一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法技术

本发明专利技术公开了一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，包括如下步骤：基于微观渗透通道的起始水力梯度，构建饱和黏性土非线性渗透分形模型；利用所述饱和黏性土非线性渗透分形模型，计算得到不同水力梯度下饱和黏性土的渗流速度预测值，通过所述渗流速度预测值对不同水力梯度下饱和黏性土的渗流状态进行预测

【技术实现步骤摘要】
一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程领域，特别是一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法
。

技术介绍

[0002]饱和黏性土的非线性渗透现象是一种低渗透介质渗流现象，它的推导预测与海洋工程
、
石油勘探与开发
、
岩土工程等领域紧密联系，由于低渗透介质非均质性
、
渗透性较小等特性导致其渗流过程的机理相较复杂难以进行预测，对隧道工程的设计和堤坝防渗等重大项目的开展都带来了巨大的考验
。
因此，如何准确且简便地预测低渗透介质非线性渗透是对隧道工程的设计和堤坝防渗具有科学的指导作用
。
[0003]然而，目前非线性渗透多以经验公式为主，而已有理论预测模型，如陶高梁等人所提出的非线性渗透模型
(Tao G,Huang Z,Xiao H,et al.A new nonlinear seepage model for clay soil considering the initial hydraulic gradient of microscopic seepage channels[J].Computers and Geotechnics,2023,154:105179.)
，对饱和黏性土非线性渗透的预测计算较为复杂，部分理论预测模型无法进行不同水力梯度下非线性渗透的连续性预测，预测效果也有待提高
。
故需要提出一种更加有效的预测手段用于解决现有预测方法所存在的不足r/>。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，用于解决现有非线性渗透模型无法进行不同水力梯度下非线性渗透的连续性预测，且预测精度较低的问题
。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，包括如下步骤：
[0006]S1.
基于微观渗透通道的起始水力梯度，构建饱和黏性土非线性渗透分形模型；
[0007]S2.
利用所述饱和黏性土非线性渗透分形模型，计算得到不同水力梯度下饱和黏性土的渗流速度预测值，通过所述渗流速度预测值对不同水力梯度下饱和黏性土的渗流状态进行预测；
[0008]所述饱和黏性土非线性渗透分形模型的表达式为：
[0009][0010]其中，所述的
v
s
为渗流速度，所述
k
c
表示渗透常数，所述
θ
s
表示饱和黏土的体积含水率，所述
D
表示分维数，所述
ψ
a
表示土体进气值，所述
ψ
i
第
i
级孔隙通道对应的基质吸力，且
i
为大于或等于1的正整数；
c
表示不同尺寸的孔隙通道中发生饱和渗流时的起始水压差与利用轴平移技术测得的基质吸力之间的关联系数；
ρ
表示水密度，
g
表示重力加速度，
L
表示土体实际长度，
I
表示土体实际水力梯度
。
[0011]本专利技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，本专利技术提供了一种预测饱和黏性
土非线性渗透的分形方法，以陶高梁提出的非线性渗透模型为基础结合分形理论，提出了考虑微观渗透通道起始水力梯度的新的饱和黏性土非线性渗透分形模型，解决了陶高梁的非线性渗透模型的局限性；该模型能对非线性渗透进行连续性预测，简化现有非线性渗透模型计算步骤，弥补了现有非线性渗透模型只能进行散点值预测而无法进行连续预测的不足，提高了预测精度，为饱和黏性土渗透的理论体系的系统建立提供了一种新的理论方法
。
附图说明
[0012]图1是本专利技术中基于土壤水分特征曲线
SWRC
的孔隙渗流通道的分布特征模型图；
[0013]图2是本专利技术中土体孔隙渗透通道分形剖面图；
[0014]图
3a
是本专利技术实施例1中湖南红黏土的
SWCC
曲线的分形维数求解图；
[0015]图
3b
是本专利技术实施例2中湖南红黏土的
SWCC
曲线的分形维数求解图；
[0016]图
3c
是本专利技术实施例3中湖南红黏土的
SWCC
曲线的分形维数求解图；
[0017]图
4a
是本专利技术实施例1中饱和湖南黏性土渗流速度实测值与预测值对比图；
[0018]图
4b
是本专利技术实施例2中饱和湖南黏性土渗流速度实测值与预测值对比图；
[0019]图
4c
是本专利技术实施例3中饱和湖南黏性土渗流速度实测值与预测值对比图
。
具体实施方式
[0020]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例
。
基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本专利技术保护的范围
。
[0021]对于本专利技术中所提出的预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，具体步骤如下：
[0022]S1.
基于微观渗透通道的起始水力梯度，构建饱和黏性土非线性渗透分形模型
。S1
的具体步骤如下：
[0023]S11.
构建基于土壤水分特征曲线
SWRC
的孔隙渗流通道的分布特征模型
。
该步骤中，
SWRC
表示基质吸力
‑
饱和度表征的土水保持曲线，图2中该模型的土壤颗粒中具有若干孔径不等的孔隙通道，渗流的孔隙通道记为渗流孔，而未渗流的孔隙通道记为无渗流孔
。
具体地，当基质吸力达到土体进气值
ψ
a
时，土体最大尺寸的孔隙通道开始排水，对应的孔隙通道孔径为
r1，当基质吸力增加到
ψ2时，第二大尺寸的孔隙通道开始排水，此时对应的孔隙通道孔径为
r2，基质吸力不断增加，当基质吸力增加达到
ψ
i
时，第
i
级孔隙通道开始排水，对应土体中的孔隙通道孔径为
r
i
，而孔径从
r
i+1
到
r
n
段的孔隙通道并未排水，即随着基质吸力的逐渐增大，孔径较小的孔隙通道将逐渐开始排水，进而获得如图1所示关于基质吸力
‑
体积含水率的土壤水分特征曲线
SWRC。
[0024]S12.
基于孔隙渗流通道的分布特征模型，得到土体的饱和渗透系数
k
s
。
该步骤中，对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.
基于微观渗透通道的起始水力梯度，构建饱和黏性土非线性渗透分形模型；
S2.
利用所述饱和黏性土非线性渗透分形模型，计算得到不同水力梯度下饱和黏性土的渗流速度预测值，通过所述渗流速度预测值对不同水力梯度下饱和黏性土的渗流状态进行预测；所述饱和黏性土非线性渗透分形模型的表达式为：其中，所述的
v
s
为渗流速度，所述
k
c
表示渗透常数，所述
θ
s
表示饱和黏土的体积含水率，所述
D
表示分维数，所述
ψ
a
表示土体进气值，所述
ψ
i
第
i
级孔隙通道对应的基质吸力，且
i
为大于或等于1的正整数；
c
表示不同尺寸的孔隙通道中发生饱和渗流时的起始水压差与利用轴平移技术测得的基质吸力之间的关联系数；
ρ
表示水密度，
g
表示重力加速度，
L
表示土体实际长度，
I
表示土体实际水力梯度
。2.
根据权利要求1所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述
S1
步骤具体包括：
S11.
构建基于土壤水分特征曲线
SWRC
的孔隙渗流通道的分布特征模型；
S12.
基于孔隙渗流通道的分布特征模型，得到土体的饱和渗透系数
k
s
；
S13.
构建考虑微观渗透通道起始水力梯度的黏性土非线性渗透简化模型；
S14.
基于土体孔隙的分形特征模型，得到不同水力梯度下饱和黏性土非线性渗透分形模型
。3.
根据权利要求2所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述
S11
步骤中，基于土壤水分特征曲线
SWRC
的孔隙渗流通道的分布特征模型的土壤颗粒中具有若干孔径不等的孔隙通道，渗流的孔隙通道记为渗流孔，而未渗流的孔隙通道记为无渗流孔；当基质吸力达到土体进气值
ψ
a
时，土体最大尺寸的孔隙通道开始排水，对应的孔隙通道孔径为
r1；当基质吸力增加达到
ψ
i
时，第
i
级孔隙通道开始排水，对应土体中的孔隙通道孔径为
r
i
，而孔径从
r
i+1
到
r
n
段的孔隙通道并未排水
。4.
根据权利要求2所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述
S12
步骤中，土体饱和渗透系数
k
s
的表达式为：式中，
k
s
为土体的饱和渗透系数，
k
c
为渗透常数，
Δθ
i
为体积含水率的变化量，
ψ
i
为第
i
级孔隙通道排水时所对应的基质吸力
。5.
根据权利要求2所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶高梁，毛浓，彭湃，肖衡林，马强，李丽华，朱志政，周恒洁，汤文星，郭凌三，杨传晖，
申请(专利权)人：武昌理工学院，
类型：发明
国别省市：