一种同步获取非饱和土渗流特性的试验装置及试验方法

本发明属于非饱和土渗流特征曲线及渗透系数测量研究领域，具体涉及一种同步获取非饱和土渗流特性的试验装置及试验方法。

背景技术：

1、非饱和土在自然界中分布较为广泛，地球地表上的沉积土大部分为非饱和土。非饱和土是由固-液-气组成的多孔介质材料，其渗流过程普遍存在于自然界中。在大型水利水电、交通、高放射性废物地质处置、深部资源开采、油/气能源地下储存、地下空间利用等工程建设中，均与非饱和土渗流过程有关。

2、非饱和土渗流过程实际受到土体内部水力梯度的驱动作用，一方面，土体孔隙水之所以能从湿土向干土进行迁移，其原因是受到土体内部孔隙气压力与水压力之差——基质吸力的牵引作用的影响；另一方面，土体渗流速率的快慢由土体孔隙内部含水量、孔隙介质颗粒性质、孔隙尺寸及组成结构等固有因素有关。因此开展非饱和土渗流研究需要有基本参数描述上述两类非饱和渗流问题。

3、土水特征曲线与渗透函数是表征非饱和土渗流特性的重要参数，是研究非饱和土的应力、变形等众多特性的基础。其中土水特征曲线描述的是基质吸力与土体饱和度的关系，渗透函数描述的是相对渗透系数与土体饱和度的关系；在实际工程中，土孔隙中不仅有水相的流动，也有气相的流动，由于气相的存在，使得土中水分运移规律更加复杂，因此考虑水气耦合作用的两相流模型更能准确地描述非饱和土中水与空气的流动情况。故在此理论下，非饱和土渗流特性分为土水特征曲线、水相渗透函数、气相渗透函数三大指标。

4、目前，针对上述三大指标的测量一般采用直接测量法，首先是土水特征曲线的获取，常用的测试方法有轴平移技术(仪器有压力板仪、三轴仪、temple仪、gds仪等)、张力计法、饱和溶液法等。以传统方法轴平移技术为例，其方法具有精确度较高，数据可靠的优势；但由于受到陶土板的限制，其测量范围有限，测试时间长，试验受人为操作影响较大，测量仪器昂贵等问题；再谈水、气渗透函数的获取，其主要方法分为瞬态法与稳态法，按照试验原理的不同，获取水、气相对渗透系数的仪器各不相同，故水、气相对渗透系数的试验获取方法不仅分开进行，且采用各自昂贵的实验仪器。

5、因此作为间接推测法的代表——数值反演法是诸多非饱和土学者的选择。数值反演法是通过假定土水特征曲线与渗透函数均可由有限个未知参数的数学表达式来表达，开展试验获取土体数据后，假定方程初始参数值，再带入方程，将计算值与实验值进行比较，当两者相等时，即认为假定数据即为真实值。但在非饱和土渗流数值反演的研究中，大多研究模型只是采用了简化的单相流模型，而忽略了气相的影响，这种简化对于实际工程(野外常见的非饱和土非均质层状结构、不同入渗或泄露速率的情况)可能会引起较大的误差。

6、综上，对于上述测量方法，均无法普遍提供一种同步获取土体基质吸力～饱和度相对关系、水、气相对渗透系数～饱和度相对关系这三项基本参数的方法，因此急需一种同步获取非饱和土渗流特性的试验装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述问题，提供一种同步获取非饱和土渗流特性的试验装置及试验方法，该方法通过简易试验获取土体饱和度、土体失水量等参数，带入水气两相流程序后，同时获取土水特性曲线，水相渗透函数与气相渗透函数，实现了对非饱和渗流过程物理参数的实时测量。

2、本发明的技术方案是主动促进泥石流分级滑落的方法，包括以下步骤，

3、一种同步获取非饱和土渗流特性的试验装置，装置包括有空压机、底座、圆柱土样室和干燥室，所述底座为内中空结构，圆柱土样室为圆筒型结构，所述圆柱土样室的下端面与底座的上端面活动连接并相互连通，圆柱土样室的上端面安设有旋盖，圆柱土样室的侧壁通过第一气管连通空压机，底座两侧通过第二气管和第三气管分别连通干燥室两侧，所述第三气管上安设有微型气泵，底座和圆柱土样室的内部设有监测装置。

4、优选的方案中，底座的上端面设置有安装槽，圆柱土样室的底部通过安装槽与底座插接，圆柱土样室的底部面设置有托土网，压实土样在试验过程中放置于托土网上。

5、优选的方案中，监测装置包括土壤水分传感器和空气温湿度传感器，所述土壤水分传感器的探针设置在圆柱土样室的底部，空气温湿度传感器放置在底座的内部。

6、优选的方案中，圆柱土样室的两侧设置有刻度窗。

7、优选的方案中，干燥室放置在称重传感器上。

8、优选的方案中，第一气管、第二气管和第三气管通过快接头分别与底座、圆柱土样室和干燥室相连通。

9、优选的方案中，空压机、土壤水分传感器、空气温湿度传感器、称重传感器和微型气泵均通过信号线连接与计算机相连接。

10、一种同步获取非饱和土渗流特性的试验装置的试验方法，试验方法包括以下步骤：step1、在圆柱土样室底部的托土网下敷设一层透水石，所述透水石的直径大于孔径，在透水石的上方填充待测土样，并通过压实锤对土样进行压实以形成压实土样，压实的过程中通过刻度窗控制土样压实度；

11、step2、将装有压实土样的圆柱土样室底部插入底座上方，在圆柱土样室的底部插入土壤水分传感器；

12、step3、通过第一气管将圆柱土样室和空压机相连通，通过第二气管和第三气管将干燥室和底座相连通，在第三气管上设置微型气泵；

13、step4、在干燥室内加入足量的干燥剂后密封，再将干燥室放置在称重传感器上；

14、step5、将空压机、土壤水分传感器、空气温湿度传感器、称重传感器和微型气泵用信号线连接至计算机；

15、step6、打开计算机，记录土壤水分传感器、空气温湿度传感器和称重传感器的数值，待所监测的数值均稳定后，打开空压机对装置施加一定压力p作为试验初始压力；

16、step7、记录此时压力下称重传感器的实时数据，待干燥剂增重数据呈现稳定的线性增长时，记录土壤水分传感器所监测的容积含水率数值，获取此时压实土样的底层饱和度，假设基质吸力值与渗透系数值，利用计算机内水气两相流程序计算土体失水量；

17、step8、继续观察称重传感器的数值，待实测干燥剂增重量m与计算量m*相近时，停止试验，利用计算机内水气两相流程序推算出水气渗透函数与土水特征曲线。

18、优选的方案中，在step8中，土体饱和度～相对渗透系数的关系水气渗透函数、饱和度～基质吸力的关系土水特征曲线需通过数值反算的方法计算获得，压实土样底部被干燥剂夺水后形成的水力梯度形成模拟渗流过程，通过获取在压力p下干燥剂增重稳定时的质量m数据，开展土体渗流过程的数值模拟；

19、其具体计算步骤如下：

20、步骤a：在计算机程序中建立压实土样有限单元模型，设置待测土样边界条件(顶部的气压力边界(空压机施加的压力p)，底部干燥剂形成的水气压力边界，底部干燥剂形成的水气压力边界，温度边界(空气温湿度传感器测得))；

21、步骤b：假设饱和度～相对渗透系数、饱和度～基质吸力的关系，基于土体非饱和渗流的richard理论，开展土体渗流过程的数值模拟，求解渗流过程中土样饱和度sr的分布及随时间变化，其水气两相流求解控制方程如下：

22、

23、

24、上式中：t为时间，n为土样孔隙率，ρw为水密度，ρg为孔隙气密度，μw为水粘滞系数，μw为气粘滞系数，g为重力加速度，k为土体的本征渗透系数，其均可通过简单测试或查表获得；为假定的非饱和水相渗透系数(即饱和度～水相渗透系数关系)，为假定的非饱和气相渗透系数(即饱和度～气相渗透系数关系)、pc为假定的基质吸力(饱和度～基质吸力的关系)。sr为土样饱和度，pg为孔隙气压力，通过求解方程获得。

25、步骤c：依据土壤水分传感器测出的土体底层容积含水率θ，由以下公式推算出底层土体的饱和度为：

26、

27、假定整个系统稳定后，干燥剂增重量为土体底层失去水质量，因此根据底层饱和度可计算出土体底层失水质量为：

28、

29、上式中，δt为试验开始到系统稳定时所需的时间。

30、步骤d：对比计算的质量曲线m*(t)和实测获得的质量曲线m(t)，若两者一致则认为步骤b中假定的非饱和土渗流关系即为土体真实的非饱和土渗流关系；若两者不同则回到步骤b并重新开展计算，直至与真实测量结果相吻合。

31、相比现有技术，本发明的有益效果：

32、1、本装置基于水气两相流理论，考虑了水气耦合影响，能同时获取土水特征曲线、水相渗透函数与气相渗透函数三条非饱和土基本指标，更符合工程实际情况；

33、2、本装置不同于传统轴平移技术，它不使用陶土板，而是采用干燥剂吸收底部土体，其形成的水力梯度可模拟非饱和土渗流过程，能解决采用陶土板带来的测量范围有限及陶土板下方气泡聚集、质量损失和蒸发影响对试验测量精度的缺点，进而为研究非饱和土渗流特性测试方法提供参考。