度黄土的非饱和渗透参数。

Description

一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法

技术领域

本发明涉及黄土学及地下水运移技术领域，更具体的涉及一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法。

背景技术

黄土在我国分布广泛，由于黄土本具有易侵蚀的特性，丘陵沟壑成为其主要的地貌类型，即便在黄土塬区也存在大量大规模的冲沟，并且冲沟的规模也在不断扩大。近年来，随着经济和社会的发展，土地资源日趋紧张。为了满足需要，黄土地区开始出现大规模的填沟平地的工程，产生了大量的黄土填筑体。由于黄土具有湿陷性，填筑体中水分的运移规律对工后沉降的预测至关重要。而非饱和带黄土的渗透系数是影响填筑体中水分运移规律分析的关键因素之一。

非饱和带渗透系数模型的研究成果很多，但是求解模型中的参数仍然比较困难。20世纪中后期曼德勃罗特(Benont B.Mondelbrot)提出了分形理论。他将部分以某种形式与整体相似的形状称为分形，用新的观念、新的手段来处理和揭示隐藏在复杂现象背后的规律、局部和整体之间的本质联系。Watabe、Pachepsky、Rigby、Arya、Tyle等学者的研究表明土壤等多孔介质的微观几何结构(如土壤的颗粒分布、孔隙分布等)在一定的尺度范围内均具有统计意义上的分形特征，因此用分形几何研究介质非饱和带的水力特征成为一种新的方法，回避了直接测量非饱和渗透系数所面临的巨大的困难。利用分形理论求解非饱和带渗透参数设计两个参数孔隙分维和最大孔径对应的进气值。孙大松等对多个土样用水银压入法和土壤水分特征曲线回归得到了孔隙分维和最大孔径对应的进气值，将两者进行对比，发现两种方法得到的参数基本一致，所以在没有孔隙分布的情况下，孔隙分布的分维和进气值可以通过土壤水分特征曲线来确定。但是填筑黄土体的压实度不均一，逐个测试非饱和黄土体的非饱和渗透参数工作量很大。研究土壤分形的目的是根据黄土的分形来表征土壤水力特征参数，但实际工作中由于黄土颗粒小、具有是湿陷性，测定黄土的孔隙分布有一定的难度，并且存在一定的不确定性。

综上所述，现有技术中，存在黄土体非饱和渗透参数获取困难，且精确度低的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，用以解决现有技术中存在黄土体非饱和渗透参数获取困难，且精确度低的问题。

本发明实施例提供一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，包括：

确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律；其中，所述变化规律，包括：不同干密度下黄土体的孔隙分维近似，以及不同干密度下黄土体的进气值随干密度呈线性增加关系；

将黄土体的颗粒体积分维和黄土体的孔隙分维进行对比分析，确定黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系；其中，所述黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，包括：黄土体的孔隙分维可以用黄土体的颗粒体积分维代替；

根据黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，采用黄土体的颗粒体积分维代替黄土体的孔隙分维，确定黄土体非饱和渗透参数-黄土体的孔隙分维；

对不同干密度下黄土体的进气值与干密度的线性增加关系进行拟合，得到进气值关于干密度的公式；

根据进气值关于干密度的公式，确定黄土体非饱和渗透参数-进气值。

进一步地，所述确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，包括：

对原状黄土和不同干密度下的重塑黄土进行土壤水分特征曲线测试；

利用土壤水分特征曲线公式对测试的土壤水分特征曲线进行拟合，得到原状黄土和不同干密度下重塑黄土的孔隙分维和进气值；

采用分形理论对原状黄土和不同干密度下重塑黄土的孔隙分维和进气值进行分析，得到孔隙分维和进气值随干密度的变化规律。

进一步地，所述土壤水分特征曲线公式为采用介质孔隙分形公式所推导出的土壤水分特征曲线表达式；且所述土壤水分特征曲线公式，如下所示：

其中，θ为介质的体积含水率，θ_s为介质的饱和含水率，

为基质势，

为进气值，D为介质的孔隙分维。

进一步地，所述确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，还包括：采用黄土体的颗粒体积分维验证土壤水分特征曲线的精确度。

进一步地，所述黄土体的颗粒体积分维，包括：对黄土体的颗粒体积分布进行分析，采用颗粒体积分形公式进行拟合，得到黄土体的颗粒体积分维；且所述颗粒体积分形公式，如下所示：

其中，r_i和R分别为土壤颗粒的某一粒径和最大粒径，V和V_T分别代表大于某一粒径的土壤颗粒的体积和土壤颗粒的总体积，D_v为土壤颗粒的体积分维。

本发明实施例中，提供一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明采用分形理论揭示了不同干密度下黄土体非饱和渗透参数(孔隙分维和进气值)的变化规律，发现不同干密度下孔隙分维差别不大，进气值与干密度呈线性关系；由于黄土颗粒分布比较容易测得，同时揭示了黄土体孔隙分维可以用颗粒体积分维代替，颗粒体积分维也可以用来验证土壤水分特征曲线的精确度。即本发明的目的在于公布不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，同时给出了一种简便的黄土介质孔隙分维的获得方法，提供一种简单的非饱和黄土渗透参数的获取方法，能够方便地获得不同干密度黄土的非饱和渗透参数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的不同干密度下黄土体非饱和渗透参数获取方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的原状和重塑马兰黄土土壤水分特征曲线图；

图3为本发明实施例提供的黄土进气值随干密度变化曲线图；

图4为本发明实施例提供的黄土颗粒分布图；

图5为本发明实施例提供的黄土包气带中含水率模拟计算计算结果与野外实测结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供的一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，该方法具体包括：

步骤1，确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律；其中，所述变化规律，包括：不同干密度下黄土体的孔隙分维近似，以及不同干密度下黄土体的进气值随干密度呈线性增加关系。

进一步地，对于步骤1，所述确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，包括：

(1)对原状黄土和不同干密度下的重塑黄土进行土壤水分特征曲线测试。

(2)利用土壤水分特征曲线公式对测试的土壤水分特征曲线进行拟合，得到原状黄土和不同干密度下重塑黄土的孔隙分维和进气值。

(3)采用分形理论对原状黄土和不同干密度下重塑黄土的孔隙分维和进气值进行分析，得到孔隙分维和进气值随干密度的变化规律。

(4)采用黄土体的颗粒体积分维验证土壤水分特征曲线的精确度。

其中，所述土壤水分特征曲线公式为采用介质孔隙分形公式所推导出的土壤水分特征曲线表达式；且所述土壤水分特征曲线公式，如下所示：

其中，θ为介质的体积含水率，θ_s为介质的饱和含水率，

为基质势，

为进气值，D为介质的孔隙分维。

步骤2，将黄土体的颗粒体积分维和黄土体的孔隙分维进行对比分析，确定黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系；其中，所述黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，包括：黄土体的孔隙分维可以用黄土体的颗粒体积分维代替；

步骤3，根据黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，采用黄土体的颗粒体积分维代替黄土体的孔隙分维，确定黄土体非饱和渗透参数-黄土体的孔隙分维；

步骤4，对不同干密度下黄土体的进气值与干密度的线性增加关系进行拟合，得到进气值关于干密度的公式；

步骤5，根据进气值关于干密度的公式，确定黄土体非饱和渗透参数-进气值。

进一步地，上述步骤中黄土体的颗粒体积分维，包括：对黄土体的颗粒体积分布进行分析，采用颗粒体积分形公式进行拟合，得到黄土体的颗粒体积分维；且所述颗粒体积分形公式，如下所示：

其中，r_i和R分别为土壤颗粒的某一粒径和最大粒径，V和V_T分别代表大于某一粒径的土壤颗粒的体积和土壤颗粒的总体积，D_v为土壤颗粒的体积分维。

实施例1：

制作三种或三种以上不同干密度下的重塑黄土，并对其土壤水分特征曲线进行测试。利用土水特征曲线公式对土壤水分特征曲线进行拟合，得到不同干密度下的孔隙分维和进气值。对黄土进行颗粒分析，并利用颗粒体积分形公式对结果进行拟合，得到黄土颗粒分维。对比黄土的颗粒分维和不同干密度下的孔隙分维，验证测得的非饱和渗透参数的准确性。将不同干密度黄土的进气值与干密度的关系进行拟合，得到进气值关于干密度的公式。进而得到其它干密度下的进气值。其它干密度下的孔隙分维与黄土颗粒体积分维相同。不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的获取时，对于颗粒分布相同或者相近的黄土可以用同一个进气值与干密度的关系式，不需要进行土壤水分特征曲线的测定，大大降低了工作量。其中，土壤水分特征曲线可以采取水分计和吸力探头组合的方法或者滤纸法进行测定。

进一步地，发现原状黄土的非饱和渗透参数与相近干密度的重塑黄土相差不大。不同干密度下黄土体的孔隙分维差别不大，进气值随干密度的增加呈线性增加的趋势。

进一步地，发现同一种黄土体的孔隙分维与颗粒体积分维差别不大。实际工作中可以用颗粒体积分维代替孔隙分维，在部分工作中解决了实测孔隙分布的难题，同时颗粒体积分维也可以用来验证土体非饱和渗透参数的准确性。

实施例2：

不同干密度下黄土体非饱和渗透参数变化规律步骤(1)～(3)：

(1)土壤水分特征曲线选取姚志华等采用TDR水分计和Fredlund热传导吸力探头组合测得的原状和重塑马兰黄土土壤水分特征曲线(图2所示)。

(2)利用土水特征曲线公式，对(1)中的土壤水分特征曲线进行拟合，得到不同干密度下黄土的孔隙分维和进气值，如表1所示。

表1土壤水分特征曲线拟合结果表

(3)对比不同干密度下的孔隙分维和进气值，发现原状黄土的非饱和渗透参数与相近干密度的重塑黄土相差不大。不同干密度下黄土体的孔隙分维差别不大，进气值随干密度的增加呈线性增加的趋势，对其进行线性拟合，如图3所示。

黄土体颗粒体积分维与孔隙分维的关系步骤(4)～(6)：

(4)用Bettersize 2000激光粒度分布仪对黄土的颗粒分布进行分析，结果见图4，利用颗粒体积分形公式对其分析结果进行拟合，得到颗粒体积分维为2.44。

(5)对(4)中干密度为1.5g/cm³的黄土体进行土壤水分特征曲线测定，并利用土水特征曲线公式进行拟合(图4所示)，得到该黄土体的孔隙分维为2.45，与颗粒体积分维的结果基本相同，相差仅0.01。由此可见，用黄土的颗粒体积分维来代替孔隙分维是可行的。同时，若(5)中黄土与(1)中黄土相同，还可以用(5)中所测得黄土颗粒体积分维和(2)中所测得得孔隙分维对比来验证(1)中所测得的土壤水分特征曲线的可靠性。若(5)中黄土颗粒体积分维与(2)中孔隙分维差别较大，说明(1)中的土壤水分特征曲线测试误差较大，需要重新测试。

(6)为了验证(5)中黄土非饱和渗透参数的可靠性，用条件模拟法对该种黄土体中的包气带进行了数值模拟，并用地面以下1m、2m、3m、4m处的野外实测数据进行了验证，模拟数据与实测数据对比结果见图5，如图所示计算结果与监测结果十分接近，计算误差一般在6％以内。说明(5)中测得的非饱和渗透参数是可靠的。

获取不同干密度黄土非饱和渗透参数步骤(7)：

(7)本发明以步骤(1)中的黄土为例，若获取干密度为1.4g/cm³的该种黄土体的非饱和渗透参数，其孔隙分维可以取为表1中各种土体孔隙分为的平均值2.42或者进行颗粒分析用颗粒体积分维代替；其进气值用图3中的线性公式进行计算，为2.27m。另外，对于颗粒分布相同或者相近的黄土可以用同一个进气值与干密度的关系式，不需要进行土壤水分特征曲线的测定，大大降低了工作量。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，其特征在于，包括：

确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律；其中，所述变化规律，包括：不同干密度下黄土体的孔隙分维近似，以及不同干密度下黄土体的进气值随干密度呈线性增加关系；

所述确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，包括：

对原状黄土和不同干密度下的重塑黄土进行土壤水分特征曲线测试；

利用土壤水分特征曲线公式对测试的土壤水分特征曲线进行拟合，得到原状黄土和不同干密度下重塑黄土的孔隙分维和进气值；

采用分形理论对原状黄土和不同干密度下重塑黄土的孔隙分维和进气值进行分析，得到孔隙分维和进气值随干密度的变化规律；

将黄土体的颗粒体积分维和黄土体的孔隙分维进行对比分析，确定黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系；其中，所述黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，包括：黄土体的孔隙分维可以用黄土体的颗粒体积分维代替；

根据黄土体的颗粒体积分维和孔隙分维之间的关系，采用黄土体的颗粒体积分维代替黄土体的孔隙分维，确定黄土体非饱和渗透参数-黄土体的孔隙分维；

对不同干密度下黄土体的进气值与干密度的线性增加关系进行拟合，得到进气值关于干密度的公式；

根据进气值关于干密度的公式，确定黄土体非饱和渗透参数-进气值。

2.如权利要求1所述的高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，其特征在于，所述土壤水分特征曲线公式为采用介质孔隙分形公式所推导出的土壤水分特征曲线表达式；且所述土壤水分特征曲线公式，如下所示：

其中，θ为介质的体积含水率，θ_s为介质的饱和含水率，

为基质势，

为进气值，D为介质的孔隙分维。

3.如权利要求1或2所述的高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，其特征在于，所述确定不同干密度下黄土体非饱和渗透参数的变化规律，还包括：采用黄土体的颗粒体积分维验证土壤水分特征曲线的精确度。

4.如权利要求1所述的高效黄土体非饱和渗透参数获取方法，其特征在于，所述黄土体的颗粒体积分维，包括：对黄土体的颗粒体积分布进行分析，采用颗粒体积分形公式进行拟合，得到黄土体的颗粒体积分维；且所述颗粒体积分形公式，如下所示：

其中，r_i和R分别为土壤颗粒的某一粒径和最大粒径，V和V_T分别代表大于某一粒径的土壤颗粒的体积和土壤颗粒的总体积，D_v为土壤颗粒的体积分维。

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