CN114813500A - 一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，所述方法包括以下步骤：步骤一、分别记录浸水渗透到不同地层时，相对应地层的浸水坑内的水面下降时间以及水分传感器捕捉到的浸水湿润峰达到的时间；步骤二、根据不同地层中记录的浸水渗透到不同地层的时间段内理论地层浸水下渗速率V1以及水分传感器实际捕捉到的浸水湿润峰达到的相应地层的实际地层渗透系数V2计算出不同地层的吸力水头值Hyx；步骤三、根据两个不同地层的吸力水头值Hyx的差值推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。本发明利用浸水坑水面下降速率结合水份传感器测定计算出的地层基质吸力水头值，是黄土地层土壤基质吸力计算的一种新尝试。
Description
技术领域
本发明涉及测定地层基质吸力技术领域，特别涉及一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法。
背景技术
目前，在计算非饱和土的渗透系数时，通常有两种算法，一种是直接利用达西定律的简易算法，另一种是考虑土壤基质吸力水头值相对精准的算法。究其原因在于土壤基质吸力的准确测定有一定难度而且室内试验各种测定方法以及现场测定的水头值相差比较大，工程上应用有一定难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法。具体方案为：
一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、分别记录浸水渗透到不同地层时，相对应地层的浸水坑内的水面下降时间以及水分传感器捕捉到的浸水湿润峰达到的时间；
步骤二、根据不同地层中记录的浸水渗透到不同地层的时间段内理论地层浸水下渗速率V1以及水分传感器实际捕捉到的浸水湿润峰达到的相应地层的实际地层渗透系数V2计算出不同地层的吸力水头值Hyx；
步骤三、根据两个不同地层的吸力水头值Hyx的差值推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。
进一步的，地层的吸力水头值Hyx满足一维垂直入渗模型，其模型数学表达式为式(1)，
V＝K×I＝K×(H+ΔH+Hyx)/H (1)
式中：V为入渗率；K为土的饱和渗透系数；I为水力坡度；H 为湿润峰发生深度；ΔH为积水深度；Hyx为湿润峰处的平均基质吸力水头值。
进一步的，所述地层的吸力水头值Hyx的计算方法包括以计算下步骤：
1)根据地层孔隙比e和地层饱和度Sr计算出比值B；
2)通过B分别计算出湿润峰理论深度H以及理论地层浸水下渗速率V1；
3)通过湿润峰理论深度H计算出土地饱和渗透系数K；
4)计算出水分传感器测定的实际地层渗透系数V2；
5)将计算出地层对应的土地饱和渗透系数K和水分传感器测定的实际地层渗透系数V2结合公式(1)计算出该层的吸力水头值Hyx。
进一步的，不同深度地层的基质吸力的计算方法为：
1)根据地层的吸力水头值Hyx的计算方法分别计算出上部黄土地第一层地层基质吸力水头值Hy1和第二层地层基质吸力水头值 Hy2,
2)根据第一层地层基质吸力水头值Hy1和第二层地层基质吸力水头值Hy2计算出地层基质吸力随深度的增大出现线性递减的规律，推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。
进一步的，所述比值B的计算公式满足(2)和(3)
B＝(1+1/e)/(1-Sr) (2)
V1＝B×Vo (3)
其中，e为地层孔隙比，Sr地层饱和度，V1为理论地层浸水下渗速率，Vo为浸水坑水面下降速率。
进一步的，理论湿润峰深度H1满足公式(4)，
H1＝B×H0 (4)
其中，H0为浸水坑水面有效下渗深度。
进一步的，水力坡度I1满足公式(5)，
水力坡度I1＝(ΔH+H1)/H (5)
结合公式(1)土地饱和渗透系数K＝V1/I，计算出该层土地饱和渗透系数K。
进一步的，所述水分传感器测定的实际地层渗透系数V2等于传感器测定的湿润峰深度除以对应的入渗时间。
进一步的，在步骤一中，水分传感器设置在同一垂直线上相邻地层的分界处。
本发明的有益效果在于：
本发明利用现场浸水试验数据对土壤基质吸力进行了计算，它不同于室内试验张力计、压力板、滤纸等各种专门测试方法而是利用浸水坑水面下降速率和水份传感器测定的浸水渗透速率计算出的地层基质吸力水头值，是黄土地层土壤基质吸力计算的一种新尝试。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
以下结合对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描 述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、分别记录浸水渗透到不同地层时，相对应地层的浸水坑内的水面下降时间以及水分传感器捕捉到的浸水湿润峰达到的时间；
步骤二、根据不同地层中记录的浸水渗透到不同地层的时间段内理论地层浸水下渗速率V1以及水分传感器实际捕捉到的浸水湿润峰达到的相应地层的实际地层渗透系数V2计算出不同地层的吸力水头值Hyx；
步骤三、根据两个不同地层的吸力水头值Hyx的差值推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。
本发明中，地层的吸力水头值Hyx满足一维垂直入渗模型，其模型数学表达式为式(1)，
V＝K×I＝K×(H+ΔH+Hyx)/H (1)
式中：V为入渗率；K为土的饱和渗透系数；I为水力坡度；H 为湿润峰发生深度；ΔH为积水深度；Hyx为湿润峰处的平均基质吸力水头值。
本发明中，所述地层的吸力水头值Hyx的计算方法包括以计算下步骤：
1)根据地层孔隙比e和地层饱和度Sr计算出比值B；
2)通过B分别计算出湿润峰理论深度H以及理论地层浸水下渗速率V1；
3)通过湿润峰理论深度H计算出对应地层的土地饱和系数K；
4)计算出水分传感器测定的实际地层渗透系数V2；
5)将计算出地层对应的土地饱和渗透系数K和水分传感器测定的地层渗透系数V2结合公式(1)计算出该层的吸力水头值Hyx。
本发明中，不同深度地层的基质吸力的计算方法为：
1)根据地层的吸力水头值Hyx的计算方法分别计算出上部黄土地第一层地层基质吸力水头值Hy1和第二层地层基质吸力水头值Hy2,
2)根据第一层地层基质吸力水头值Hy1和第二层地层基质吸力水头值Hy2计算出地层基质吸力随深度的增大出现线性递减的规律，推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。
需要说明的是，本发明中所述的第一层地层和第二层地层并非常规中的第一层和第二层，本发明中所述的中的第一层地层和第二地层至的同一垂直度上两个不同的地质层。
本发明中，所述比值B的计算公式满足(2)和(3)
B＝(1+1/e)/(1-Sr) (2)
V1＝B×Vo (3)
其中，e为地层孔隙比，Sr地层饱和度，V1为理论地层浸水下渗速率，Vo为浸水坑水面下降速率。
需要说明的是，利用浸水坑水面下降速率推算地层的浸水渗透速率，其假定条件是地层没有任何基质吸力，浸水完全靠自重下渗；地层的结构由气体固体液体三相组成，地层的孔隙比描述的是空隙的多少，也是浸水要占据的空间大小，饱和度表述的是地层空隙含水比例，所以浸水坑水面下降速率和地层的孔隙比和饱和度有关联，可以用下公式表述：Vz＝Vk+Vg，其中Vz为地层单位总体积，Vk为地层空隙体积，Vg地层固体颗粒体积，而在公式Vk(1+1/e)＝Vz中，e为地层孔隙比，Vy为地层剩余空隙(浸水即将占的体积)，Sr地层饱和度；从而可得出Vy＝Vk(1-Sr)＝(1-Sr)Vz/(1+1/e)，Vz＝B×Vy比值 B即是地层浸水下渗速率V1和浸水坑水面下降速率Vo的比值，由此可知V1＝B×Vo，B＝(1+1/e)/(1-Sr)；因此利用浸水面下降速率计算地层浸水渗透速率公式：V1＝V0(1+1/e)/(1-Sr)。
本发明中，理论湿润峰深度H1满足公式(4)，
H1＝B×H0 (4)
其中，H0为浸水坑水面有效下渗深度。
本发明中，水力坡度I1满足公式(5)，
水力坡度I1＝(ΔH+H1)/H (5)
结合公式(1)层土地饱和渗透系数K＝V1/I，计算出该层饱和渗透系数K。
本发明中，所述水分传感器测定的实际地层渗透系数V2等于传感器测定的湿润峰深度除以对应的入渗时间。
本发明中，在步骤一中，水分传感器设置在同一垂直线上相邻地层的分界处。
需要说明的是：
本发明中浸水试验计算地层基质吸力的原理为：
Green-Ampt入渗模型
1911年Green和Ampt结合Darcy定律与毛细管模型提出了著名的Green-Ampt入渗模型，该模型是积水条件下一维垂直入渗模型，其数学表达式为：
V＝K×I＝K×(H+ΔH+Hy)/H (1)
公式中：V为入渗率；K为土的饱和渗透系数；I为水力坡度；H为湿润峰发展深度；ΔH为积水深度；Hy为湿润峰处的平均基质吸力水头值。
其中Green-Ampt入渗模型使用的基本假设条件是：湿润峰以上土体是饱和状态；湿润峰以下土体仍保持初始含水量，使得湿润峰界面处存在一个恒定的基质吸力水头；该基质吸力水头如同毛细管的作用提供一个负值压力使得浸水在土体中垂直向下渗透。水利部 SL237-042-1999土工试验规程中，V，H，ΔH值可以通过现场入渗试验测得，Hy湿润峰处基质吸力水头值是通过室内试验给出的经验值，所述土地饱和渗透系数K在同一地层内是固定的。
利用浸水试验计算土壤基质吸力的原理
在现场浸水试验中，浸水坑水面下降速率由现场实测获得，在浸水试验初期根据浸水入渗地层的孔隙比和饱和度按水分子体积无压缩原则可以计算出浸水坑下渗水量对应的理论下渗深度，该深度是地层(土壤)空隙体积与下渗水量等体积的换算值，土体此时基质吸力假定为零，是完全静水压力下的理论渗透深度。同时安装在地层分界处的水份传感器也能捕捉到浸水湿润峰达到的时间，以该时间和传感器安装深度计算的浸水渗透速率V2明显大于此时间段浸水坑水面下降速率换算的理论地层浸水下渗速率V1，传感器实测的浸水渗透速率可以认为是地层基质吸力和重力共同作用的结果，两者速率的差值也可以认为是地层基质吸力的贡献。按地层渗透系数的定义，地层渗透系数是恒定值。利用浸水坑水面下降速率换算的理论地层浸水下渗透速率V1，同时也满足公式(1)即可表达为
V1＝K×(H1+ΔH+Hy)/H1，H1为理论湿润峰深度，ΔH浸水坑水深平均值，地层基质吸力假定为零Hy＝0，按此公式可以计算出土地的渗透饱和系数K。
利用水份传感器计算的实际浸水渗透速率V2同时也满足公式 (1)即可表达为：
V2＝K×(H+ΔH+Hy)/H，其中H为传感器安装深度，渗透系数 K，积水深度ΔH同时上。由此公式计算出该层的基质吸力水头值 Hy。
同时，本申请中计算的是场地上部黄土地层的平均基质吸力，地层基质吸力的算法是利用浸水坑水面下降速率观测值结合水份传感器测定的浸水渗透速率反算出的第一层和第二层黄土地层的基质吸力水头值，其中①它的假设条件是地层的渗透系数是固定值；②浸水坑正下方地层渗透呈垂向一维流状态，浸润峰处于同一平面。
本发明中，步骤一中的所述浸水坑的面积为100㎡-700㎡浸水坑的深度为10-30m。
以下通过两个实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
浸水试验园坑土壤基质吸力水头值的计算。
一、第一层地层基质吸力水头值Hy1的计算：
1)第一层地层比值B的计算，浸水坑下第一层黄土厚度H＝4m，孔隙比e＝1.153，饱和度Sr＝0.38，通过公式(2)B＝(1+1/e)/(1-Sr) 计算B＝2.99，
该浸水试验坑直径20m，浸水坑平均水深0.5m。
2)第一层地层对应的浸水坑水面下渗速率V0，对应此时间段地层渗透速率V1以及浸水湿润峰理论深度H1的计算：
注水流量Qz＝474.3m3，注水时间t＝34h，
浸水外渗透量(浸水坑垂直断面以外)，按场地浸水后期验证孔数据计算的浸水水平渗透距离与深度比，比值P＝0.46计算浸水水平外渗流量Qw＝89.3m3，
有效垂向入渗量Q＝Qz-Qw＝474.3m3-89.3m3，折算成浸水坑水面入渗下降水头H＝385.m3/2πR＝385.m3/314＝122.6cm，浸水坑剩余水深 30cm，浸水坑水面实际垂向有效入渗量折算下降水头 H0＝122.6cm-30cm＝92.6cm，
第一层地层浸水面下降速率V0＝92.6cm/34h＝2.72cm/h，对应此时间段第一层地层渗透速率V1＝B×V0，V1＝2.99×2.72cm/h＝1.95m/d，浸水湿润峰理论深度H1＝B×H0＝2.77m。
第一层地层无基质吸力的水力坡度I1＝(H1+ΔH)/H1，I1＝(0.5+2.77) /2.77＝1.181，从而计算出第一层土壤垂向渗透系数K1＝V1/I1＝1.651m/d。
利用水份传感器测定的该层黄土浸水渗透速率等于黄土层厚度 H除以湿润峰达到传感器的时间，V＝2.82m/d，按公式(1)计算第一层地层基质吸力水头值Hy1,
K1＝1.651m/d，H＝4m，ΔH＝0.5m，计算基质吸力水头值Hyx＝233cm。
二、第二层黄土地土壤基质吸力Hy2的计算。地层深度H＝6.1m, 厚度2.1m，e＝1.126，
Sr＝40.87，B＝3.2，注水Qz＝218m3，外渗Qw＝90.5m3，有效入渗量Q＝127.5m3，折算浸水面下降深度40.6cm，浸水坑水面下降7cm，实际浸水面下降高度H0＝40.6cm+7cm＝47.6cm，湿润峰深度 H1＝B×H0＝1.52m渗透时间t＝32h，V0＝1.49cm/h＝0.358m/d， V1＝B×V0＝1.146m/d，I1＝(0.5m+1.52m+3.17m)/4.69m＝1.107，计算第二层土壤饱和渗透系数k＝V1/I1＝1.035。
水份传感器测定的渗透速率V＝1.33m/d，利用公式(1)K＝1.035， H＝6.1m，ΔH＝0.5m，计算得出第二层基质吸力水头值Hy2＝124cm。
三、地层基质吸力水头值的降比计算。假设黄土地层基质吸力随深度增大而减小呈线性趋势，在浸水坑下第二层黄土层中心以下Xm深度消减为零，地层基质吸力代表的是地层的平均值，第一层对应的深度是2m，第二层对应的是5m，则233cm/3m+X＝124/X，X＝3.4m，即在浸水坑以下8.4m处地层基质吸力消减为零。按此比例推算最上部地层基质吸力水头值为306cm。这和水份传感器测定出的隐伏隔水层位置相符，以此数据可以推算以上深度地层的土壤基质吸力，从而计算各深度的水力坡度。按此比例推算最上部地层基质吸力水头值为 306cm。
实施例二：
浸水试验方坑地层基质吸力水头值的计算
一、浸水坑下面第一层土壤基质吸力水头值计算，第一层厚度 H＝3.8m,地层平均孔隙比e＝1.104，饱和度Sr＝0.355，按公式(2)计算B＝2.95。浸水坑面积150mz。
渗透时间t＝2560min，注水量Qz＝309m3，外渗量Qw＝72m3，水平外渗湿润峰与深度比P＝0.46计算，有效垂向渗入量 Q＝309m3-72m3＝237m3，折算浸水坑水面下降深度158cm，浸水坑水面剩余深度62cm，第一层浸水坑水面实际入渗下降水头 H0＝158cm-62cm＝96cm，第一层理论推算湿润峰深度H1＝B×H0＝2.83m。
第一层水面下降速率V0＝H0/t＝2.25cm/h，浸水在第一层土壤的渗透速率V1＝B×V0＝1.593m/d。浸水坑水头ΔH＝0.5m，假定第一层无基质吸力的水力坡度I1＝(ΔH+H1)/H1＝(2.25+0.5)m/2.25m＝1.222，第一层地层的渗透系数K＝V1/I1＝1.303m/d。
通过传感器测定的第一层渗透速率V2＝2.14m/d，K＝1.303m/d，H＝3.8m，利用公式(1)计算第一层基质吸力水头值Hyx＝194cm。
二、浸水坑下第二层土壤基质吸力计算。第二层深度3.8m-5.9m, 厚度2.1m，孔隙比e＝1.0375，饱和度Sr＝0.325，按公式(2)计算B＝2.91。浸水渗透时间t＝83.5h，注水量Qz＝180.45m3，外渗量Qw＝159.7m3-72m3，浸水坑垂向有效渗透量Q＝92.75m3，折算浸水坑水头值H＝61.8cm。第二层浸水下渗速率V0＝61.8cm/83.5h＝0.74cm/h＝0.178m/d， V1＝B×V0＝0.518m/d，第二层静水水力坡度I1＝(0.5m+5.9m)/5.9m＝1.085，渗透系数K＝V1/I1＝0.4774。
水份传感器测定的第二层浸水渗透速率V2＝0.6m/d，利用公式(1) 计算第二层土壤基质吸力Hy2＝102cm。
三、地层基质吸力水头值的降比计算。假设土壤基质吸力随深度增大而减小呈线性趋势，在浸水坑第二层黄土中心点深度以下Xm深度消减为零，第一层基质吸力对应深度为1.9m，第二层基质吸力对应深度4.9m，则194cm/3m+X＝102/X，X＝3.3m，即在浸水坑以下8.3m 地层基质吸力消减为零。这和水份传感器测定出的隐伏隔水层位置相符，以此数据可以推算以上深度地层的土壤基质吸力，从而计算各深度的水力坡度.按此计算最上部地层基质吸力水头值256cm,。
显然，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。这样，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 (9)
1.一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、分别记录浸水渗透到不同地层时，相对应地层的浸水坑内的水面下降时间以及水分传感器捕捉到的浸水湿润峰达到的时间；
步骤二、根据不同地层中记录的浸水渗透到不同地层的时间段内理论地层浸水下渗速率V1以及水分传感器实际捕捉到的浸水湿润峰达到的相应地层的实际地层渗透系数V2计算出不同地层的吸力水头值Hyx；
步骤三、根据两个不同地层的吸力水头值Hyx的差值推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。
2.根据权利要求1所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，地层的吸力水头值Hyx满足一维垂直入渗模型，其模型数学表达式为式(1)，
V＝K×I＝K×(H+ΔH+Hyx)/H (1)
式中：V为入渗率；K为土地饱和渗透系数；I为水力坡度；H为湿润峰发生深度；ΔH为积水深度；Hyx为湿润峰处的平均基质吸力水头值。
3.根据权利要求2所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，地层的吸力水头值Hyx的计算方法包括以计算下步骤：
1)根据地层孔隙比e和地层饱和度Sr计算出比值B；
2)通过B分别计算出湿润峰理论深度H以及理论地层浸水下渗速率V1；
3)通过湿润峰理论深度H计算出地层的土地饱和渗透系数K；
4)计算出水分传感器测定的实际地层渗透系数V2；
5)将计算出对应地层的土地饱和渗透系数K和水分传感器测定的实际地层渗透系数V2结合公式(1)计算出该层的吸力水头值Hyx。
4.根据权利要求3所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，不同深度地层的基质吸力的计算方法为：
1)根据地层的吸力水头值Hyx的计算方法分别计算出上部黄土地第一层地层基质吸力水头值Hy1和第二层地层基质吸力水头值Hy2,
2)根据第一层地层基质吸力水头值Hy1和第二层地层基质吸力水头值Hy2计算出地层基质吸力随深度的增大出现线性递减的规律，推算出不同深度地层基质吸力水头值Hy。
5.根据权利要求3所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，所述比值B的计算公式满足(2)和(3)
B＝(1+1/e)/(1-Sr) (2)
V1＝B×Vo (3)
其中，e为地层孔隙比，Sr地层饱和度，V1为理论地层浸水下渗速率，Vo为浸水坑水面下降速率。
6.根据权利要求4所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，理论湿润峰深度H1满足公式(4)，
H1＝B×H0 (4)
其中，H0为浸水坑水面有效下渗深度。
7.根据权利要求5所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，水力坡度I1满足公式(5)，
水力坡度I1＝(ΔH+H1)/H (5)
结合公式(1)土地饱和渗透系数K＝V1/I，计算出该层土地饱和渗透系数K。
8.根据权利要求3所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，所述水分传感器测定的实际地层渗透系数V2等于传感器测定的湿润峰深度除以对应的入渗时间。
9.根据权利要求1中所述的一种利用现场浸水试验测定黄土地层基质吸力的方法，其特征在于，在步骤一中，水分传感器设置在同一垂直线上相邻地层的分界处。
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2022
- 2022-03-11 CN CN202210238634.5A patent/CN114813500B/zh active Active
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|---|
| 王全九 等: "去电子处理微咸水矿化度对土壤水盐运移特征的影响", 农业工程学报, vol. 34, no. 04, pages 125 - 132 * |
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