[發明專利]基于毛細水上升實驗室滲透系數測定方法

在審

• 申請號: 202211088283.0
• 申請日: 2022-09-07
• 公開（公告）號: CN115436235A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 張冠儒;梁旭;陸純;黃藝;周丹;陳顯飛
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G01N13/04
• 分類號: G01N13/04;G01N15/08
• 代理公司: 成都希盛知識產權代理有限公司 51226
• 代理人: 芶雅靈

本發明基于毛細水上升實驗室滲透系數測定方法，屬于滲透系數測試領域。其過程為：自由地下水面高程z設為0，在毛細水作用下，毛細水進入上部孔隙介質，令毛細水頂部高程為z_T，土壤出氣值高度為h_a；當z_T≤h_a時，獲取毛細水上升高度所對應的上升通量：在直角坐標系中，以Q為y值，為x值繪制的關系圖中，毛細水上升通量Q與直線關系的y軸截距的絕對值除以橫截面積代表孔隙介質的滲透系數k_s。本發明的理論模型是基于達西定律推出，局限性小、準確性高。測定滲透系數過程中只需要觀測毛細水上升高度、水體積、時間三個參數，實驗裝置簡易，操作簡單，實驗過程耗時短。測定理論模型不需要求解任何模型參數，測得的結果與滲透儀直接測定的結果吻合。

技術領域

本發明屬于滲透系數測試領域，具體的是基于毛細水上升實驗室滲透系數測定方法。

背景技術

土壤中孔隙水的流動滿足達西定律，其滲透速度和水勢梯度的比值被稱為滲透系數，主要受到土壤的孔隙大小、溫度、含水率等影響。土壤滲透系數的測定方法一般分為直接測定法和間接測定法。

間接測定法主要是根據土水特征曲線、顆粒粒徑大小、孔隙度等基本物理性質，對土壤的滲透系數進行預測。陳明珠等(2008)采用雙套管法進行室內原位滲透實驗，其基本原理是通過在內外環建立等深的薄水層，在土壤中形成一維垂直自由入滲水流。經過分析土壤滲透系數和物理特性之間的關系，得出擬合公式顯示出高度相關：

lgk＝2.11lge+7.31,R²＝0.9088 (1)

式中k為土壤滲透系數；e為孔隙比。

朱崇輝等(2005)對粗粒土的不同級配土樣滲透系數規律性研究，將實驗數據進行規律分析和多角度的相關性回歸分析，基于Terzaghi公式理論得出了顆粒級配與滲透系數的關系：

式中c_u為粗粒土的不均勻系數；c_c為曲率系數；d₁₀為粗粒土的有效粒徑，小于某粒徑質量累計百分含量達到10％所對應的顆粒直徑，顆粒直徑單位cm。

目前國內外已研究出的利用顆粒粒徑預測飽和滲透系數的模型公式主要有：

Terzaghi公式：

A.Hazen公式：

Kozeny公式：

式中n為孔隙率；d₉表示為土樣的有效粒徑，即累計含量為9％對用的顆粒直徑。

間接法測量飽和土以及不飽和土滲透系數一般都是通過對實驗結果進行大量的分析，得出經驗模型進行預測，其方法能夠迅速估算土壤滲透系數，但準確性不高，使用局限性較大，為得到更加準確的擬合關系，需要進行大量的試驗分析，實驗耗時長。

直接測定法是根據土壤的水力梯度和含水率之間的關系，通過達西定律得到土壤滲透系數。實驗室采用直接測定法測定滲透系數可分為穩態法和非穩態法，主要依據在測定滲透系數過程中土壤水力梯度是否發生改變進行區分。

童煜霄等(2021)利用南55型滲透儀進行變水頭飽和土滲透實驗，水頭隨著時間逐漸下降。根據達西定律得出滲透系數的計算公式：

式中a為變水頭管截面積，單位cm²；L為土樣高度，單位cm；A為土樣橫截面積，單位cm²；t為實驗時間，單位s；H_b1、H_b2分別為開始水頭和終止水頭，單位cm。