土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法，模型构建方法包括以下步骤：S1、获取土体，分别获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；S2、基于渗透系数和孔隙比数据对表面积比例系数δ和C进行双参数非线性回归拟合，确定每类土体的表面积比例系数δ，基于表面积比例系数δ对C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；S3、确定每类土体的比表面积A

【技术实现步骤摘要】
土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法


[0001]本专利技术涉及土力学及流体力学
，具体涉及土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法。

技术介绍

[0002]渗透系数是衡量多孔介质运输水的能力的重要参数，既和流体的物理性质也和运输介质的特征有关。一个可靠的渗透系数值是饱和土沉降速度计算，边坡稳定性分析和土坝设计的关键，同时也是饮用水供应，水资源管理，水污染和废物储存工程设施建设的关键参数。渗透系数可以通过试验法和公式计算法确定。室内试验当前的难题是获取具有代表性的试样，而且经常会花费很长的时间；现场试验由于缺乏对含水层几何边界和水力边界条件的精确认知，难以获得相对准确的渗透系数值，同时现场试验通常会很昂贵。
[0003]因为试验的难度以及影响渗透系数因素的多样性和复杂性，大量学者对渗透系数的经验或半经验计算公式进行了研究，得到了以下主要影响因素：颗粒尺寸分布，颗粒形状，孔隙度，孔隙比，饱和度，粘土含量，界限含水率。
[0004]许多学者在试验工作的基础上提出了计算渗透系数的公式，其中，Hazen公式以及柯森
‑
卡门公式最为常用。Hazen提出了如下饱和砂土的渗透系数计算公式：
[0005][0006]式中，k是渗透系数(cm/s)；C
H
是Hazen经验常数；D
10
是颗粒累积分布曲线上累积含量为10％所对应的颗粒尺寸(cm)。但Hazen公式适用条件较为严苛：均匀的细砂至砾砂，不均匀系数C
u
小于5，且有效粒径D
10
在0.1至3mm之间。
[0007]柯森
‑
卡门公式是一个主要利用土体孔隙比来计算饱和渗透系数的公式：
[0008][0009]其中，k是土的饱和渗透系数(m/s)；C
s
是一个和孔隙通道的形状和弯曲度有关的常系数，取值通常为0.2；g是重力加速度(m/s2)；μ
w
是水的动力粘度(N
·
s/m2)；ρ
w
是水的密度(kg/m3)，ρ
s
是固体的密度(kg/m3)，G
s
是土颗粒的比重(G
s
＝ρ
s
/ρ
w
)，S
S
是比表面积(m2/kg)；e是孔隙比。
[0010]柯森
‑
卡门公式对砂土的适用性较好但对细颗粒土比如粉土和粘土的适用性较差，其预测结果往往会有很大的误差；这是因为该公式的提出并没有考虑土颗粒和水之间的电化学反应及有效孔隙比。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法，通过本专利技术所构建的模型计算土体渗透系数，解决现有公式计算法获得体渗透系数对细颗粒土适用性较差的问题。
[0012]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0013]土体渗透系数计算模型的构建方法，包括以下步骤：
[0014]S1、获取土体，所述土体包括砂土、粉土和粘土；分别通过实验测试获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；
[0015]S2、基于步骤S1获得的渗透系数和孔隙比数据，基于土体渗透系数推导计算模型对表面积比例系数δ和系数C进行双参数非线性回归拟合，确定每类土体的表面积比例系数δ，基于表面积比例系数δ对系数C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；
[0016]S3、确定每类土体的比表面积A
s
；
[0017]S4、基于步骤S2中得到的土体的C值与其比表面积A
s
进行相关性分析，确定系数C和土体比表面积A
s
的关系式；
[0018]S5、将步骤S4获得的关系式，以及步骤S2获得的表面积比例系数δ代入推导计算模型获得每类土体的土体渗透系数计算模型。
[0019]本专利技术所述表面积比例系数δ：土颗粒的外表面组成了液体流通管道的管道壁，在计算时通常是假设土颗粒之间没有接触或者是接触部分很少，从而认为由土颗粒的接触而产生的表面积损失很少，但实际上因为土颗粒形状和大小的差异等因素常常会存在大量的表面接触从而造成管道壁面积的折减；同时由于粘性流体在小直径管道中流动时会有部分流体粘滞在土颗粒表面也对管道壁面积进行了折减，故引进该系数来描述这些折减效应。
[0020]本专利技术在构建土体渗透系数计算模型的过程引入了表面积比例系数δ和系数C；充分考虑土颗粒和水之间的电化学反应以及有效孔隙比，使得构建的土体渗透系数计算模型能够适用于细颗粒土。相比现有的柯森
‑
卡门公式，提高了对细颗粒土渗透系数计算结果的准确度。
[0021]有效孔隙比：饱和细粒土中的水包括孔隙中的自由水和吸附在黏土颗粒表面的结合水；对于细粒土而言，能够自由流通的水所占据的孔隙才是对渗透系数有影响的，或者说是有效的。
[0022]进一步地，步骤S1中，测试渗透系数和孔隙比的方法包括定水头渗透试验，变定水头渗透试验和固结试验。
[0023]进一步地，步骤S2中，所述推导计算模型以柯森
‑
卡门公式为基础，根据达西渗流定律、哈根
‑
泊肃叶定律、流体流经圆形毛细管道的流量计算公式，并引入表面积比例系数δ构建。
[0024]进一步地，推导计算模型如下：
[0025][0026]式中，k
sat
是渗透系数，单位为cm/s，δ为表面积比例系数，e为孔隙比。
[0027]进一步地，步骤S3中，对于粗颗粒土(砂土)，利用完整的颗粒尺寸分布曲线计算比表面积，对于细粒土(粉土和粘土)，采用基于液限构建的关系式计算比表面积。
[0028]进一步地，粗颗粒土的比表面积计算模型如下：
[0029][0030]式中，C
u
＝D
60
/D
10
，是土的不均匀系数；D
60
,D
50
,D
10
是累积质量为60％，50％，10％所
对应的粒径；ρ
w
是水的密度，单位为kg/m3，G
s
是土颗粒的比重，G
s
＝ρ
s
/ρ
w
；ρ
s
是固体的密，单位为kg/m3。
[0031]进一步地，细粒土的比表面积计算模型如下：
[0032][0033]式中，A
S
为细粒土比表面积，LL为液限。
[0034]进一步地，步骤S5中，砂土、粉土和粘土的渗透系数计算模型如下：
[0035]砂土：
[0036]粉土：
[0037]粘土：
[0038]式中，k
sat
是渗透系数，单位为cm/s，A
S
为细粒土比表面积，e为孔隙比。
[0039]土体渗透系数的获取方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取土体，所述土体包括砂土、粉土和粘土；分别通过实验测试获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；S2、基于步骤S1获得的渗透系数和孔隙比数据，基于土体渗透系数推导计算模型对表面积比例系数δ和系数C进行双参数非线性回归拟合，确定每类土体的表面积比例系数δ，基于表面积比例系数δ对系数C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；S3、确定每类土体的比表面积A
s
；S4、基于步骤S2中得到的土体的C值与其比表面积A
s
进行相关性分析，确定系数C和土体比表面积A
s
的关系式；S5、将步骤S4获得的关系式，以及步骤S2获得的表面积比例系数δ代入推导计算模型获得每类土体的土体渗透系数计算模型。2.根据权利要求1所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中，测试渗透系数和孔隙比的方法包括定水头渗透试验，变定水头渗透试验和固结试验。3.根据权利要求1所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，步骤S2中，所述推导计算模型以柯森
‑
卡门公式为基础，根据达西渗流定律、哈根
‑
泊肃叶定律、流体流经圆形毛细管道的流量计算公式，并引入表面积比例系数δ构建。4.根据权利要求3所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，所述推导计算模型如下：式中，k
sat
是渗透系数，单位为cm/s，δ为表面积比例系数，e为孔隙比。5.根据权利要求1所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，步骤S3中，对于粗颗粒土，利用完整的颗粒尺寸分布曲线计算比表面积，对于细粒土，采用细粒土采用基于液限构建的关系式计算比表面积。6.根据权利要求5所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，粗颗粒土的比表面积计算模型如下：式中，C<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑宇豪，肖华波，吴章雷，梅稚平，钟雨田，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：