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非饱和土渗透系数瞬态剖面测量方法及仪器的改进

张玉莲  
【摘要】:瞬态剖面法是一种常用的非饱和土渗透系数测量方法。该方法通过测量沿土柱试样内部水流方向分布点的体积含水量和负孔隙水压力值,拟合得到体积含水量和负孔隙水压力分布剖面,由此确定流速和水力梯度。在测量原始数据的过程中,不同的研究者采用的测量点间距和测量时间间隔不同。此外,对于体积含水量分布函数拟合方法以及水力梯度计算方法的选择也因人而异。因此,研究上述因素对瞬态剖面法量测非饱和土渗透系数精度的影响,优化数据处理方法对于提高渗透系数的测量精度很有必要。另外,现有的非饱和土渗透系数瞬态剖面法测量仪器无法测得蒸发过程中的蒸发量,以至无法测得蒸发过程中非零流量边界条件下的渗透系数。因此,对仪器进行改进设计以扩大其使用范围也是有必要的。 本文利用有限元方法代替渗透试验得到原始的体积含水量和负孔隙水压力离散数据,然后选用不同的数据处理方法计算渗透系数,将计算结果与有限元方法中使用的渗透系数函数进行比较,结果显示: (1)对于砂土:采用向后差分法计算水力梯度、线性方程拟合体积含水量分布函数给渗透系数计算结果带来的误差最小; (2)对于粉土:采用中心差分法计算水力梯度、三次样条曲线拟合体积含水量分布函数给渗透系数计算结果带来的误差最小; (3)对于粘土:采用中心差分法计算水力梯度、三次样条曲线拟合体积含水量分布函数给渗透系数计算结果带来的误差最小; (4)对于砂土、粉土和粘土,渗透系数的测量精度随着测量点位置间距和测量时间间隔的增大而减小;受测量时间间隔的影响尤其明显,2倍的测量时间间隔带来近于2倍的误差。 上述研究优化了瞬态剖面法的数据处理方法,为数据处理方法的选择提供了参考依据,提高了使用瞬态剖面法测量渗透系数的精度。 在上述研究的基础上对渗透仪器进行改进设计,确定传感器的埋设位置、间距。另外在仪器顶部增加一个密闭空间,内部放有电子天平和干燥剂,用来测量蒸发边界的蒸发量,通过试验验证改进仪器的功能性。按照优化的数据处理方法对试验数据进行处理,对测量结果进行分析可知改进的渗透仪器的功能良好。该仪器操作简单,成本低廉,可以简便快速地测得蒸发量。


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