基于室内试验和非饱和水力参数反演的透水沥青路面降雨入渗评价方法

1.本发明涉及一种基于室内试验和非饱和水力参数反演的透水沥青路面降雨入渗分析技术,属于道路工程路面透水性能分析技术领域。


背景技术：

2.国内对于透水沥青路面降雨入渗模型研究主要集中基于饱和渗流理论基础上，对于非饱和-饱和降雨入渗研究很少，研究多孔介质的的饱和-非饱和渗流，材料的非饱和渗透系数确定是研究问题的关键。在非饱和土理论中，非饱和渗透系数主要受含水量影响，是含水量的函数。而非饱和渗透系数的测试比较困难。由于测试方法的困难目前国内外透水沥青混合料的非饱和水力参数(土水特征参数和非饱和渗透系数)很少，主要采用土壤转换公式等经验法获取。
3.东南大学张磊教授公开的发明cn109342295b中通过渗透实验可获取部分水文参数如饱和渗透系数、饱和体积含水量，但van genuchten-mualem模型中的与空隙进气压力相关的参数α、孔径分布拟合参数n无法通过试验获取。
4.利用材料的级配曲线可以获得材料的土水特征参数，但是这一计算过于繁杂，影响该方法的推广。
5.因此，简单快速确定透水沥青路面结构的非饱和参数的方法成为研究的重点。


技术实现要素：

6.针对现有透水沥青路面非饱和水力参数获取困难，用经验值进行降雨入渗模拟不够准确，本发明提出一种基于室内试验和非饱和水力参数反演的透水沥青路面降雨入渗评价方法，利用实际降雨监测数据进行参数反演获得透水沥青路面非饱和水力参数，能够有效预测透水沥青路面的主要非饱和水力参数并对其降雨入渗进行准确评价。
7.一种基于室内试验和非饱和水力参数反演的透水沥青路面降雨入渗评价方法，包括以下步骤：
8.步骤10)构建室内透水沥青路面降雨入渗试验装置，所述室内透水沥青路面降雨入渗试验装置包括：降雨单元，用于模拟降雨；透水沥青路面结构；土壤湿度数据采集仪，用于采集透水沥青路面结构中土壤湿度；出流数据采集仪，用于采集透水沥青路面结构底部出流量数据；
9.步骤20)通过试验确定所述透水沥青路面结构各透水结构层的空隙率、含水率和底部出流数据；
10.步骤30)利用有限元软件建立与透水沥青路面结构尺寸相同的模型，并将两侧边界条件理想地认为是无通量条件，底部为渗流面边界条件，该边界条件在多孔介质饱和雨水可以渗出，形成底部出流，当底部多孔介质处于非饱和状态时则停止出流；
11.步骤40)对透水沥青路面结构的van genuchten-mualem模型非饱和水力参数进行
反演；
12.步骤50)结合步骤40)得到的非饱和水力参数，对透水沥青路面结构进行降雨入渗分析，并将模拟结果与试验结果进行比较，引入nash-sutcliffe系数对结果进行评价；
13.步骤60)分析降雨强度对透水沥青路面结构降雨入渗过程的影响。
14.所述步骤30)中，所述透水沥青路面结构包括：
15.呈圆柱形结构的试样筒，试样筒内从上往下装填有多层透水结构层，采用轴对称垂直二维坐标系建立非饱和水力模型，划分三角单元网格。
16.所述步骤40)中非饱和水力参数反演的最小目标函数如式(4)：
[0017][0018]
式中，mq表示为不同测量类别的数目；
[0019]nqj
表示同种测量值类别中不同时间空间上的观测数目；
[0020]
表示第i时刻第j个观测点在x位置的具体观测值；
[0021]
qj(x,ti,b)表示第i时刻第j个观测点在x位置的相应参数(如θr、θs、α、n、m、ks等)的模型计算值；
[0022]
vj,w
i,j
表示某一观测值和观测点的权重；
[0023]
其中m
p
表示不同水力特性参数的数目；
[0024]npj
表示同种水力特性参数在不同时间空间的观测数目；
[0025]
表示第i个水力特性参数第j个观测点在x位置的具体观测值；
[0026]
pj(x,θi,b)表示表示第i个水力特性参数第j个观测点在x位置的模型计算值；
[0027]
表示某一水力特性参数的观测值和观测点的权重；
[0028]
表示某一水力特性参数的迭代前数值；
[0029]bj
(x)表示某一水力特性参数的迭代后数值；
[0030]
表示某一水力特性参数权重。
[0031]
所述步骤50)中，采用的nash-sutcliffe系数计算公式如式(5)：
[0032][0033]
式中，q
obs,i
表示透水沥青路面底部出流试验观测值；
[0034]qsim,i
表示透水沥青路面模型底部出流模拟值；
[0035]
表示底部出流观测平均值。
[0036]
所述步骤60)中，利用模拟所得底部出流响应分析降雨强度对透水沥青路面结构降雨入渗过程的影响，具体分析方式为，根据得到的不同降雨强度下的底部出流响应模拟
值，分析降雨强度对底部出流延迟时间、出流峰值、滞留率的影响，从而得到透水沥青路面结构应对不同降雨事件的排水能力、储水能力。
[0037]
有益效果：
[0038]
1、本发明考虑饱和渗流理论无法准确分析透水沥青路面的降雨入渗和滞蓄作用，非饱和水力参数的通过试验获取又较为复杂，通过室内试验获取的初始数据进行非饱和水力参数反演，最终实现对透水沥青路面的降雨入渗分析，评价结果更加合理准确。
[0039]
2、本发明利用有限元软件建立与室内试验同尺寸模型，进行van genuchten-mualem模型非饱和水力参数反演，相较于饱和渗流理论，更加符合透水沥青路面降雨入渗的实际状态。
[0040]
3、本发明将室内试验与非饱和水力参数反演相结合，实现对透水沥青路面结构的降雨入渗分析，评价不同降雨强度对其底部出流响应(出流延迟时间、出流峰值、滞留率)的影响。
附图说明
[0041]
图1为本发明基于室内试验和非饱和水力参数反演的透水沥青路面降雨入渗评价方法流程图；
[0042]
图2为本发明室内透水沥青路面降雨入渗试验系统示意图：
[0043]
其中，1为供水装置，2为蠕动泵，3为花洒，4为钢丝网，5为接头，6为传感器，7为土工布，8为水阀；
[0044]
图3为透水沥青路面结构有限元模型示意图；
[0045]
图4为透水路面底部出流模拟值和观测值示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
[0047]
本发明实施例提出一种基于室内试验和非饱和水力参数反演的透水沥青路面降雨入渗评价方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0048]
步骤10)设计室内透水沥青路面降雨入渗试验系统，分为三部分组成：透水沥青路面各结构，包括：呈圆柱形结构的试样筒，试样筒内从上往下装填有多层透水结构层，试样筒为长1000mm直径，160mm有机玻璃管，内部为透水沥青路面各结构层；
[0049]
降雨系统，包括供水装置，蠕动泵，花洒；
[0050]
数据收集系统，包括土壤湿度数据采集仪和出流数据采集仪。
[0051]
在步骤10)中，对湿度传感器进行了标定，结果为y＝0.621x-0.425，确定了蠕动泵转速(x)与降雨强度(y)之间的关系式为y＝3.48x-1.69。
[0052]
步骤20)通过试验确定透水沥青路面结构各结构层的空隙率，设计一种透水沥青路面结构组合，对该结构组合的降雨入渗过程实时监测，得到不同位置含水量和出流量，用于后续模拟输入。
[0053]
步骤30)利用有限元软件建立与室内试验尺寸相同的模型，并依据实际将两侧边界条件理想地认为是无通量条件，装置底部为渗流面边界条件，该边界条件在多孔介质饱和雨水可以渗出，形成底部出流，当底部多孔介质处于非饱和状态时则停止出流。
[0054]
在步骤30)中，考虑到研究试验装置为圆柱形，因此采用轴对称垂直二维坐标系建立有限元模型，划分三角单元网格。
[0055]
步骤40)结合步骤20)得到的底部出流实测数据，对透水沥青路面结构的van genuchten-mualem模型非饱和水力参数进行反演。
[0056]
步骤40)中，非饱和水力参数反演本质是不断迭代方程，并通过最小化目标函数来实现参数的选定，非饱和水力参数反演的最小目标函数如式(4)：
[0057][0058]
上式中，mq表示为不同测量类别的数目；n
qj
表示同种测量值类别中不同时间空间上的观测数目；表示第i时刻第j个观测点在x位置的具体观测值；qj(x,ti,b)表示第i时刻第j个观测点在x位置的相应参数(如θr、θs、α、n、m、ks等)的模型计算值；vj,w
i,j
表示某一观测值和观测点的权重；其中m
p
表示不同水力特性参数的数目；n
pj
表示同种水力特性参数在不同时间空间的观测数目；表示第i个水力特性参数第j个观测点在x位置的具体观测值；pj(x,θi,b)表示表示第i个水力特性参数第j个观测点在x位置的模型计算值；,b)表示表示第i个水力特性参数第j个观测点在x位置的模型计算值；表示某一水力特性参数的观测值和观测点的权重；表示某一水力特性参数的迭代前数值；bj(x)表示某一水力特性参数的迭代后数值；表示某一水力特性参数权重。
[0059]
步骤50)结合步骤40)得到的非饱和水力参数，对透水沥青路面结构进行降雨入渗分析，并将模拟结果与试验结果进行比较，引入nash-sutcliffe系数(nse)对结果进行评价。
[0060]
在步骤50)中，采用的nash-sutcliffe系数计算公式如式(5)：
[0061][0062]
上式中，q
obs,i
表示透水沥青路面底部出流试验观测值；q
sim,i
表示透水沥青路面模型底部出流模拟值；表示底部出流观测平均值。
[0063]
步骤60)分析降雨强度对透水沥青路面结构降雨入渗过程的影响。
[0064]
在步骤60)中，利用模拟所得底部出流响应(出流延迟时间、出流峰值、滞留率)分析降雨强度对透水沥青路面结构降雨入渗过程的影响。
[0065]
以下是对本发明实施例方法的一个具体应用。
[0066]
步骤一、构建室内透水沥青路面降雨入渗试验系统，如图二所示。
[0067]
步骤二、确定一种透水沥青路面结构，即：透水沥青面层10cm+大空隙沥青碎石基层8cm+级配碎石30cm+砂垫层20cm并通过试验得到各结构层空隙率，具体路面结构为：pac-13(空隙率16.5％)4cm+pac-20(空隙率19.7％)6cm+lspm-25(空隙率20.3％)8cm+gm级配碎
石30cm+砂垫层20cm。
[0068]
步骤三、利用hydrus软件建立与室内试验尺寸相同的模型，考虑到研究试验装置为圆柱形，因此采用轴对称垂直二维坐标系，划分三角单元网格，网格大小为0.5cm，网格数为6660，利用hydrus模拟还需如下假设：
①
单层材料各向均质；
②
水流只从材料内部渗出。因此将两侧边界条件理想地认为是无通量条件，装置底部为渗流面边界条件。具体hydrus模型如图3。
[0069]
步骤四、对透水沥青路面结构的van genuchten-mualem模型非饱和水力参数进行反演，考虑软件迭代速率的限制，本试验并不是对所有材料vg模型参数进行反演。多孔介质的vg模型中，θs、θr、α、n是影响多孔介质材料的主要因素。一般认为，多孔介质饱和时，其饱和体积含水率取决于空隙率，因此θs已知。其余各材料参数迭代范围和初始值如表1。
[0070]
表1各材料参数取值范围和初始值
[0071][0072]
利用hydrus结合试验观测数据反演的透水沥青路面结构vg模型参数汇总在表2.
[0073]
表2透水沥青路面结构材料vg模型参数
[0074][0075]
步骤五、结合步骤四得到的非饱和水力参数，对透水沥青路面结构进行降雨入渗
分析，并计算得透水路面结构的底部出流模拟值和试验观测值的nse系数值为0.974。
[0076]
图4为模拟值和观测值示意图，二者较为接近，表明模拟结果合理可信。
[0077]
步骤六、研究不同降雨强度条件下的透水沥青路面结构降雨入渗响应，降雨强度分别为3mm/min，6mm/min，9mm/min，12mm/min。
[0078]
将不同降雨强度下透水沥青路面结构底部出流响应整理于表3
[0079]
表3不同降雨强度下透水沥青路面结构底部出流响应
[0080][0081]
由表3数据可知，透水沥青路面结构底部出流峰值随降雨强度增大而增大，而出流延迟时间和滞留率随降雨强度增大而减小。
[0082]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。