CN110658123A - 一种基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明结合基于光纤主动变温的含水率原位分布式测量方法和土壤水分特征曲线，在传统瞬态剖面法的基础上，提出一种非饱和土渗透系数的原位测试方法，可以实现土体体积含水率的长距离、实时分布式测量，并以体积含水率实测剖面为基础实现非饱和土体的渗透系数计算，克服了现有技术中需要基于含水率点式测量结果假设体积含水率分布函数或者通过土壤水分特征曲线间接计算体积含水率的不足，提高了非饱和渗透系数的计算精度。

Description

一种基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程、地质工程中非饱和土渗透系数研究技术领域，具体涉及一种基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的测试方法。

背景技术

非饱和土由固、液和气三相组成，由于基质吸力的存在，非饱和土的渗透性是随含水率变化的函数。渗透系数是非饱和流运动理论的重要参数之一，对于地下水埋藏较深地区的工程建设和地质灾害预防具有重要意义。

非饱和土渗透系数的测量是非饱和土研究中的一个难点，目前主要有间接法和直接法两种。间接法是以基质吸力-体积含水率关系曲线为基础，运用统计模型来确定非饱和渗透系数的一种方法，适用性有限，且得到的数据精度不确定。直接法主要有稳态试验方法和非稳态的瞬态剖面法。其中瞬态剖面法可以直接监测体积含水率和基质吸力变化，无需严格控制水流量，因此被广泛应用于相关工程中。

瞬态剖面法是指在瞬态流过程中量测一定深度内的负压和体积含水率剖面，负压水头加上重力水头即总水头，水头剖面用于计算不同深度处的特定时间的水力梯度，体积含水率剖面用于计算某一点的流速，基于Darcy定律可以计算得到渗透系数。因此，如何精确得到体积含水率剖面和水头剖面是该方法的重点和难点。

目前，体积含水率剖面主要有两种获取方式：基于点式测量结果进行假设和拟合得到，或者通过吸力水头和土壤水分特征曲线间接计算得到。在假设和计算过程中，存在的误差会使渗透系数计算结果严重偏离真值。现有对瞬态剖面法的研究主要集中于室内测试装置的改进，以及数据处理方法上，原位瞬态剖面法由于其扰动因素较多、不易操作等原因，相关研究进展非常缓慢。但是相比于室内瞬态剖面法，原位瞬态剖面法更接近自然条件，计算结果也更具实际应用价值。

基于分布式温度传感(DTS)的主动加热光纤(AHFO)技术以线热源模型为基础，在保护光纤的护套或管体中通直流电加热产生热脉冲，光纤作为分布式温度传感器测量土壤的热响应，通过建立温度变化与热物性参数之间的关系实现相关参数的测量，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、分布式测量等优势，在地质与岩土工程监测领域有着巨大的应用潜力。

在传统的测温系统中，需要通过螺旋形布设测温光缆提高测试的空间分辨率(一般为m级)，然而随着分布式温度传感解调技术的进步，目前空间分辨率最高已达到cm级，因此已无这一必要。目前，该项技术的瓶颈主要在于，光缆主动加热方法存在加热时间过长、加热沿长度不均匀、对土体水分场干扰大等问题，从而造成现场实施困难、测试误差过大，阻碍该项技术的现场应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于光纤主动变温的原位土体体积含水率的分布式测量方法，并实现原位非饱和土渗透系数的计算，克服了现有技术中对体积含水率剖面确定过程中带来的计算误差。

为实现上述目的，本发明所设计的基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，所述测试方法如下：

步骤一、将分布式光纤原位监测系统布设于待测的非饱和土体中相应位置，所述分布式光纤原位监测系统包括光纤解调系统、稳压交流电源、温度校正系统和自加热型螺旋电阻测温光缆；

步骤二、以恒定等效电流I、频率P的交变电流对自加热型螺旋电阻测温光缆加热tt时间，光纤解调系统同时记录加热时间段内自加热型螺旋电阻测温光缆的温度数据；数据采集间隔为tt₀；

步骤三、加热过程中光缆温度稳定时间区间[tt₁,tt₂]所对应温度的算术平均值为温度特征值T_t，根据温度特征值与体积含水率之间的标定公式θ＝f(T_t)计算可得不同时刻、不同深度处非饱和土体的体积含水率θ(z,t)。

步骤四、可以将降雨条件下的原位土体非饱和入渗和水分再分布过程看作一维垂直水分运动过程，结合达西定律和土壤水分特征曲线，可以得到地下不同深度处土体的非饱和渗透系数的计算公式：

其中，k(θ)是非饱和渗透系数，q(z,t)是垂直方向上单位面积的水分通量，θ和

是非饱和土的体积含水率和平均体积含水率，C(θ)是非饱和土在对应体积含水率下的比水容量，z是深度(取地面为基准面，向下为负)，根据光纤解调系统的空间分辨率将土体剖面等分，n表示等分点的个数(以地面为起始计数点)，z_n、z_n+1是第n和n+1个等分点所对应的深度，t是时间。

进一步地，步骤一中所述自加热型螺旋电阻测温光缆由测温光缆、螺旋缠绕的电阻丝、外部绝缘包层组成，并以钻孔的方式垂直布设在原位非饱和土体的相应位置，钻孔深度由测试条件决定。

进一步地，步骤三中所述时间区间[tt₁,tt₂]定义为特征时间区间，tt₁为土体热量传递达到平衡状态、温度趋于稳定阶段的时间，tt₂为停止加热时间，tt₁、tt₂的取值根据不同测试条件而变化。

进一步地，步骤四中所述垂直方向上单位面积的水分通量q(z,t)为某一段时间内经过地下某一深度点的水量，根据一定深度内容积含水率的变化计算，即

其中W(z_n,t)是地表到深度z_n范围内的容积水容量，t₁、t₂是不同的体积含水率测量时间。

进一步地，步骤四中所述平均体积含水率为t₁～t₂时间段内、深度z_n～z_n+1范围内非饱和土体的平均体积含水率之差，即

进一步地，步骤四中所述非饱和土在对应体积含水率下的比水容量C(θ)可以由土壤水分特征曲线的斜率计算，即

其中，S是非饱和土的基质吸力。

进一步地，所述土壤水分特征曲线，其特征在于，所述土壤水分特征曲线通过室内试验测得：取原状土样，同时使用土壤水分传感器和水势传感器测得土样在吸湿和脱湿过程中的体积含水率和基质吸力，分别得到原状土样在吸湿和脱湿过程中的土壤水分特征曲线，并使用Van-Genuehten模型进行拟合，即

其中，θ_r和θ_s分别是残余和饱和体积含水率，α、m、n是经验系数，通过公式拟合得到，其中

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明可以实现非饱和土参数(体积含水率、非饱和渗透系数等)的原位测量，对待测土体的扰动小，避免了现场取样、室内试验过程对土体结构和水分的改变；

2.本发明可以实现土体体积含水率的分布式、连续性测量，基于体积含水率实测剖面实现非饱和渗透系数的计算，避免了体积含水率分布函数的假设和计算过程中所带来的误差；

3.本发明通过使用交变电流，相对直流电，可减少通电损耗、增大测试距离，同时可以显著提高土体的体积含水率和非饱和渗透系数的测量量程；

4.本发明通过自加热型螺旋电阻测温光缆，相比传统的测温光缆，增大加热面积，可以极大地缩短测试时间，避免长时间加热对土体造成的扰动性以及参数测量的滞后性；

5.本发明经济安全，操作便捷，自动化程度高，抗干扰能力强，精度可靠，稳定性高。

附图说明

图1是本发明所述分布式光纤原位监测系统示意图。

其中，1、光纤解调系统；2、计算机；3、DTS解调仪；4、稳压交流电源；5、导线；6、转接口；7、光纤引线；8、温度校正系统；9、标定桶；10、非加热传感光缆；11、热敏温度计；12、待测土体；13、自加热型螺旋电阻测温光缆；14、钻孔；15、电阻丝；16、测温光缆；17、绝缘包层。

图2是本发明具体实施例中甘肃黄土的土壤水分特征曲线测量结果图。

图3是本发明具体实施例中分布式光纤原位系统监测结果图。

图4是本发明具体实施例中甘肃黄土的温度特征值与体积含水率关系标定结果图。

图5是本发明具体实施例中甘肃黄土的原位体积含水率随深度变化云图。

图6是本发明具体实施例中甘肃黄土的原位非饱和渗透系数随深度变化云图。

图7是本发明具体实施例中甘肃黄土的非饱和渗透系数与体积含水率之间曲线关系结果图。

具体实施方式

附图提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的解释。

如图1所示，本发明所述分布式光纤原位监测系统，由光纤解调系统1、稳压交流电源4、温度校正系统8、自加热型螺旋电阻测温光缆13串联组成；所述稳压交流电源4保持恒定等效电流和频率，使电阻丝持续加热；所述温度校正系统8由标定桶9、非加热传感光缆10和热敏温度计11组成；所述非加热传感光缆10和热敏温度计11用于测量标定桶9内水温以校正DTS解调仪3的测量结果；所述自加热型螺旋电阻测温光缆13由测温光缆16、螺旋缠绕的电阻丝15和绝缘包层17组成，用于对土体的密集短时均匀加热和测温；所述光纤解调系统1由计算机2和DTS解调仪3组成；所述DTS解调仪3用于读取自加热型螺旋电阻测温光缆13和非加热传感光缆10的温度信息；所述计算机2用于分析处理温度信息并将其传化为含水率数据。

本次试验采用苏州南智传感科技有限公司生产的NZS-DMS-02型DTS解调仪记录光缆温度信息；采用RC-4型高精度温湿度记录仪测量水温；

本发明所设计的基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，所述测试方法如下：

步骤一、将分布式光纤原位监测系统布设于待测非饱和土中相应位置，所述分布式光纤原位监测系统包括光纤解调系统、稳压交流电源、温度校正系统和自加热型螺旋电阻测温光缆；

步骤二、以恒定等效电流I、频率P的交变电流对自加热型螺旋电阻测温光缆加热tt时间，光纤解调系统同时记录加热时间段内自加热型螺旋电阻测温光缆的温度数据；数据采集间隔为tt₀；

步骤三、加热过程中光缆温度稳定时间区间[tt₁,tt₂]所对应温度的算术平均值为温度特征值T_t，根据温度特征值与体积含水率之间的标定公式θ＝f(T_t)计算可得不同时刻、不同深度处非饱和土的体积含水率θ(z,t)。

步骤四、可以将降雨条件下的原位土体非饱和入渗和水分再分布过程看作一维垂直水分运动过程，结合达西定律和土壤水分特征曲线，可以得到地下不同深度处土体的非饱和渗透系数的计算公式，即

其中，k(θ)是非饱和渗透系数，q(z,t)是垂直方向上单位面积的水分通量，θ和是非饱和土的体积含水率和平均体积含水率，C(θ)是非饱和土在对应体积含水率下的比水容量，z是深度(取地面为基准面，向下为负)，根据光纤解调系统的空间分辨率将土体剖面等分，n表示等分点的个数(以地面为起始计数点)，z_n、z_n+1是第n和n+1个等分点所对应的深度，t是时间。

进一步地，步骤一中所述自加热型螺旋电阻测温光缆由测温光缆、螺旋缠绕的电阻丝、外部绝缘包层组成，并以钻孔的方式垂直布设在原位非饱和土体的相应位置，钻孔深度由测试条件决定。

进一步地，步骤三中所述时间区间[tt₁,tt₂]定义为特征时间区间，tt₁为土体热量传递达到平衡状态、温度趋于稳定阶段的时间，tt₂为停止加热时间，tt₁、tt₂的取值根据不同测试条件而变化。

进一步地，步骤三中所述标定公式θ＝f(T_t)由原位标定试验确定，所需原位体积含水率基准值通过现场钻孔取样和烘干法确定，所述标定公式具体表达形式为

T_t0为界限体积含水率所对应的温度特征值，界限体积含水率定义为非饱和土的强结合水与弱结合水的分界体积含水率。

进一步地，步骤四中所述垂直方向上单位面积的水分通量q(z,t)为某一段时间内经过地下某一深度点的水量，根据一定深度内容积含水率的变化来计算，即

其中W(z_n,t)是地表到深度z_n范围内的容积水容量，t₁、t₂是不同的体积含水率测量时间。

进一步地，步骤四中所述平均体积含水率

为t₁～t₂时间段内、深度z_n～z_n+1范围内非饱和土体的平均体积含水率之差，即

进一步地，步骤四中所述非饱和土在对应体积含水率下的比水容量C(θ)可以由土壤水分特征曲线的斜率计算，即

其中，S是非饱和土的基质吸力。

进一步地，所述土壤水分特征曲线通过室内试验测得：取原状土样，同时使用土壤水分传感器和水势传感器测得土样在吸湿和脱湿过程中的体积含水率和基质吸力，分别得到原状土样在吸湿和脱湿过程中的土壤水分特征曲线，并使用Van-Genuehten模型进行拟合，即

其中，θ_r和θ_s分别是残余和饱和体积含水率，α、m、n是经验系数，通过公式拟合得到，其中

本试验采用北京顺科达科技有限公司生产的TR-8型土壤温湿度仪测量土样的体积含水率，采用美国Decagon公司生产的TEROS 21土壤水势传感器测量样的基质吸力。

实施例1

下面应用本发明所述非饱和土渗透系数的原位测试方法对黄土地区降雨入渗后的水分重分布过程的渗透系数分布进行计算分析。

试验场地选取为甘肃省白银市会宁县黄土台塬区(35°E，105°N)。所在地区属于干旱气候条件，河川径流量少，地下水埋藏深，土壤中水分主要靠降雨补给，蒸发排泄。

室内试验测得原状黄土在脱湿过程中的土壤水分特征曲线，图2为原状黄土的实测土壤水分特征曲线和Van-Genuehten模型拟合参数。

通过钻孔的方式将自加热型螺旋电阻测温光缆竖直布设于原位非饱和土体中相应位置，组建完善分布式光纤原位监测系统。钻孔深度5m，交变电流的等效电流I为0.4A，频率P为50Hz，加热时间tt为20min，DTS解调仪数据采集间隔tt₀为1min，特征时间区间[tt₁,tt₂]取值为[15min,20min]。

加热测量过程中光缆温度沿长度分布如图3所示。经标定试验测得标定曲线如图4所示，拟合得到标定公式为将测试过程中的温度特征值代入标定公式可以得到黄土的体积含水率。图5为降雨后黄土在水分重分布过程中的体积含水率随深度分布情况。

应用本发明所述非饱和土渗透系数的原位测试方法，经公式(1)～(6)计算可得不同深度的黄土非饱和渗透系数。图6为黄土在水分重分布过程中非饱和渗透系数随深度分布图。图6为黄土的非饱和渗透系数与平均体积含水率之间的关系，经拟合得到两者之间的函数关系式为：k(θ)＝6.1×10^-9e^33.7θ。

Claims (7)

1.一种基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，其特征在于，所述测试方法如下：

步骤一、将分布式光纤原位监测系统布设于待测的非饱和土体中相应位置，所述分布式光纤原位监测系统包括光纤解调系统、稳压交流电源、温度校正系统和自加热型螺旋电阻测温光缆；

步骤二、以恒定等效电流I、频率P的交变电流对自加热型螺旋电阻测温光缆加热tt时间，光纤解调系统同时记录加热时间段内自加热型螺旋电阻测温光缆的温度数据；数据采集间隔为tt₀；

步骤三、加热过程中光缆温度稳定时间区间[tt₁,tt₂]所对应温度的算术平均值为温度特征值T_t，根据温度特征值与体积含水率之间的标定公式θ＝f(T_t)计算可得不同时刻、不同深度处非饱和土的体积含水率θ(z,t)。

步骤四、可以将降雨条件下的原位土体非饱和入渗和水分再分布过程看作一维垂直水分运动过程，结合达西定律和土壤水分特征曲线，可以得到地下不同深度处土体的非饱和渗透系数的计算公式：

其中，k(θ)是非饱和渗透系数，q(z,t)是垂直方向上单位面积的水分通量，θ和是非饱和土的体积含水率和平均体积含水率，C(θ)是非饱和土在对应体积含水率下的比水容量，z是深度(取地面为基准面，向下为负)，根据光纤解调系统的空间分辨率将土体剖面等分，n表示等分点的个数(以地面为起始计数点)，z_n、z_n+1是第n和n+1个等分点所对应的深度，t是时间。

2.根据权利要求1所述基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，其特征在于，步骤一中所述自加热型螺旋电阻测温光缆由测温光缆、螺旋缠绕的电阻丝、外部绝缘包层组成，并以钻孔的方式垂直布设在原位非饱和土的相应位置，钻孔深度由测试条件决定。

3.根据权利要求1所述的基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，其特征在于，步骤三中所述时间区间[tt₁,tt₂]定义为特征时间区间，tt₁为土体热量传递达到平衡状态、温度趋于稳定阶段的时间，tt₂为停止加热时间，tt₁、tt₂的取值根据不同测试条件而变化。

4.根据权利要求1所述基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，其特征在于，步骤四中所述垂直方向上单位面积的水分通量q(z,t)为某一段时间内经过地下某一深度点的水量，根据一定深度内容积含水率的变化计算，即

其中W(z_n,t)是地表到深度z_n范围内的容积水容量，t₁、t₂是不同的体积含水率测量时间。

5.根据权利要求1所述基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，其特征在于，步骤四中所述平均体积含水率

为t₁～t₂时间段内、深度z_n～z_n+1范围内非饱和土的平均体积含水率之差，即

6.根据权利要求1所述基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，其特征在于，步骤四中所述非饱和土在对应体积含水率下的比水容量C(θ)可以由土壤水分特征曲线的斜率计算，即

其中，S是非饱和土的基质吸力。

7.根据权利要求6所述土壤水分特征曲线，其特征在于，所述土壤水分特征曲线通过室内试验测得：取原状土样，同时使用土壤水分传感器和水势传感器测得土样在吸湿和脱湿过程中的体积含水率和基质吸力，分别得到原状土样在吸湿和脱湿过程中的土壤水分特征曲线，并使用Van-Genuehten模型进行拟合，即

其中，θ_r和θ_s分别是残余和饱和体积含水率，α、m、n是经验系数，通过公式拟合得到，其中

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