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系非常難以確定。眾多學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)驗模型，然而目前還沒有一個經(jīng)驗模型得到廣泛推廣，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獲得非飽和土滲透性函數(shù)的數(shù)值求解式，然后結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表示基質勢h對于體積含水量θ求導；
　　△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，便可得出相應體積含水量對應的滲透系數(shù)，與時間無關；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置的砂土、粉質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系，將不同△z對應的體積含水量和時間的關系與土水特征曲線導數(shù)關系代入

5、式（1）和式（2），結果發(fā)現(xiàn)：不同的△z、不同的土類型對滲透性函數(shù)預測精度有較大影響。式（1）可以用來初步預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）對粉質粘土和粘土的數(shù)值試驗結果基本一致，但是在較低體積含水量時計算結果會出現(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。在反復試驗基礎上，總結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。在試驗基礎上，通過推導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的非飽和滲透系數(shù)，再利用First Optimization數(shù)學優(yōu)化分析軟件以冪函數(shù)的形式對體積含水量及對應的非飽和滲透系數(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，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、針對推導的非飽和土滲透性函數(shù)表達式，