一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于微观孔隙通道的饱和∕非饱和渗透系数预测方法，包括：以微观连通孔隙通道渗流模型以及毛细理论为基础,建立以土‑水特征曲线预测饱和∕非饱和渗透系数的模型；通过压力板仪和变水头试验，得到土的土‑水特征曲线和饱和渗透系数；利用饱和渗透系数的模型计算得出综合渗透比例常数kc；根据某类土的综合渗透比例常数kc和实测的土‑水特征曲线n等分后，利用相关模型计算得到某类土的饱和渗透系数ks、非饱和相对渗透系数kr；结合饱和渗透系数ks及非饱和相对渗透系数kr，相乘得非饱和渗透系数kw。从微观角度出发，对于揭示控制土体渗透系数大小的内在机理、非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法
本专利技术涉及一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法，尤其涉及一种基于微观孔隙通道的渗透系数预测方法，该主要应用于岩土工程方面，可以在测得土-水特征曲线(SWCC)基础上，有效预测土体的饱和或非饱和渗透系数计算方法。
技术介绍
土-水特征曲线(Soil-WaterCharacteristicCurve，简称SWCC)，是描述非饱和土中吸力与含水量之间关系的曲线，土-水特征曲线能够反映土体中孔隙的大小和分布规律。渗透系数，又称水力传导系数，定义为单位水力梯度下通过的单位流量，是描述土体渗透性强弱的重要指标。目前，对于饱和渗透系数，一般通过建立与孔隙比的经验关系进行预测，这种方法对相关机理研究不够深入，鲜有见到从微观角度预测饱和渗透系数的理想方法。对非饱和土渗透系数的预测方法，需要建立SWCC与非饱和土相对渗透系数的关系，这一方面，目前主要依托CCG模型(其中，饱和渗透系数：非饱和相对渗透系数：Mualem模型(其中，饱和渗透系数：非饱和相对渗透系数：Burdine模型(非饱和相对渗透系数为：等进行计算。但依旧存在问题，在对于CCG模型、Mualem模型以及Burdine模型，用概率论方法建立的孔隙通道模型，相关计算较为繁琐，且只考虑到孔隙纵向连通的可能性，而实际上孔隙通道横向也可能连通。更重要的是，三个模型计算结果相差较大，其适用性尚未查清，对于某一特定的土体，上述模型中的一个可能较为合适，但对于另外一种土体，若仍然采用该模型，预测误差可能大到不可忽略。因此，新模型值得研究，但该方面的研究工作近年来进展较慢。本专利技术将“SWCC”视作反映孔隙通道的间接指标，SWCC试验某级压力下排出水的体积可看做该级孔隙通道的总体积，大大简化了相关计算。基于这一理念，本专利技术结合流体力学理论、毛细理论建立了基于微观孔隙通道的渗透系数的预测新模型，以已有试验数据为基础验证了该模型的合理性。在解决问题时均从微观孔隙角度出发，是真正意义上的基于微观孔隙角度的预测方法，方法新颖，应用前景广阔。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法，主要解决的技术问题是：通过微观孔隙通道模型，结合土-水特征曲线(SWCC)，对土体饱和/非饱和渗透系数的预测，该方法从微观角度出发，对于揭示控制土体渗透系数大小的内在机理、非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的意义。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)以微观连通孔隙通道渗流模型以及毛细理论为基础,建立以土-水特征曲线预测饱和渗透系数的模型以及非饱和渗透系数的模型；所述微观连通孔隙通道渗流模型是海量的孔隙通道渗透系数叠加起来所形成的；2)通过压力板仪试验，测得不同类型土的土-水特征曲线，并按体积含水量划为n等份；3)通过变水头试验，测得不同类型土的饱和渗透系数，根据步骤2)测得所对应土的土-水特征曲线以及步骤1)构建得到的以土-水特征曲线预测饱和渗透系数的模型得出不同类型土的综合渗透比例常数kc，所述同一类型土的综合渗透比例常数kc是一个定值；4)根据某类型土的综合渗透比例常数kc和实测的土-水特征曲线，预测这一类型土的饱和渗透系数ks；通过实测某类型土的土-水特征曲线以及步骤1)构建得到的以土-水特征曲线预测非饱和相对渗透系数的模型计算得到非饱和相对渗透系数kr；结合预测得到的土的饱和渗透系数ks及非饱和相对渗透系数kr，相乘得非饱和渗透系数kw。作为优选，本专利技术所采用的步骤1)的具体实现方式是：1.1)获取饱和土的渗透系数；所述饱和土的渗透系数是海量的连通孔隙通道的渗透系数叠加起来所形成；所述海量的连通孔隙通道组成微观孔隙通道渗透模型；所述连通孔隙通道的等效孔径大小是非等同的；所述连通孔隙通道的渗流先后顺序是非等同的；所述饱和土的渗透系数的表达式是：其中：Q为通过分析土样横截面A的总流量；A为分析土样横截面总面积；Ai为第i级孔隙通道横截面面积；J为水力坡度；di表示第i级孔隙通道等效直径；γ表示流体的重度，所述γ＝ρg；所述ρ是流体的密度；所述g是重力加速度；ks表示饱和土的渗透系数；μ表示流体的动力粘性系数；1.2)根据毛细理论建立体积含水量表示的土-水特征曲线(SWCC)与孔隙通道的关系；所述体积含水量表示的土-水特征曲线(SWCC)与孔隙通道的关系表达式为：其中：ψi表示相应于di的基质吸力；Ts为表面张力；α为土与水的接触角；di表示第i级孔隙通道等效直径；θi＝V(≤di)/VT(3)其中：θi表示相应于基质吸力ψi的体积含水量；V表示等效直径小于等于di的孔隙通道累计体积；di表示第i级孔隙通道等效直径；VT表示分析土样总体积；1.3)将步骤1.2)所得到的体积含水量表示的土-水特征曲线(SWCC)与孔隙通道的关系表达式与步骤1.1)所得到的饱和土的渗透系数相结合，得到饱和渗透系数模型，所述饱和渗透系数模型的表达式是：其中：综合比例常数kc＝γTs2cos2α/(2piμ)，式中pi是第i级孔通道实际长度与土样长度l比值,γ表示流体的重度，Ts为表面张力，α为土与水的接触角，μ表示流体的动力粘性系数，对于同一土样，所述综合比例常数为同一常数；Δθi＝θi+1-θi；所述Δθi是第i段的体积含水量改变量；ψi是表示相应于di的基质吸力；所述ψi＝(ψa+ψb)/2；所述ψa、ψb分别为di的基质吸力段的上下界限基质吸力值；1.4)当总孔隙通道有n级，且只有1～m级通道充满水，所述m<n时，则非饱和相对渗透系数模型的表达式是：其中：Δθi＝θi+1-θi；所述Δθi是第i段的体积含水量改变量；ψi是表示相应于di的基质吸力；所述ψi＝(ψa+ψb)/2；所述ψa、ψb分别为di的基质吸力段的上下界限基质吸力值。作为优选，本专利技术所采用的步骤2)的具体实现方式是：在已知不同类型土的初始状态土-水特征曲线(SWCC)的实测值的基础之上，从最小实测含水量θL至饱和含水量θmax，将土-水特征曲线SWCC划分为n段，第i段的体积含水量改变量为Δθi＝θi+1-θi，相应的等效基质吸力ψi＝(ψa+ψb)/2，其中ψa、ψb为某级基质吸力段的上下界限基质吸力值；所述i≤n。作为优选，本专利技术所采用的将土-水特征曲线(SWCC)划分为n段时采用等分的方式，所述Δθ1＝Δθ2＝…＝Δθn。作为优选，本专利技术所采用的步骤3)的具体实现方式是：测得饱和渗透系数，再根据Δθi、ψi以及式(4)得出不同类型土的综合渗透比例常数kc，所述综合渗透比例常数kc对于同一种类型土是相同的。作为优选，本专利技术所采用的步骤4)的具体实现方式是：根据土的类型，选择步骤2)中所确定的综合渗透比例常数kc；根据实测土的土水特征曲线，确定Δθi、ψi，结合饱和渗透模型(4)式，得到土的饱和渗透系数ks。作为优选，本专利技术所采用的步骤4)中非饱和渗透系数kw的具体实现方式是：根据实测土的土-水特征曲线，结合模型(5)式得非饱和相对渗透系数kr，根据非饱和相对渗透系数kr得到非饱和渗透系数kw；所述非饱和渗透系数kw的表达式是：kw(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)以微观连通孔隙通道渗流模型以及毛细理论为基础,建立以土‑水特征曲线预测饱和渗透系数的模型以及非饱和渗透系数的模型；所述微观连通孔隙通道渗流模型是海量的孔隙通道渗透系数叠加起来所形成的；2)通过压力板仪试验，测得不同类型土的土‑水特征曲线，并按体积含水量划为n等份；3)通过变水头试验，测得不同类型土的饱和渗透系数，根据步骤2)测得所对应土的土‑水特征曲线以及步骤1)构建得到的以土‑水特征曲线预测饱和渗透系数的模型得出不同类型土的综合渗透比例常数kc，所述同一类型土的综合渗透比例常数kc是一个定值；4)根据某类型土的综合渗透比例常数kc和实测的土‑水特征曲线，预测这一类型土的饱和渗透系数ks；通过实测某类型土的土‑水特征曲线以及步骤1)构建得到的以土‑水特征曲线预测非饱和相对渗透系数的模型计算得到非饱和相对渗透系数kr；结合预测得到的土的饱和渗透系数ks及非饱和相对渗透系数kr，相乘得非饱和渗透系数kw。

【技术特征摘要】
1.一种基于微观孔隙通道的饱和/非饱和渗透系数预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)以微观连通孔隙通道渗流模型以及毛细理论为基础,建立以土-水特征曲线预测饱和渗透系数的模型以及非饱和渗透系数的模型；所述微观连通孔隙通道渗流模型是海量的孔隙通道渗透系数叠加起来所形成的；2)通过压力板仪试验，测得不同类型土的土-水特征曲线，并按体积含水量划为n等份；3)通过变水头试验，测得不同类型土的饱和渗透系数，根据步骤2)测得所对应土的土-水特征曲线以及步骤1)构建得到的以土-水特征曲线预测饱和渗透系数的模型得出不同类型土的综合渗透比例常数kc，所述同一类型土的综合渗透比例常数kc是一个定值；4)根据某类型土的综合渗透比例常数kc和实测的土-水特征曲线，预测这一类型土的饱和渗透系数ks；通过实测某类型土的土-水特征曲线以及步骤1)构建得到的以土-水特征曲线预测非饱和相对渗透系数的模型计算得到非饱和相对渗透系数kr；结合预测得到的土的饱和渗透系数ks及非饱和相对渗透系数kr，相乘得非饱和渗透系数kw。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：1.1)获取饱和土的渗透系数；所述饱和土的渗透系数是海量的连通孔隙通道的渗透系数叠加起来所形成；所述海量的连通孔隙通道组成微观孔隙通道渗透模型；所述连通孔隙通道的等效孔径大小是非等同的；所述连通孔隙通道的渗流先后顺序是非等同的；所述饱和土的渗透系数的表达式是：其中：Q为通过分析土样横截面A的总流量；A为分析土样横截面总面积；Ai为第i级孔隙通道横截面面积；J为水力坡度；di表示第i级孔隙通道等效直径；γ表示流体的重度，所述γ＝ρg；所述ρ是流体的密度；所述g是重力加速度；ks表示饱和土的渗透系数；μ表示流体的动力粘性系数；1.2)根据毛细理论建立体积含水量表示的土-水特征曲线(SWCC)与孔隙通道的关系；所述体积含水量表示的土-水特征曲线(SWCC)与孔隙通道的关系表达式为：其中：ψi表示相应于di的基质吸力；Ts为表面张力；α为土与水的接触角；di表示第i级孔隙通道等效直径；θi＝V(≤di)/VT(3)其中：θi表示相应于基质吸力ψi的体积含水量；V表示等效直径小于等于di的孔隙通道累计体积；di表示第i级孔隙通道等效直径；VT表示分析土样总体积；1.3)将步骤2.2)所得到的体积含水量表示的土-水特征曲线(SWCC)与孔隙通道的关系表达式与步骤2.1)所得到的饱和土的渗透系数相结合，得到饱和渗透系数模型，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶高梁，吴小康，孔令伟，肖衡林，马强，李丽华，叶建军，甘世朝，陈银，朱学良，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42