非飽和土滲透性函數(shù)確定方法探討.pdf

1、地球表面覆蓋著的土體大部分處于非飽和狀態(tài)。在常見的巖土工程中，如邊坡工程、基礎(chǔ)工程、大壩、污染物遷移等非飽和滲流分析中，非飽和土滲透性函數(shù)的確定是一個關(guān)鍵問題。土的滲透系數(shù)隨著飽和度的減小能減小幾個數(shù)量級，非飽和滲透系數(shù)與土體含水量之間的關(guān)系非常難以確定。眾多學(xué)者為此提出了很多不同形式的非飽和土滲透性函數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停欢壳斑€沒有一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷玫綇V泛推廣，因此，非飽和土的滲透性函數(shù)最好通過試驗測出。
　　傳統(tǒng)的獲取非飽和滲透性函數(shù)

2、的試驗方法分為穩(wěn)態(tài)流方法和非穩(wěn)態(tài)流方法，不僅試驗儀器昂貴而且試驗過程費時。為此，本文將通過對土壤水分運動基本控制方程的偏微分形式進行推導(dǎo)獲得非飽和土滲透性函數(shù)的數(shù)值求解式，然后結(jié)合非飽和滲流試驗研究開發(fā)一種能快速確定非飽和土滲透性函數(shù)的儀器和方法。主要開展的工作和取得的成果如下：
　　1、在分析土壤水分運動基本控制方程（Richards方程）的偏微分形式基礎(chǔ)上，利用前向歐拉法和后向歐拉法分別獲得了僅含距離△z一個變量以及含有時間△

3、t和距離△z兩個變量的兩種非飽和滲透性函數(shù)表達式，具體形式為：此公式省略.
　　式中：
　　Kt表示體積含水量θt對應(yīng)的滲透系數(shù)；
　　Ks表示飽和滲透系數(shù)；
　　'(θ)(e)h/(e)θ表示基質(zhì)勢h對于體積含水量θ求導(dǎo)；
　　△z表示測定體積含水量θt隨時間t變化測點處距離水土接觸面的距離；
　　θs表示飽和體積含水量。
　　在恒水頭邊界條件下，對于式（1），只需要知道至少一個測點的體積含水

4、量，便可得出相應(yīng)體積含水量對應(yīng)的滲透系數(shù)，與時間無關(guān)；對于式（2），則除了需要知道至少一個測點的體積含水量之外，還需要知道時間t。
　　2、借助通用商業(yè)非飽和滲流軟件 HYDRUS-1D，采用數(shù)值試驗的方法驗證了非飽和滲透系數(shù)式（1）、式（2）的可靠性，數(shù)值試驗選取了軟件內(nèi)置的砂土、粉質(zhì)粘土和粘土三種不同類型的土，通過計算得到不同位置△z下體積含水量隨時間的變化關(guān)系，將不同△z對應(yīng)的體積含水量和時間的關(guān)系與土水特征曲線導(dǎo)數(shù)關(guān)系代入

5、式（1）和式（2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同的△z、不同的土類型對滲透性函數(shù)預(yù)測精度有較大影響。式（1）可以用來初步預(yù)測土的非飽和滲透性函數(shù)，但是不同類型土的△△z值難以從理論上確定。式（2）對粉質(zhì)粘土和粘土的數(shù)值試驗結(jié)果基本一致，但是在較低體積含水量時計算結(jié)果會出現(xiàn)負值，這與實際情況不符。為此，將式（1）和式（2）聯(lián)合起來對非飽和土的滲透性函數(shù)進行預(yù)測，即在較低含水量采用式（1），在較高體積含水量時采用式（2）。
　　3、針對本文推導(dǎo)的非

6、飽和土滲透性函數(shù)表達式，開發(fā)了新的非飽和土滲透試驗儀，該儀器可開展固定水頭邊界條件下的垂直一維非飽和入滲試驗，設(shè)定一個體積含水量傳感器在距離水土接觸面5cm處，水頭邊界條件控制為2.5cm。在反復(fù)試驗基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套適用于本非飽和滲透儀的試驗方法，對試驗中存在的問題進行了探討。
　　4、利用自制非飽和滲透儀對重塑粉質(zhì)粘土試樣開展了非飽和滲透試驗研究。通過 Tempe儀獲取了重塑粉質(zhì)粘土試樣的土壤水分特征曲線數(shù)據(jù)，采用 VG模型進

7、行擬合獲得土壤水分特征曲線函數(shù)。通過非飽和滲透試驗測得了測點處體積含水量隨時間變化的規(guī)律。在試驗基礎(chǔ)上，通過推導(dǎo)的非飽和土滲透性函數(shù)表達式（1）和（2），獲得了各不同體積含水量對應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)，再利用First Optimization數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件以冪函數(shù)的形式對體積含水量及對應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)的系列數(shù)據(jù)進行擬合，最終確定了土樣的非飽和滲透性函數(shù)。
　　5、將確定的非飽和滲透性函數(shù)代入非飽和滲流分析軟件Seep/w對非飽和

8、入滲試驗進行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，表明利用本文提出的方法確定的非飽和土滲透性函數(shù)是可靠的。
　　主要貢獻和創(chuàng)新點如下：
　　1、通過離散化Richards偏微分方程從理論上獲得了兩種非飽和土滲透性函數(shù)的表達式，一種是以體積含水量和時間為變量的非飽和土滲透性函數(shù)的表達式，另外一種只與空間間距△z有關(guān)，通過數(shù)值試驗分析了其影響因素，并驗證了其可靠性和適用性。
　　2、針對推導(dǎo)的非飽和土滲透性函數(shù)表達式，