CN114441738A - 确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水文地质参数测定技术领域，尤其是非线性固结弱透水层水文地质参数；本发明所要解决的技术问题是提供一种确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法。确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，包括以下步骤：A.建立实验模型；B.饱和实验土样；C.开展实验；D.实验数据记录；E.终止实验；F.参数计算：将记录的变形量S在与标准曲线相同模数的双对数坐标系中作S～t实测曲线，与
标准曲线配线，任选一匹配点，记下对应的坐标值S、
t和
计算固结系数Cw、压缩指数Cc和初始渗透系数K(e0)；
l为弱透水层厚度，e0弱透水层的初始孔隙比；σ′0是弱透水层的初始有效应力；γw是水的重度；f(e0)＝1+e0；f(ef)＝1+ef，ef是弱透水层的最终孔隙比。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质参数测定技术领域，尤其是非线性固结弱透水层水文地质参数。
背景技术
随着社会经济发展和人口数量的激增，水资源短缺和环境恶化成为21世纪人类面临的两个重大问题。地下水资源过度开采引起的地面沉降问题在我国华北平原和长江三角洲地区已普遍存在，其中长三角地区由地下水超采引起的地面沉降大于200mm的面积已占区域面积的十分之一，其中最大累积沉降量达2.80m，造成的经济损失达500亿美元；同时，我国地下水污染呈现出由点到面、由浅到深、由城市到农村的扩展趋势，污染程度日益严重。地下水过度开采和污染相互影响，形成恶性循环。弱透水层的水文地质参数对预测、评价和控制地面沉降至关重要，对地下水资源的评价与管理，以及含水层系统中污染物和热量的迁移转化也非常重要。
弱透水层作为多层含水层系统的重要组成部分，在冲积平原和沉积盆地中广泛分布。由于弱透水层的渗透系数一般小于10–8m/s，比含水层小几个数量级，弱透水层储存的地下水资源和排水引起的变形量常常被忽视。含水层水文地质参数确定主要通过现场抽水(或注水)试验的方法实现，而弱透水层水文地质参数确定方法的研究还比较少，现存的方法也未考虑弱透水层水文地质参数在固结过程中的变化。目前为止，缺少一种确定非线性固结弱透水层水文地质参数计算的有效原理与方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，包括以下步骤：
A.建立实验模型：包括筒体，在筒体内从下至上依次设有下反滤层、实验土样和上反滤层，马氏瓶通过进水管与筒体顶部连通，量筒通过出水管与下反滤层连通，在筒体顶部固定有百分表，在进水管和出水管上设有阀门；
B.饱和实验土样；
C.开展实验，保持实验土样上部水位不变；
D.实验数据记录：通过百分表观测弱透水层变形量的时间，在打开出水管阀门后第0.25、0.5、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、50、60、80、100、120分钟各观测一次并记录变形量S，以后每隔30分钟观测一次；
E.持续观测，直至每隔30分钟百分表的读数不变，终止实验；
F.参数计算：将记录的变形量S在与标准曲线相同模数的双对数坐标系中作S～t实测曲线，与
标准曲线配线，任选一匹配点，记下对应的坐标值S、
t和
计算固结系数Cw、压缩指数Cc和初始渗透系数K(e0)；
l为弱透水层厚度，e0弱透水层的初始孔隙比；σ′0是弱透水层的初始有效应力；γw是水的重度；f(e0)＝1+e0；f(ef)＝1+ef，ef是弱透水层的最终孔隙比。
进一步的是，对于A步骤，所述土柱实验模型从下到上依次包括下反滤层、试样段、上反滤层；所述下滤层上端的弱透水层柱体底端侧壁上设有出水管，出水管向上延伸至试样段以上，出水管的出水口对应一接水容器，且出水口处设有阀门；所述上反滤层下底面安装有透水有机玻璃板，且通过不锈钢杆连接百分表；所述土柱试验模型上部设有供水的常水头马氏瓶，且供水水头高度大于出水管出水口的水头高度；所述土柱试验模型最上端设有进水口；所述进水口处设有阀门。
进一步的是，对于B步骤，实验土样填充结束后，通过下部出水管缓缓向固结容器加水，至上部接入马氏瓶的出水管溢流。此后静置24小时以上，直至试样厚度稳定。试样内如有气泡，可用真空泵抽出容器内空气。
进一步的是，对于C步骤，打开底部阀门，使水自出水管口溢出，流入量筒；上部进水管利用马氏瓶供水，保持试样上部水位不变。
本发明的有益效果是：本发明所提供的确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法具有以下优点：
①推导的解析解，理论严密，因此方法具有严格的理论依据；
②实验装置及实验过程简单、易操作，也可直接采取现场原装土样进行实验；
③采用配线法确定参数，方法简单易操作；
④一次实验可以同时求得非线性固结弱透水层的固结系数、压缩指数和初始渗透系数，获取的参数多；
⑤由于变形量测量容易实现且误差小，因此该方法求得的参数精度高，有很好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明实验模型的结构示意图；
图2是本发明的方法的流程图；
图3是弱透水层的无量纲变形量变化图；
图4是S～t实测曲线与
标准曲线配线图；
图5是对应观测时间的弱透水层变形量与实测值对比图；
图中零部件、部位及编号：马氏瓶1、进水管2、百分表3、筒体4、上反滤层5、实验土样6、下反滤层7、出水管8、阀门9、量筒10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，首先基于土柱试验模型，推导在弱透水层主体一侧水头降低某一常量条件下弱透水层变形量公式解析解；然后，给出基于变形量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数、压缩指数和初始渗透系数的方法。
土柱实验模型从下到上依次包括下反滤层7、实验土样6、上反滤层5；所述下反滤层7上端的弱透水层柱体底端侧壁上设有出水管8，出水管8向上延伸至实验土样6以上，出水管8的出水口对应一量筒10，且出水口处设有阀门9；所述上反滤层5下底面安装有透水有机玻璃板，且通过不锈钢杆连接百分表3；所述土柱试验模型上部设有供水的常水头马氏瓶1，且供水水头高度大于出水管8出水口的水头高度。所述土柱试验模型最上端设有进水口；所述进水口处设有阀门9。
非线性固结弱透水层参数确定的原理：
(1)非线性固结弱透水层水流模型的解析解
假设弱透水层柱体饱和承压且测压水头处处相等，弱透水层下侧水头降低某一常量
而弱透水层上侧水头不变，测定弱透水层变形量随时间的变化。这时弱透水层为垂向一维流，取如图1坐标系，这样非线性固结弱透水层的水流模型为
s(a，0)＝0 0＜a＜l
式中，s(a,t)为弱透水层a点t时刻的水头变化；
为柱体下侧水头变化值；l为弱透水层厚度；
为弱透水层的固结系数；K(e0)为弱透水层的初始渗透系数；Cc是弱透水层的压缩指数；e0弱透水层的初始孔隙比；σ′0是弱透水层的初始有效应力；γw是水的重度；f(e0)＝1+e0；f(ef)＝1+ef；ef是弱透水层的最终孔隙比。
对于非线性固结弱透水层水流模型，经变量变换和分离变量法，得解为：
式中，
是弱透水层底面的最终有效应力。
弱透水层变形量的解析解
t时刻弱透水层的变形量
其中，
为无量纲变形量，而
为无量纲时间。
通过式(3)得弱透水层的无量纲变形量随无量纲时间变化如图3.
从弱透水层的无量纲变形量变化图3看出，起初时刻变形量迅速增大，并趋于稳定，当
后，变形量趋于定值
弱透水层的参数确定方法：
对式(3)和式(4)两边同时取对数，有
(5)、(6)二式等号右边的第二项都是常数，因此在双对数坐标系内，实验获得的S～t曲线和
标准曲线(如图3)在形状上是相同的，只是纵横坐标平移了
和cw/l2。采用配线法，将两条曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值S、
t和
代入(2)、(4)式，得：
固结系数：
初始渗透系数：
压缩指数：
如图1所示，实验步骤：
(1)调试实验装置，保证实验装置密闭、管路畅通。
(2)填充实验土样：把装填弱透水层土样的固结容器擦拭干净，在容器内壁均匀涂抹一层凡士林。测定反滤层(砂土)和现场采取的原状土样(或填充实验土样)的土颗粒密度。填充下反滤层(砂土样)，铺设滤网，在固结容器内放置现场采取的原状土样(或填充实验土样)，然后铺设滤网和多孔有机玻璃板，填充上反滤层(砂土样)，将固结容器用盖板密闭。
(3)饱和实验土样：实验土样填充结束后，通过下部出水管缓缓向固结容器加水，至上部接入马氏瓶的出水管溢流。此后静置24小时以上，直至试样厚度稳定。试样内如有气泡，可用真空泵抽出容器内空气。
(4)开展实验：打开底部阀门，使水自出水管口溢出，流入量筒。上部进水管利用马氏瓶供水，保持试样上部水位不变。
(5)实验数据记录：通过百分表观测弱透水层变形量的时间，宜在打开出水管阀门后第0.25、0.5、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、50、60、80、100、120分钟各观测一次并记录，以后每隔30分钟观测一次。
(6)持续观测，直至每隔30分钟百分表的读数不变，可终止实验；
(7)参数计算：将记录的变形量S在与标准曲线相同模数的双对数坐标系中作S～t实测曲线，与
标准曲线配线，使两条曲线重叠最好，任选一匹配点，记下对应的坐标值S、
t和
代入公式(7)、(8)、(9)计算固结系数Cw、压缩指数Cc和初始渗透系数K(e0)。
本实施例中一种确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法的具体步骤如下：
(1)实验模型
实验模型主体为有机玻璃圆筒，高100cm，外径40cm，内径38.4cm。圆筒内填充物分为三段，下部填充下反滤层，厚度为22cm，中部填充实验用的土样(粉质黏性土)厚度为24cm，上部填充上反滤层，厚度为16.5cm。上、下反滤层的砂颗粒密度是2.65×103kg/m3，上部反滤层的砂土总量是30kg；实验土样的质量是38.76kg，土颗粒的干密度(ρs)是2.58×103kg/m3，干密度(ρd)是1.38×103kg/m3，实验土样的初始孔隙比(e0)是0.869。开始实验前弱透水层和上、下反滤层的水头相等。开始实验时，将下部反滤层中的水头突然降低100cm，并保持不变。观测弱透水层的变形量，观测资料如表1，持续观测了480分钟。
表1变形量观测资料
| t | S | t | S | t | S | t | S |
| 0.00 | 0 | 1.5 | 0.57 | 10 | 1.66 | 80 | 4.65 |
| 0.07 | 0.12 | 2 | 0.66 | 12 | 1.85 | 100 | 5.01 |
| 0.10 | 0.14 | 2.5 | 0.76 | 14 | 2.01 | 120 | 5.01 |
| 0.13 | 0.16 | 3 | 0.85 | 16 | 2.17 | 150 | 5.24 |
| 0.17 | 0.17 | 3.5 | 0.92 | 18 | 2.33 | 180 | 5.56 |
| 0.25 | 0.22 | 4 | 0.99 | 20 | 2.47 | 210 | 5.82 |
| 0.33 | 0.25 | 4.5 | 1.06 | 25 | 2.78 | 240 | 5.94 |
| 0.42 | 0.28 | 5 | 1.13 | 30 | 3.06 | 270 | 5.99 |
| 0.50 | 0.31 | 6 | 1.25 | 35 | 3.33 | 300 | 6.08 |
| 0.67 | 0.36 | 7 | 1.36 | 40 | 3.56 | 360 | 6.28 |
| 0.83 | 0.40 | 8 | 1.48 | 50 | 3.98 | 420 | 6.40 |
| 1.00 | 0.45 | 9 | 1.57 | 60 | 4.32 | 480 | 6.48 |
(2)参数计算
将表中变形量S在双对数坐标系中作S～t实测曲线(图4中圆点)，与
标准曲线(图4中实线)配线，使两条曲线重叠(如图4)，任选一匹配点，记下对应的坐标值S＝4.651×10-3m，
t＝4.8×103s和
代入式(7)、(8)、(9)得：cw＝1.512×10-6m2/s,K(e0)＝1.906×10-7m/s和Cc＝0.1546。
(3)验证
将配线法求得的参数带入计算公式(2)，计算得到对应观测时间的弱透水层变形量与实测值对比如图5，所有实测值与对应时刻的计算值十分吻合，表明计算得到的弱透水层水文地质参数较好的反映了弱透水层的固结性质。
Claims (4)
1.确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.建立实验模型：包括筒体(4)，在筒体(4)内从下至上依次设有下反滤层(7)、实验土样(6)和上反滤层(5)，马氏瓶(1)通过进水管(2)与筒体(4)顶部连通，量筒(10)通过出水管(8)与下反滤层(7)连通，在筒体(4)顶部固定有百分表(3)，在进水管(2)和出水管(8)上设有阀门(9)；
B.饱和实验土样；
C.开展实验，保持实验土样上部水位不变；
D.实验数据记录：通过百分表观测弱透水层变形量的时间，在打开出水管阀门后第0.25、0.5、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、50、60、80、100、120分钟各观测一次并记录变形量S，以后每隔30分钟观测一次；
E.持续观测，直至每隔30分钟百分表的读数不变，终止实验；
F.参数计算：将记录的变形量S在与标准曲线相同模数的双对数坐标系中作S～t实测曲线，与
标准曲线配线，任选一匹配点，记下对应的坐标值S、
t和
计算固结系数Cw、压缩指数Cc和初始渗透系数K(e0)；
l为弱透水层厚度，e0弱透水层的初始孔隙比；σ′0是弱透水层的初始有效应力；γw是水的重度；f(e0)＝1+e0；f(ef)＝1+ef，ef是弱透水层的最终孔隙比。
2.如权利要求1所述的确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，其特征在于：对于A步骤，所述土柱实验模型从下到上依次包括下反滤层、试样段、上反滤层；所述下滤层上端的弱透水层柱体底端侧壁上设有出水管，出水管向上延伸至试样段以上，出水管的出水口对应一接水容器，且出水口处设有阀门；所述上反滤层下底面安装有透水有机玻璃板，且通过不锈钢杆连接百分表；所述土柱试验模型上部设有供水的常水头马氏瓶，且供水水头高度大于出水管出水口的水头高度；所述土柱试验模型最上端设有进水口；所述进水口处设有阀门。
3.如权利要求1所述的确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，其特征在于：对于B步骤，实验土样填充结束后，通过下部出水管缓缓向固结容器加水，至上部接入马氏瓶的出水管溢流。此后静置24小时以上，直至试样厚度稳定。试样内如有气泡，可用真空泵抽出容器内空气。
4.如权利要求1所述的确定非线性固结弱透水层水文地质参数的方法，其特征在于：对于C步骤，打开底部阀门，使水自出水管口溢出，流入量筒；上部进水管利用马氏瓶供水，保持试样上部水位不变。
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| Title |
|---|
| HUAN LUO ETAL: "An Analytical Method to Calculate Groundwater Released From an Aquitard Undergoing Nonlinear Consolidation", 《WATER RESOURCES RESEARCH》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116559047A (zh) * | 2023-05-06 | 2023-08-08 | 中国地质大学（武汉） | 渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法 |
| CN116559047B (zh) * | 2023-05-06 | 2024-01-30 | 中国地质大学（武汉） | 渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法 |
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