CN109612538B - 一种暗管排水量试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种暗管排水量试验方法，它解决了现有技术中暗管排水量试验时考虑因素少、且未真正反映试验过程中土体结构孔隙率影响暗管渗流量而带来的试验结果与大田土暗管实际结果不一致的问题，具有为暗管实际布设选择适宜的管径、打孔率、埋深、间距及裹滤料提供科学依据。其方案如下：一种暗管排水量试验方法，包括设置暗管试验装置，在试验装置内填土，且使试验装置内土样孔隙率与大田土土样孔隙率相对误差在设定范围内；针对暗管排水的各个影响因素x_i，设计不同试验方案；依据观测数据，建立暗管排水量与其影响因素相关关系式；以暗管排水量最大为主目标，以允许的预算投资和许可的含沙量为约束条件，对各影响因素x_i进行综合优化取值。

Description

一种暗管排水量试验方法

技术领域

本发明涉及暗管排水领域，特别是涉及一种暗管排水量试验方法。

背景技术

暗管排水是利用地下管排除田间土壤多余水分的排水技术措施。土壤中的多余水分可以从暗管接头处或管壁滤水微孔渗入管内排走，起到控制地下水位、调节土壤水分、改善土壤理化性能的作用。暗管排水有便于田间机械化作业，节省用地和提高土地利用率的优点，但一次性投资较大，施工技术要求较高。

暗管排水试验可以揭示不同暗管管径、埋深、打孔率、间距等因素下对暗管排水性能的影响，为田间暗管的实际布设提供依据。

目前暗管排水试验主要有室内试验和现场试验等不同形式。室内试验是利用各种试验装置模拟暗管排水，模拟特定条件下，一般采用不同粒径的试验沙作为暗管滤料，模拟不同暗管埋深、间距、管径等条件下暗管的排水性能。现场试验是在暗管布设现场进行暗管的布设和试验研究，采用原状土作为暗管排水性能研究的土壤，再分析不同影响因素对暗管排水量进行渗流排水研究。

无论是室内试验还是现场暗管排水试验，由于人工对土壤的扰动及试验过程中随渗透进行，细小颗粒，可溶性杂质随水流进入暗管，破坏了现场的土体结构，而现有试验结构简单，却未真正反映土体结构、孔隙率等影响因素对暗管排水性能的影响，加之试验需进行多次不同方案的暗管布设，也会引起土体结构及孔隙率的改变，从而带来试验结果与大田土暗管实际排水结果不一致的问题，传统的试验中并未真实反应这些变化对暗管排水性能的影响。

因此研制一种暗管排水量试验方法是非常有必要的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种暗管排水量试验方法，可更好地揭示不同暗管管径、打孔率、埋深、间距、裹滤料以及土壤结构孔隙率等因素下对暗管排水性能的影响，为暗管的实际布设选择适宜的管径、管道打孔率、埋深、间距及裹滤料提供科学依据。

一种暗管排水量试验方法的具体方案如下：

一种暗管排水量试验方法，包括：

1)设置暗管试验装置，在试验装置内填土，且使试验装置内土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀相对误差在设定范围内；

2)针对暗管排水的各个影响因素x_i，建立不同的方案，对每种方案进行试验观测，取得渗流量、渗流含沙量、土样孔隙率作为观测数据，每种方案的多次试验观测数据取平均值作为该方案的试验观测值；

3)依据各个方案的观测数据，建立暗管排水量Q_i与其影响因素x_i的相关关系方程式

其中a_ij、c_i是相关关系方程式中的系数，j为x_i的指数，根据试验观测值可以拟合得出a_ij、c_i、n的值。依据各方案的试验观测数据以暗管排水量最大maxQ为主目标，以允许的预算投资和许可的含沙量为约束条件，采用多指标主目标法对各影响因素x_i进行综合优化，确定其最终取值。

进一步地，所述步骤1)中采用多次渗流的方法以降低试验装置内土样孔隙率

进一步地，所述步骤1)中试验装置内土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀误差控制在≤5％，即

其实现方法如下：

1-1)向试验装置内均匀洒水，可人工洒水，或通过洒水设备洒水，洒水设备包括喷水管，喷水管设置多个喷嘴，喷水管距离试验装置设定高度设置，喷嘴均匀设置以实现均匀洒水；

1-2)观察试验装置内暗管渗流情况，待渗流稳定后，每隔设定时间观测一次排水量，并取样测定渗流含沙量，直至停排为止；

1-3)设定时间后，试验装置内土壤含水量与试验前含水量误差在设定范围时，取样获取土样孔隙率，多次测量取平均值作为试验装置土壤一次渗流后土壤平均孔隙率θ₁；

1-4)重复步骤1-1)～步骤1-3)多次，直至获得的土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀的相对误差在设定范围内，具体相对误差≤5％，即

进一步地，所述步骤1)中试验装置土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀均根据工业CT扫描获取，扫描完成后的土样放回至取样原处。

进一步地，所述试验装置包括试验槽，试验槽内设有渗流排水暗管，暗管横卧时上方及两侧壁开有多排3mm*2mm(长*宽)排水孔以便土壤水进入暗管，若干暗管分别与渗流排水管连接，渗流排水管端部与水槽连接，通过水槽内部的溢流堰测量暗管的排水量，然后经水槽末端的排水口流走。

具体在试验时，在试验槽内按照大田土体的顺序分层装填土体，填铺滤料，设置暗管。

进一步地，所述步骤2)中暗管排水的各个影响因素x_i，有土壤孔隙率、暗管管道直径、管道打孔率、管道平均埋深、管道间距和在暗管外部有无裹滤料，土壤孔隙率根据土样孔隙率获得。

其中，管道打孔率为管道开孔的面积占管道表面积的百分比，开孔为矩形细孔或圆孔或其他形状的开孔，采用如下公式进行计算：

(p-打孔率，m-打孔数,b-孔宽，l-孔长，s-管道的表面积)

进一步地，所述步骤3)中优化方法如下：

以暗管排水量最大maxQ为主目标，建立暗管排水量的优化参数模型，采用多指标主目标法确定最终指标参数取值，即最终优选出符合投资要求及出水含沙量要求的最佳排水效果的各个影响因素x_i值。

进一步地，所述步骤3)中优化参数模型为：

maxQ＝maxf(X)＝f[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T

s.t.t_i≤u₀

t_i＝αe_il

ρ≤ρ₀

Q,x₁,x₂,x₃,x₄,x₆≥0

x₁-管道直径(mm)，x₂-管道打孔率，x₃-管道平均埋深(m)，x₄-管道间距(m)，x₅-管道有无裹滤料，x₆-土壤孔隙率，Q-暗管排水量(L/s)，t_i、u₀分别是实际投资、允许的预算投资；ρ、ρ₀分别为暗管排水量的含沙量及许可的含沙量，许可含沙量根据经验确定，α为反映不同影响因素情况的埋设暗管的综合施工成本系数，e_i为不同材质、不同管径暗管管道的单价(元/m)，l为所用管道总长度(m)。

进一步地，采用编程软件实现多指标主目标法的优化计算，从而确定最终影响因素x_i参数取值。

所述步骤2)中暗管渗流量的测量方法，当渗流量大于1L/s时采用水槽中的溢流堰量测，当小于等于1L/s时采用称重法或别的方法；

溢流堰量测时，根据《水力学》计算公式如下：

Q＝1.4H^5/2

式中Q单位：m³/s，应用条件为0.05m<H<0.025m；a≥2H；B₀≥(3～4)H,三角堰应避免淹没出流，某一试验方案下的暗管渗流量Q即为暗管排水量Q_i；a—堰坎高；H—堰上水头(在堰上游(3～4)H)处取渐变流断面；B₀—堰板宽度(总宽)；B—堰口水面宽度。

进一步地，所述步骤1-2)中采用比重法进行测定，具体步骤如下：

选中一个比重瓶，刷洗、烘干，当比重瓶冷却到室温时，利用电子天平精确地秤出比重瓶的净重量W₁；

在室温条件下用蒸馏水灌满比重瓶，插入塞子，擦去所有多余的水分和湿气然后称出重量W₂；

取浑水样装入比重瓶中，插入塞子并擦去所有多余水分和湿气，称出重量W₃；根据以上实测数据即可计算含沙量如下：

式中：γ_s和γ分别为试验装置渗流中的沙和水的容重，v_s和v分别为试验装置中沙的体积和比重瓶的容积，ρ为含沙量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明根据试验土壤孔隙率逼近大田土壤孔隙率为条件选定待定暗管排水区最优的管径、管道打孔率、平均埋深、管道裹滤料、管道间距等参数，为实际大田暗管有效排水提供科学理论依据。

2)本发明通过多次渗流的方式对试验装置对土壤进行改良，以使试验装置内土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀相对误差在设定范围内，更加贴近实际环境。

3)本发明通过对影响暗管排水量的各个影响因素都进行考虑，测定数据准确率较高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明试验装置示意图；

其中：1.试验槽，2.暗管，3.渗流排水管，4.溢流堰，5.水槽，6.水槽排水口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种暗管排水量试验方法。

本申请的一种典型的实施方式中，一种暗管排水量试验方法，包括：

1)设置暗管试验装置，在试验装置内填土，且使试验装置内土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀相对误差在设定范围内，在设置试验装置前，获得大田土土样孔隙率；而且试验装置内填土的顺序与大田土土样保持一致，包括土质类型和基本特性等等；

2)针对暗管排水的各个影响因素x_i，建立不同的方案，对每种方案进行试验观测，取得渗流量、渗流含沙量、土样孔隙率作为观测数据，每种方案的多次试验观测数据取平均值作为该方案的试验观测值；

3)依据观测数据，建立暗管排水量Q_i与其影响因素x_i的相关关系式

并拟合得出a_ij’c_i’n参数。依据各方案的试验观测数据以暗管排水量最大maxQ为主目标，以允许的预算投资和许可的含沙量为约束条件，采用多指标主目标法对各影响因素x_i进行综合优化，确定其最终取值。

在步骤3)进行之前，对所有方案试验得到的观测数据进行分析，分别分析不同管径、不同打孔率、管道不同平均埋深、不同管道间距、有无裹滤料以及土壤孔隙率对暗管排水量(渗流量)及含沙量的影响。

步骤1)中采用多次渗流的方法以降低试验装置内土样孔隙率

步骤1)中试验装置内土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀相对误差在设定范围的实现方法如下：

1-1)向试验装置内均匀洒水，可人工洒水，或通过洒水设备洒水，洒水设备包括通过支架支撑的喷水管，喷水管设置多个喷嘴，喷水管距离试验装置设定高度设置，喷嘴均匀设置以实现均匀洒水；

1-2)观察试验装置内暗管渗流情况，待渗流稳定后，每隔1～2小时观测一次排水量，并取样测定渗流含沙量，直至停排为止；

1-3)设定时间后，待土壤中水分完全疏干，试验装置内土壤含水量与试验前含水量误差在设定范围时，在试验槽中随机采集多组土样，获取土样孔隙率，多次测量取平均值作为试验装置土壤一次渗流后平均孔隙率θ₁；

1-4)重复步骤1-1)～步骤1-3)多次，直至获得的土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀的相对误差在设定范围内。

步骤1)中试验装置土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀均根据CT扫描获取，扫描完成后的土样放回至取样原处，CT机采用西门子SOMATOM AR型CT扫描仪，经调整峰值电压定为130Kv，电流为63毫安，每次扫描的时间为1.9s，扫描厚度3mm，土样通过设定尺寸的PVC管进行获取。CT机用于扫描试验区域土体土柱样本，得到不同深度横断面灰度图像，在图形处理软件VG Studio中计算所有栅格网格的灰度值，利用固体颗粒与空气介质CT数合成平均值作为阈值，确定土壤固体与空气的分界面。利用VG Studio软件中的传输现象模块测量土柱样本的孔隙率，统计孔径的分布情况。

试验装置包括试验槽，试验槽选用C15混凝土，施工前将原地面平整、找平并夯实密实，不漏水。如图1所示，试验槽内设有渗流排水暗管，暗管壁开有细小排水孔以便土壤水进入暗管，若干暗管分别与渗流排水管连接，渗流排水管端部与水槽连接，通过水槽内部的溢流堰测量暗管的排水量，然后经水槽末端的排水口流走。水槽内设置的溢流堰采用三角形薄壁堰，为了获得准确的观测成果，溢流堰堰板需与来水方向垂直，并且直立。溢流堰堰板采用不锈钢板制成，表面平整光滑，堰口夹角做成90°，将堰口靠下游边缘制成45°角，量水堰的水尺和测针设在堰口上游，离堰口距离为3～5倍(3～4)堰上水头，水尺刻度至mm，为使量水堰上游水量稳定，可在上游安装稳流设备。

试验装置中暗管渗流量的测量方法，当渗流量大于1L/s时采用水槽中的溢流堰量测，当小于等于1L/s时采用称重法或别的方法。

溢流堰量测时，根据《水力学》计算公式如下：

Q＝1.4H^5/2

式中Q单位：m³/s，应用条件为0.05m<H<0.025m；a≥2H；B₀≥(3～4)H,三角堰应避免淹没出流。

a—堰坎高；H—堰上水头(在堰上游(3～4)H)处取渐变流断面；B₀—堰板宽度(总宽)；B—堰口水面宽度。

具体在试验时，在试验槽内按照土体的顺序分层装填土体，填铺滤料，设置暗管。

步骤2)中暗管排水的各个影响因素有土壤孔隙率、暗管管道直径、管道打孔率、管道平均埋深、管道间距和在暗管外部有无裹滤料，暗管选用圆形PVC波纹管或陶管或水泥管或其它塑料管，暗管管道的开孔开于管道的环向，或者开于管道横卧时的上部及两侧。

裹滤料反滤层是一种非常重要的工程结构，是防止土体渗透进入管道或防止管道进水孔淤积堵塞的有效措施，关系到管道排水的出水量和出水含沙量。根据被保护土料的性质和颗粒组成以及滤层准则选用合适的反滤料及滤层，使反滤层发挥出预期的效果。反滤层属于Ⅰ型反滤层，反滤层位于被保护土层的下部，渗流方向主要由上向下层。

考虑土壤孔隙率、管道直径、管道打孔率、管道平均埋深、管道间距和在暗管外部有无裹滤料6个影响因素对排水流量的影响，进行全面试验。

由于选取了较多影响因素及水平，进行全面试验包含的组合数较多，工作较繁琐，且可能受到场地、试验材料、时间及试验经费的限制，难以实施，因此可以利用如SPSS软件设计正交试验组合，影响因素水平设计采取专家经验设置3～5个。设计的试验方案如表1。

表1 试验的设计方案

其中，管道打孔率为管道开孔的面积占管道表面积的百分比，开孔为矩形孔或圆孔或其他形状的开孔，采用如下公式进行计算：

(p-打孔率，m-打孔数,b-孔宽，l-孔长，s-管道的表面积)

步骤3)中优化的方法如下：

以暗管排水量最大maxQ为主目标，建立暗管排水量的优化参数模型，采用多指标主目标法确定最终指标参数取值，即最终优选出符合投资要求及出水含沙量要求的最佳排水效果的各个影响因素x_i值。

步骤3)中优化参数模型为：

maxQ＝maxf(X)＝f[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T

s.t.t_i≤u₀

t_i＝αe_il

ρ≤ρ₀

Q,x₁,x₂,x₃,x₄,x₆≥0

x₁-管道直径(mm)，x₂-管道打孔率，x₃-管道平均埋深(m)，x₄-管道间距(m)，x₅-管道有无裹滤料，x₆-土壤孔隙率，Q-暗管排水量(L/s)，t_i、u₀分别是实际投资、允许的预算投资；ρ、ρ₀分别为暗管排水量的含沙量及许可的含沙量，许可含沙量根据经验确定；α为反映不同影响因素情况的综合施工成本系数，e_i为不同材质、不同管径暗管管道的单价(元/m)，l为管道总长度(m)。

采用编程软件如Matlab或其他编程软件实现多指标主目标法的优化计算，从而确定最终影响因素参数取值。

步骤1-2)中采用比重法进行测定，具体步骤如下：

选中一个比重瓶，刷洗、烘干，当比重瓶冷却到室温时，利用电子天平精确地秤出比重瓶的净重量W₁；

在室温条件下用蒸馏水灌满比重瓶，插入塞子，擦去所有多余的水分和湿气然后称出重量W₂；

取浑水样装入比重瓶中，插入塞子并擦去所有多余的水分和湿气，称出重量W₃；根据以上实测数据即可计算含沙量如下：

式中：γ_s和γ分别为试验装置渗流中的沙和水的容重，v_s和v分别为试验装置中沙的体积和比重瓶的容积，沙的容重在本试验中采用γ_s＝2.65g/cm³。按上式计算的含沙量的ρ的单位为g/L。为了能够准确地反映出渗流暗管出水口水流的含沙量，试验过程中随时间采取多次取样，最终结果取平均值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种暗管排水量试验方法，其特征在于，包括：

1)设置暗管试验装置，在试验装置内填土，且使试验装置内土样孔隙率与大田土土样孔隙率θ₀误差在设定范围内；

2)针对暗管排水的各个影响因素x_i，建立不同的方案，对每种方案进行试验观测，取得渗流量、渗流含沙量、土样孔隙率作为观测数据，每种方案的多次试验观测数据取平均值作为该方案的试验观测值；所述暗管排水的各个影响因素有土壤孔隙率、暗管管道直径、管道打孔率、管道平均埋深、管道间距和在暗管外部有无裹滤料；

3)依据各个方案的观测数据，建立暗管排水量Q_i与其影响因素x_i的相关关系方程式

其中a_ij、c_i是相关关系方程式中的系数，j为x_i的指数，根据试验观测值可以拟合得出a_ij、c_i、n的值，依据各方案的试验观测数据以暗管排水量最大maxQ为主目标，以允许的预算投资和许可的含沙量为约束条件，采用多指标主目标法对各影响因素x_i进行综合优化，确定其最终取值；

所述步骤3)中优化的方法如下：

以暗管排水量最大maxQ为主目标，建立暗管排水量的优化参数模型，采用多指标主目标法确定最终指标参数取值，即最终优选出符合预算投资要求及出水含沙量要求的最佳排水效果的各个影响因素值；

所述优化参数模型为：

max Q＝max f(X)＝f[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T

s.t.t_i≤u₀

t_i＝αe_il

ρ≤ρ₀

Q,x₁,x₂,x₃,x₄,x₆≥0

x₁-管道直径(mm)，x₂-管道打孔率，x₃-管道平均埋深(m)，x₄-管道间距(m)，x₅-管道有无裹滤料，x₆-土壤孔隙率，Q-暗管排水量(L/s)，t_i、u₀分别是实际投资、允许的预算投资；ρ、ρ₀分别为暗管排水量的含沙量及许可的含沙量，许可含沙量根据经验确定，α为反映不同影响因素情况的埋设暗管的综合施工成本系数，e_i为不同材质、不同管径暗管管道的单价(元/m)，l为所用管道总长度(m)。

2.根据权利要求1所述的一种暗管排水量试验方法，其特征在于，所述步骤1)中采用多次渗流的方法以降低试验装置内土样孔隙率

3.根据权利要求1所述的一种暗管排水量试验方法，其特征在于，所述步骤1)中试验装置内土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀的相对误差控制在≤5％，即

其实现方法如下：

1-1)向试验装置内均匀洒水；

1-2)观察试验装置内暗管渗流情况，待渗流稳定后，每隔设定时间观测一次排水量，并取样测定渗流含沙量，直至停排为止；

1-3)设定时间后，试验装置内土壤含水量与试验前含水量误差在设定范围时，获取土样孔隙率，多次测量取平均值作为试验装置土壤一次渗流后平均孔隙率θ₁；

1-4)重复步骤1-1)～步骤1-3)多次，直至获得的土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀的相对误差在设定范围内。

4.根据权利要求1所述的一种暗管排水量试验方法，其特征在于，所述步骤1)中试验装置土样孔隙率

与大田土土样孔隙率θ₀均根据工业CT扫描获取。

5.根据权利要求1所述的一种暗管排水量试验方法，其特征在于，所述试验装置包括试验槽，试验槽内设有渗流排水暗管，暗管壁开有排水孔以便土壤水进入暗管，若干暗管分别与渗流排水管连接，渗流排水管端部与水槽连接，通过水槽内部的溢流堰测量暗管的排水量，然后经水槽末端的排水口流走。

6.根据权利要求1所述的一种暗管排水量试验方法，其特征在于，所述步骤2)中暗管渗流量的测量方法，当渗流量大于1L/s时采用水槽中的溢流堰量测，当小于等于1L/s时采用称重法或别的方法；

溢流堰量测时，根据《水力学》计算公式如下：

Q＝1.4H^5/2

式中Q单位：L/s，应用条件为0.05m<H<0.025m；a≥2H；B₀≥(3～4)H,某一试验方案下的暗管渗流量Q即为暗管排水量Q_i，a-堰坎高；H-堰上水头处取渐变流断面；B₀-堰板宽度(总宽)；B-堰口水面宽度。

7.根据权利要求3所述的一种暗管排水量试验方法，其特征在于，所述步骤1-2)中采用比重法进行测定，具体步骤如下：

选中一个比重瓶，当比重瓶冷却到室温时，利用电子天平精确地秤出比重瓶的净重量W₁；

在室温条件下用蒸馏水灌满比重瓶，插入塞子，擦去所有多余的水分和湿气然后称出重量W₂；

取浑水样装入比重瓶中，插入塞子并擦去所有多余的水分和湿气，称出重量W₃；根据以上实测数据即可计算含沙量如下：

式中：γ_s和γ分别为试验装置渗流中的沙和水的容重，v_s和v分别为试验装置中沙的体积和比重瓶的容积，ρ为含沙量。