一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法

本发明涉及岩土工程领域，特别是一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法。

背景技术：

1、饱和黏性土的非线性渗透现象是一种低渗透介质渗流现象，它的推导预测与海洋工程、石油勘探与开发、岩土工程等领域紧密联系，由于低渗透介质非均质性、渗透性较小等特性导致其渗流过程的机理相较复杂难以进行预测，对隧道工程的设计和堤坝防渗等重大项目的开展都带来了巨大的考验。因此，如何准确且简便地预测低渗透介质非线性渗透是对隧道工程的设计和堤坝防渗具有科学的指导作用。

2、然而，目前非线性渗透多以经验公式为主，而已有理论预测模型，如陶高梁等人所提出的非线性渗透模型(tao g,huang z,xiao h,et al.a new nonlinear seepage modelfor clay soil considering the initial hydraulic gradient of microscopicseepage channels[j].computers and geotechnics,2023,154:105179.)，对饱和黏性土非线性渗透的预测计算较为复杂，部分理论预测模型无法进行不同水力梯度下非线性渗透的连续性预测，预测效果也有待提高。故需要提出一种更加有效的预测手段用于解决现有预测方法所存在的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，用于解决现有非线性渗透模型无法进行不同水力梯度下非线性渗透的连续性预测，且预测精度较低的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，包括如下步骤：

3、s1.基于微观渗透通道的起始水力梯度，构建饱和黏性土非线性渗透分形模型；

4、s2.利用所述饱和黏性土非线性渗透分形模型，计算得到不同水力梯度下饱和黏性土的渗流速度预测值，通过所述渗流速度预测值对不同水力梯度下饱和黏性土的渗流状态进行预测；

5、所述饱和黏性土非线性渗透分形模型的表达式为：

6、

7、其中，所述的vs为渗流速度，所述kc表示渗透常数，所述θs表示饱和黏土的体积含水率，所述d表示分维数，所述ψa表示土体进气值，所述ψi第i级孔隙通道对应的基质吸力，且i为大于或等于1的正整数；c表示不同尺寸的孔隙通道中发生饱和渗流时的起始水压差与利用轴平移技术测得的基质吸力之间的关联系数；ρ表示水密度，g表示重力加速度，l表示土体实际长度，i表示土体实际水力梯度。

8、本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，以陶高梁提出的非线性渗透模型为基础结合分形理论，提出了考虑微观渗透通道起始水力梯度的新的饱和黏性土非线性渗透分形模型，解决了陶高梁的非线性渗透模型的局限性；该模型能对非线性渗透进行连续性预测，简化现有非线性渗透模型计算步骤，弥补了现有非线性渗透模型只能进行散点值预测而无法进行连续预测的不足，提高了预测精度，为饱和黏性土渗透的理论体系的系统建立提供了一种新的理论方法。

技术特征：

1.一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s1步骤具体包括：

3.根据权利要求2所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s11步骤中，基于土壤水分特征曲线swrc的孔隙渗流通道的分布特征模型的土壤颗粒中具有若干孔径不等的孔隙通道，渗流的孔隙通道记为渗流孔，而未渗流的孔隙通道记为无渗流孔；

4.根据权利要求2所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s12步骤中，土体饱和渗透系数ks的表达式为：

5.根据权利要求2所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s13步骤中，考虑微观渗透通道起始水力梯度的黏性土非线性渗透简化模型的表达式为：

6.根据权利要求1所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s2步骤具体包括：

7.根据权利要求6所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s21步骤中，测定土体进气值ψa和土体发生渗流的起始水压差δp，利用δpi＝cψi，计算得到不同尺寸的孔隙通道中发生饱和渗流时的起始水压差与利用轴平移技术测得的基质吸力之间的关联系数c；

8.根据权利要求6所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s22步骤中，根据swrc所反映分段形式，通过伯努利方程计算渗流时施加的不同大小水压差δpi下的实际水力梯度i；

9.根据权利要求6所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s23步骤中，选取基质吸力ψ>ψa段的土壤水分特征曲线数据进行拟合，以-lnψ作为横坐标，lnθ作为纵坐标绘制散点图，对散点图进行线性拟合分维数d。

10.根据权利要求6所述预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，其特征在于，所述s24步骤中，利用分维数d、高水力梯度下的基质吸力ψi和高渗透压下实际渗流速度v代入所述饱和黏性土非线性渗透分形模型的表达式中，计算渗透常数kc；

技术总结
本发明公开了一种预测饱和黏性土非线性渗透的分形方法，包括如下步骤：基于微观渗透通道的起始水力梯度，构建饱和黏性土非线性渗透分形模型；利用所述饱和黏性土非线性渗透分形模型，计算得到不同水力梯度下饱和黏性土的渗流速度预测值，通过所述渗流速度预测值对不同水力梯度下饱和黏性土的渗流状态进行预测。本发明提出了考虑微观渗透通道起始水力梯度的新的饱和黏性土非线性渗透分形模型，解决了现有非线性渗透模型的局限性；该模型能对非线性渗透进行连续性预测，简化现有非线性渗透模型计算步骤，弥补了现有非线性渗透模型只能进行散点值预测而无法进行连续预测的不足，提高了预测精度。

技术研发人员：陶高梁,毛浓,彭湃,肖衡林,马强,李丽华,朱志政,周恒洁,汤文星,郭凌三,杨传晖
受保护的技术使用者：湖北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16