CN113092332B - 一种获取水文地质参数的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种获取水文地质参数的试验方法，其包括使用探地雷达探测待测区域，得到待测区域的体积含水率和非饱和带孔隙度；根据体积含水率将待测区域划分为若干采样区，对每个采样区的土壤采样获得柱状土壤样本；将柱状土壤样本置于试验筒中进行不同水温情况下的渗透试验得到试验渗透系数；根据非饱和带孔隙度由Kozeny‑Carman公式得到估计渗透系数，若试验渗透系数/估计渗透系数＝0.9～1.1，则采取试验渗透系数，否则，舍弃该次试验中的试验渗透系数。解决了现有技术中获得水文地质参数的方法准确性低的问题。

Description

一种获取水文地质参数的试验方法
技术领域
本发明涉及工程地质勘察技术领域，特别是涉及一种获取水文地质参数的试验方法。
背景技术
在自然界中，地下水的无规则变化与运动的这一现象称为水文地质，水文地质条件较为复杂，许多工程项目在勘察过程中由于没有深入地研究地区的水文地质条件，而且在后续的设计阶段又忽视了水文地质问题，导致地下水引发的系列岩土工程危害频发，不仅极大了损害了勘察公司的信誉，而且也为社会带来了较大的经济损失。因此，在实际勘察过程中，强化水文地质问题的研究具有重要的实际意义。
现有技术中，通常是采用试验方法获取水文地质参数来反应工程建设处的水文地质条件，水文地质参数包括渗透系数、导水系数、水位传导系数、压力传导系数、给水度、释水系数、越流系数等。常用来获取水文地质参数的方法有抽水试验、渗水试验、注水试验和压水试验等，这些试验方法具有操作简单、成本低廉的优势，但获得的水文地质参数准确性低，使水文地质勘察的质量不高，根据水文地质的相关情况提出的可能发生的问题也就会有偏差，并不能有效地给出合理的建议和防治措施。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种获取水文地质参数的试验方法，解决了现有技术中获得水文地质参数的方法准确性低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种获取水文地质参数的试验方法，其包括：
S1，使用探地雷达探测待测区域，通过探地雷达的波速计算得到介质的相对介电常数，然后根据不同介质具有不同的介电常数计算得到介质的体积含水率和非饱和带孔隙度；
S2，根据体积含水率将待测区域划分为若干采样区，沿每个采样区的边缘处选取三个辅助采样点，以三个辅助采样点连成的三角形的中心为采样点，使用柱状采样器在采样点处进行土壤采样获得柱状土壤样本；
S3，将柱状土壤样本置于透明的且带刻度的试验筒中，试验筒的下端与水槽连通，水槽内设置有温度调节器和水位计，试验筒的上端连接有出水检测口，试验筒的侧壁上沿轴向分布有多组湿度检测器，每组湿度检测器包含有多个沿试验筒圆周分布且插入柱状土壤样本内的湿度计；
S4，向水槽内填充不同温度的水，对每组温度的水进行试验，每组试验中水沿着柱状土壤样本向上渗流，通过水位计获得水的渗流量，通过湿度计检测水渗流的高度，并同时观察出水检测口是否有水流出或滴出，
若出水检测口有水流出或滴出，则以柱状土壤样本的轴向长度为渗径长度；
若出水检测口无水流出或滴出，则以湿度计所检测的水渗流高度为渗径长度；
然后根据达西定律计算得到试验渗透系数；
S5，根据步骤S1中的非饱和带孔隙度由Kozeny-Carman公式得到估计渗透系数，若试验渗透系数/估计渗透系数＝0.9～1.1，则采取试验渗透系数，否则，舍弃该次试验中的试验渗透系数。
本发明的有益效果为：探地雷达能够高效地对待测区域进行探测，筛选出待测区域内含水量高的区域，然后再对含水率高的区域进行土壤采样获得柱状土壤样本，对柱状土壤样本进行试验获取该土壤的试验渗透系数，再将试验渗透系数与通过雷达探测得到的估计渗透系数进行对比，以判断试验渗透系数的可靠性，从而提高所获取渗透系数的准确性。
附图说明
图1为对柱状土壤样本测量试验渗透系数的试验装置的结构示意图。
其中，1、试验筒；2、水槽；3、温度调节器；4、水位计；5、出水检测口；6、湿度计；7、底座；8、安装孔；9、橡胶套。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
该获取水文地质参数的试验方法包括：
S1，使用探地雷达探测待测区域，通过探地雷达的波速计算得到介质的相对介电常数，然后根据不同介质具有不同的介电常数计算得到介质的体积含水率和非饱和带孔隙度。
探地雷达的测量原理是利用高频电磁波将宽频带短脉冲的形式由地面发射天线送入地下，当遇到与周围介质电阻抗有差异的地层或目标体时，部分能量被返回，被地面接受天线接收，根据回波信号及其双程走时从而达到探测地下目标体和地质现象的目的。本实施例中，通过单偏移反射法来确定介质的传播速度，即在同一测线上利用不同频率的天线进行单偏移测量，然后利用钻孔数据或者已知层位数据对其中较低频测量结果进行层位标定，从而得到来自地层界面的埋深d，然后利用另外一组天线的测量结果拾取电磁波双程走时trw，最后通过式(5)计算得到探地雷达的波速vsoil。
Figure BDA0002954626500000041
其中，a为天线距。
探地雷达具有快速、便捷、无损、可重复探测、图像显示结果、适合大面积测量的特点，探测尺度可以小到分米级，能够获取精细刻画含水层所需要的大量的“软数据”。从而通过含水量的多少来筛除待测区域内含水量低的区域，将含水量多而对工程建设有较大威胁的区域在进行重点测量。
进一步地，通过探地雷达的波速计算得到介质的体积含水率Vw和非饱和带孔隙度φ的具体方法为：
通过式(1)和式(2)由探地雷达的波速计算得到介质的相对介电常数，
Figure BDA0002954626500000042
Figure BDA0002954626500000043
其中，V为探地雷达的波速，c为真空中的光速(c＝0.3m/ns)，εr为介质的相对介电常数，εo为真空中的介电常数(εo＝8.954x10-12Fm-1)，ε为介质总的介电常数；
通过式(3)由介质的相对介电常数计算得到非饱和带孔隙度φ与介质的体积含水率Vw的关系，
Figure BDA0002954626500000044
其中，φ为非饱和带孔隙度，Vw为介质的体积含水率，εtotal、εgrain、εair、εwater分别为多孔介质、颗粒骨架、空气和水的相对介电常数；
而Vw＝-0.053+0.0293ε-0.00055ε2+0.0000043ε3，从而计算得到非饱和带孔隙度φ。
S2，根据体积含水率将待测区域划分为若干采样区，沿每个采样区的边缘处选取三个辅助采样点，以三个辅助采样点连成的三角形的中心为采样点，使用柱状采样器在采样点处进行土壤采样获得柱状土壤样本。
根据待建工程实际情况，对体积含水率进行区间划分，再按照该区间在待测区域上标示出采样区。
进一步地，确定采样点的具体方法为：
在待测区域绘制体积含水率值在同一区间内的边缘线，选取最靠外的三个边缘线处标记为辅助采样点，直线依次连接三个辅助采样点形成三角形，作三角形的中垂线，中垂线的交点即为采样点。
S3，将柱状土壤样本置于透明的且带刻度的试验筒1中，如图1所示，试验筒1的下端与水槽2连通，水槽2内设置有温度调节器3和水位计4，试验筒1的上端连接有出水检测口5，试验筒1的侧壁上沿轴向分布有多组湿度检测器，每组湿度检测器包含有多个沿试验筒圆周分布且插入柱状土壤样本内的湿度计6。
进一步地，水槽2内固定有底座7，底座7上设置有顶端敞开的安装孔8，安装孔8内壁嵌装有橡胶套9，橡胶套9与试验筒1的下部过盈配合。试验筒1的下部放入安装孔8中，挤压橡胶套9与试验筒1产生挤压产生摩擦力，从而固定试验筒1，使试验筒1保持竖直。
进一步地，温度调节器3包括设置于水槽2底部的加热丝、控制所述加热丝加热温度的控制器以及检测水温的温度传感器，温度传感器和加热丝与控制器导线连接。控制器根据温度传感器检测到的水温控制加热丝的通断电，从而让水温保持在需要的温度。
S4，由于温度对土壤的渗透系数的影响较大，向水槽内填充不同温度的水，对每组温度的水进行试验，每组试验中水沿着柱状土壤样本向上渗流，通过水位计获得水的渗流量，通过湿度计检测水渗流的高度，并同时观察出水检测口是否有水流出或滴出，
若出水检测口有水流出或滴出，则以柱状土壤样本的轴向长度为渗径长度；
若出水检测口无水流出或滴出，则以湿度计所检测的水渗流高度为渗径长度；
然后根据达西定律计算得到试验渗透系数。
进一步地，试验渗透系数K'的具体计算方法为：
Figure BDA0002954626500000061
其中，q为单位时间渗流量，A为垂直渗流方向的横截面积，L为渗径长度，h为水位差。
S5，根据步骤S1中的非饱和带孔隙度由Kozeny-Carman公式得到估计渗透系数，若试验渗透系数/估计渗透系数＝0.9～1.1，则采取试验渗透系数，否则，舍弃该次试验中的试验渗透系数。
进一步地，估计渗透系数K的具体计算方法为：
Figure BDA0002954626500000062
其中，C为介质颗粒的形状因子,无因次，对砂而言,C＝0.39；g为重力加速度；μwater为水的动力粘滞系数；Sp为介质颗粒的比表面积,可通过颗粒测定曲线确定；DR为介质颗粒密度。

Claims (6)

1.一种获取水文地质参数的试验方法，其特征在于，包括：
S1，使用探地雷达探测待测区域，通过探地雷达的波速计算得到介质的相对介电常数，然后根据不同介质具有不同的介电常数计算得到介质的体积含水率和非饱和带孔隙度；
S2，根据体积含水率将待测区域划分为若干采样区，沿每个采样区的边缘处选取三个辅助采样点，以三个辅助采样点连成的三角形的中心为采样点，使用柱状采样器在采样点处进行土壤采样获得柱状土壤样本；
S3，将柱状土壤样本置于透明的且带刻度的试验筒中，试验筒的下端与水槽连通，水槽内设置有温度调节器和水位计，试验筒的上端连接有出水检测口，试验筒的侧壁上沿轴向分布有多组湿度检测器，每组湿度检测器包含有多个沿试验筒圆周分布且插入柱状土壤样本内的湿度计；所述温度调节器包括设置于水槽底部的加热丝、控制所述加热丝加热温度的控制器以及检测水温的温度传感器，所述温度传感器和加热丝与所述控制器导线连接；
S4，向水槽内填充不同温度的水，对每组温度的水进行试验，每组试验中水沿着柱状土壤样本向上渗流，通过水位计获得水的渗流量，通过湿度计检测水渗流的高度，并同时观察出水检测口是否有水流出或滴出，
若出水检测口有水流出或滴出，则以柱状土壤样本的轴向长度为渗径长度；
若出水检测口无水流出或滴出，则以湿度计所检测的水渗流高度为渗径长度；
然后根据达西定律计算得到试验渗透系数；
S5，根据步骤S1中的非饱和带孔隙度由Kozeny-Carman公式得到估计渗透系数，若试验渗透系数/估计渗透系数＝0.9～1.1，则采取试验渗透系数，否则，舍弃该次试验中的试验渗透系数。
2.根据权利要求1所述的获取水文地质参数的试验方法，其特征在于，步骤S1中通过探地雷达的波速计算得到介质的体积含水率Vw和非饱和带孔隙度φ的具体方法为：
通过式(1)和式(2)由探地雷达的波速计算得到介质的相对介电常数，
Figure FDA0003585408410000021
Figure FDA0003585408410000022
其中，V为探地雷达的波速，c为真空中的光速，εr为介质的相对介电常数，εo为真空中的介电常数，ε为介质总的介电常数；
通过式(3)由介质的相对介电常数计算得到非饱和带孔隙度φ与介质的体积含水率Vw的关系，
Figure FDA0003585408410000023
其中，φ为非饱和带孔隙度，Vw为介质的体积含水率，εtotal、εgrain、εair、εwater分别为多孔介质、颗粒骨架、空气和水的相对介电常数；
而Vw＝-0.053+0.0293ε-0.00055ε2+0.0000043ε3，从而计算得到非饱和带孔隙度φ。
3.根据权利要求1所述的获取水文地质参数的试验方法，其特征在于，所述步骤S2中确定采样点的具体方法为：
在待测区域绘制体积含水率值在同一区间内的边缘线，选取最靠外的三个边缘线处标记为辅助采样点，直线依次连接三个辅助采样点形成三角形，作三角形的中垂线，中垂线的交点即为采样点。
4.根据权利要求1所述的获取水文地质参数的试验方法，其特征在于，所述水槽内固定有底座，所述底座上设置有顶端敞开的安装孔，所述安装孔内壁嵌装有橡胶套，所述橡胶套与所述试验筒过盈配合。
5.根据权利要求1所述的获取水文地质参数的试验方法，其特征在于，所述试验渗透系数K'的具体计算方法为：
Figure FDA0003585408410000031
其中，q为单位时间渗流量，A为垂直渗流方向的横截面积，L为渗径长度，h为水位差。
6.根据权利要求1所述的获取水文地质参数的试验方法，其特征在于，所述估计渗透系数K的具体计算方法为：
Figure FDA0003585408410000032
其中，C为介质颗粒的形状因子；g为重力加速度；μwater为水的动力粘滞系数；Sp为介质颗粒的比表面积,可通过颗粒测定曲线确定；DR为介质颗粒密度。
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