一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法

摘要

本发明公开了一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，包括：获取环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性；在高填方土体不同位置处进行野外双环渗水试验，得到环刀尺度上的渗透系数值；结合尺度效应原理，对野外双环渗水试验进行仿真模拟；将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数的原始分布，得到大尺度渗透系数的分布。本发明涉及的是非均质性强的高填方土体需要研究预测未来地下水运移规律时所需要的大尺度渗透系数，即通过大量的试验、统计分析、条件模拟、尺度效应等方法和手段，分析研究了大型原位试验难以进行并且非均质性高的高填方土体的大尺度渗透系数。

权利要求

1.一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，其特征在于，包括：在高填方土体不同水平面位置以及垂向位置进行取样，并用渗透仪法对土样垂向和横向渗透系数进行测定，获取环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性；

在高填方土体不同位置处进行野外双环渗水试验，得到环刀尺度上的渗透系数值；

根据环刀尺度上的渗透系数值，结合尺度效应原理，对野外双环渗水试验进行仿真模拟；

将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，得到大尺度渗透系数的分布；

还包括：

建立双环渗水试验仿真模型，空间剖分采用正方体网格，将仿真模型的顶层设置为定水头，水头值为0m，将仿真模型底层内环和外环范围内也设置为定水头，水头值等于仿真模型顶层到底层的距离；

结合尺度效应原理，选取一定的渗透系数代表值、按各向同性介质，计算不同剖分尺度下不同随机分布所得的渗透系数值，并与野外双环渗水试验的渗透系数实测值对比，选取合适的剖分尺寸；

在确定的剖分尺寸基础上，分析大尺度等效渗透系数计算结果对不同渗透系数代表值数量和各向异性的敏感性；

所述将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，得到大尺度渗透系数的分布；包括：在确定的剖分尺寸基础上，选取一定的代表值数量、按各向同性介质将模拟范围逐步放大，计算各个模拟范围下不同的随机分布下的渗透系数，将渗透系数值随模拟范围的增大趋于稳定时的模拟范围值确定为大尺度渗透系数的模拟范围；

分析大尺度等效渗透系数计算结果对渗透系数代表值的数量的敏感性，确定合适的代表值个数；

分析大尺度等效渗透系数计算结果对各向异性的敏感性，确定所测试出环刀尺度渗透系数大样本下大尺度渗透系数值；

根据样本和总体的关系，确定大尺度渗透系数的分布。

说明书

一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土体渗透系数技术领域，更具体的涉及一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法。

背景技术

[0002] 黄土在我国分布广泛，由于黄土本具有易侵蚀的特性，丘陵沟壑成为其主要的地貌类型，即便在黄土塬区也存在大量大规模的冲沟，并且冲沟的规模也在不断扩大。近年来，随着经济和社会的发展，土地资源日趋紧张。为了满足需要，黄土地区开始出现大规模的填沟平地的工程，产生了大量的高填方黄土填筑体。重大岩土工程中地貌形态的改变势必会影响地下水的运动规律，数值模拟是预测未来条件下地下水运动规律的有效途径。在数值模拟中，渗透系数的准确性是影响计算结果的关键因素。

[0003] 大量的研究表明，渗透系数会随着研究尺度的不同而发生变化，即具有一定的尺度效应。Schulze-Makuch等通过39种地质介质渗透系数和测试尺度的数据，论证了渗透系数随观测尺度增大而增大并趋于稳定的规律，并且在趋于稳定前渗透系数与观测尺度在对数坐标值上呈线性关系。目前渗透系数的确定方法主要有渗透仪法、双环渗水法、抽水试验法、注水试验法等。然而，由于条件限制，抽水试验和注水试验往往很难进行，并且区域的数值模拟是建立在大尺度剖分网格的基础上，室内渗透实验是在很小的尺度上进行的，体积仅为120cm3，其计算结果很难代表大尺度上的渗透系数。另外，填埋区黄土非均质性较强，野外少数的渗水试验也不能全面反应大面积填埋区渗透系数的分布。那么如何确定高填方土体大尺度的渗透系数，成为研究该类地下水模拟的关键问题。

[0004] 综上所述，现有技术中的渗透系数确定方法，存在无法确定高填方土体大尺度的渗透系数的问题。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，用以解决现有技术中存在无法确定高填方土体大尺度的渗透系数的问题。

[0006] 本发明实施例提供一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，包括：在高填方土体不同水平面位置以及垂向位置进行取样，并用渗透仪法对土样垂向和横向渗透系数进行测定，获取环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性；

[0007] 在高填方土体不同位置处进行野外双环渗水试验，得到环刀尺度上的渗透系数值；

[0008] 根据环刀尺度上的渗透系数值，结合尺度效应原理，对野外双环渗水试验进行仿真模拟；

[0009] 将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，得到大尺度渗透系数的分布。

[0010] 本发明实施例提供一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，还包括：

[0011] 建立双环渗水试验仿真模型，空间剖分采用正方体网格，将仿真模型的顶层设置为定水头，水头值为0m，将仿真模型底层内环和外环范围内也设置为定水头，水头值等于仿真模型顶层到底层的距离；

[0012] 结合尺度效应原理，选取一定的渗透系数代表值、按各向同性介质，计算不同剖分尺度下不同随机分布所得的渗透系数值，并与野外双环渗水试验的渗透系数实测值对比，选取合适的剖分尺寸；

[0013] 在确定的剖分尺寸基础上，分析大尺度等效渗透系数计算结果对不同渗透系数代表值数量和各向异性的敏感性。

[0014] 进一步地，所述将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，得到大尺度渗透系数的分布；包括：

[0015] 在确定的剖分尺寸基础上，选取一定的代表值数量、按各向同性介质将模拟范围逐步放大，计算各个模拟范围下不同的随机分布下的渗透系数，将渗透系数值随模拟范围的增大趋于稳定时的模拟范围值确定为大尺度渗透系数的模拟范围；

[0016] 分析大尺度等效渗透系数计算结果对渗透系数代表值的数量的敏感性，确定合适的代表值个数；

[0017] 分析大尺度等效渗透系数计算结果对各向异性的敏感性，确定所测试出环刀尺度渗透系数大样本下大尺度渗透系数值；

[0018] 根据样本和总体的关系，确定大尺度渗透系数的分布。

[0019] 本发明实施例中，提供一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

[0020] 本发明涉及一种非均质性强的高填方土体需要研究预测未来地下水运移规律时所需要的大尺度渗透系数，通过大量的试验、统计分析、条件模拟、尺度效应等方法和手段，分析研究了大型原位试验难以进行并且非均质性高的高填方土体的大尺度渗透系数，大尺度渗透系数是预测分析地下水运移规律的重要参数，高填方土体中大型的野外原位试验往往很难进行，因此本发明提出了基于室内渗透试验和野外双环渗水试验的一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，由于高填方土体具有非均质性强的特征，通过大量的取样分析，得到环刀尺度的渗透系数，对环刀尺寸渗透系数统计分析，结合尺度效应原理，对野外双环渗水试验进行仿真模拟，在对影响模拟结果的各个因素逐步分析的基础上，将模拟范围扩大到大尺度范围内，根据样本与总体的关系，确定大尺度渗透系数的分布。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例提供的一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法流程图；

[0022] 图2为本发明实施例提供的取样位置图；

[0023] 图3为本发明实施例提供的填埋土同一位置不同方向渗透系数对比图；

[0024] 图4为发明实施例提供的填埋土同一位置相同方向渗透系数对比图；

[0025] 图5为发明实施例提供的不同取样次数垂直渗透系数箱线图；

[0026] 图6为发明实施例提供的不同取样次数水平渗透系数箱线图；

[0027] 图7为发明实施例提供的不同取样高度垂直渗透系数箱线图；

[0028] 图8为发明实施例提供的不同取样高度水平渗透系数箱线图；

[0029] 图9为发明实施例提供的垂直渗透系数直方分布图；

[0030] 图10为发明实施例提供的水平渗透系数直方分布图；

[0031] 图11为发明实施例提供的渗透系数的累计频率图；

[0032] 图12为发明实施例提供的双环试验模拟范围内渗透系数随机分布图；

[0033] 图13为发明实施例提供的双环试验模型定水头边界分布剖面图；

[0034] 图14为发明实施例提供的模型计算与野外双环渗水试验结果对比图；

[0035] 图15为发明实施例提供的各向异性不同组合下双环渗水试验计算结果对比图；

[0036] 图16为发明实施例提供的不同数量代表值双环渗水试验计算结果对比图；

[0037] 图17为发明实施例提供的不同模拟范围大尺度渗透系数计算结果对比图；

[0038] 图18为发明实施例提供的不同代表值数量下大尺度渗透系数计算结果箱线图；

[0039] 图19为发明实施例提供的各向异性不同组合下大尺度渗透系数计算结果对比图；

[0040] 图20为发明实施例提供的大尺度渗透系数计算结果分布图。

具体实施方式

[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0042] 参见图1，本发明实施例提供的一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，该方法包括：

[0043] 步骤1，在高填方土体不同水平面位置以及垂向位置进行取样，并用渗透仪法对土样垂向和横向渗透系数进行测定，获取环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性。

[0044] 需要说明的是，为了分析环刀尺度上渗透系数空间的变化规律、各向异性、非均质性，对高填方土体进行大量取样，同一位置取样个数应为2-3个，取样位置在整个空间平均分布。

[0045] 步骤2，在高填方土体不同位置处进行野外双环渗水试验，得到环刀尺度上的渗透系数值。

[0046] 需要说明的是，由于野外双环渗透试验由于工作量比较大，可以在空间选取少数的代表点进行测试。

[0047] 步骤3，根据环刀尺度上的渗透系数值，结合尺度效应原理，对野外双环渗水试验进行仿真模拟。

[0048] 需要说明的是，野外双环渗水试验仿真模拟，将模拟空间剖分为正方体网格，正方体网格的渗透系数根据环刀尺度的渗透系数选取，不同网格中渗透系数的分布，根据大量的环刀尺度渗透系数的统计结果确定。根据野外渗水试验的原理，将模型的顶层设置为定水头，水头值为0m；模型底层内环和外环范围内也设置为定水头，水头值等于模型顶层到底层的距离，以保证底层到顶层的平均水流坡度为1。正方体的尺寸及其所代表的渗透系数大小对模拟结果影响很大。结合渗透系数的尺度效应，以野外双环渗透试验结果进行验证，来确定正方体合适的剖分尺寸。

[0049] 步骤4，将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，得到大尺度渗透系数的分布。

[0050] 需要说明的是，将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度的模拟，顶层和底层分别设置为定水头边界，水头差等于水从底层到顶层流经的垂向路径长度。

[0051] 进一步地，本发明实施例提供的一种高填方土体大尺度渗透系数的确定方法，还包括：

[0052] (1)建立双环渗水试验仿真模型，空间剖分采用正方体网格，将仿真模型的顶层设置为定水头，水头值为0m，将仿真模型底层内环和外环范围内也设置为定水头，水头值等于仿真模型顶层到底层的距离。

[0053] (2)结合尺度效应原理，选取一定的渗透系数代表值、按各向同性介质，计算不同剖分尺度下不同随机分布所得的渗透系数值，并与野外双环渗水试验的渗透系数实测值对比，选取合适的剖分尺寸。

[0054] (3)在确定的剖分尺寸基础上，分析大尺度等效渗透系数计算结果对不同渗透系数代表值数量和各向异性的敏感性。

[0055] 需要说明的是，在室内渗透试验的基础上，剖分网格选取一定的渗透系数值分布方案，结合尺度效应，用条件模拟法对双环渗透试验进行仿真模拟，并用野外双环渗透试验结果进行验证，确定模型的剖分尺寸，并对剖分网格所选取渗透系数值的不同方案的敏感性进行分析。

[0056] 在上述方法的基础上，将野外双环渗水试验仿真模拟放大到大尺度上进行模拟，结合环刀尺度上填埋土体渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，得到大尺度渗透系数的分布；具体包括：

[0057] (1)在确定的剖分尺寸基础上，选取一定的代表值数量、按各向同性介质将模拟范围逐步放大，计算各个模拟范围下不同的随机分布下的渗透系数，将渗透系数值随模拟范围的增大趋于稳定时的模拟范围值确定为大尺度渗透系数的模拟范围。

[0058] (2)分析大尺度等效渗透系数计算结果对渗透系数代表值的数量的敏感性，确定合适的代表值个数。

[0059] (3)分析大尺度等效渗透系数计算结果对各向异性的敏感性，确定所测试出环刀尺度渗透系数大样本下大尺度渗透系数值。

[0060] (4)根据样本和总体的关系，确定大尺度渗透系数的分布。

[0061] 需要说明的是，在确定的剖分尺寸基础上，剖分网格选取一定的渗透系数值分布方案，逐渐扩大模拟范围，对大尺度填埋土的渗水进行仿真模拟，直到模拟范围内等效渗透系数趋于稳定，确定大尺度渗透系数所对应的模拟范围；在确定的剖分尺度基础上，对剖分网格所选取渗透系数值的不同方案的敏感性进行分析，并结合环刀尺度渗透系数在空间的变化规律、各向异性及非均质性，最终确定大尺度渗透系数的分布。

[0062] 实施例：

[0063] 以黄土地区的一个沟谷为例，削去顶部的黄土填到沟里，变成平地。填土过程一层一层的进行，每层填土高度约为1m，填土高度最大约为90m，由此而产生了高填方土体。具体步骤如下：

[0064] (1)随着施工过程对高填方土体进行取样，对填方土体进行取样，取样点的分布见图2。每个取样点取样2-3个土样，并将土样带回室内，用T-55型渗透仪进行变水头渗透实验，共得到133组渗透系数值，其中垂向渗透系数66组，水平渗透系数67组。

[0065] (2)对填埋土环刀尺度的渗透系数进行统计分析。

[0066] 为了分析填埋土的各向异性和非均质性，对同一个取样位置的两个试样测得的垂直渗透系数和水平渗透系数以及两个相同方向的渗透系数进行了对比，分别见图3和图4，得到，填埋土的非均质性非常大，具有很强的随机性，个别点上通过变水头实验得到的渗透系数很难推算出大尺度的渗透系数。

[0067] 为了进一步分析渗透系数随施工进度和填埋高度的变化规律，分别绘制不同取样次数、不同取样高度范围内垂直渗透系数和水平渗透系数的箱线图，见图5～8。得到，垂直渗透系数和水平渗透系数随着取样次数和填埋高度的变化均没有明显的变化规律，故可以作为整体进行统一分析。

[0068] 对所有填埋土样品的垂直渗透系数和水平渗透系数分别进行了统计分析，见表1和图9～10。从表和图中可以看出，垂直渗透系数和水平渗透系数的分布基本一致。为了进一步分析，用对数轴绘制了渗透系数的累计频率图，见图11。从图中可以看出垂直渗透系数和水平渗透系数的频率分布基本重合。

[0069] 表1渗透系数统计表(单位：m/d)

[0070] 统计项 垂直渗透系数 水平渗透系数平均 0.0317 0.0322
标准误差 0.0042 0.0045
中位数 0.02 0.0243
标准差 0.0338 0.0368
方差 0.0011 0.0014
峰度 0.70 3.73
偏度 1.25 1.84
区域 0.129 0.1716
最小值 0.00031 0.0003
最大值 0.1293 0.1719
观测数 66 67
置信度(95.0％) 0.0083 0.009

[0071] (3)在填埋区还进行了野外双环渗水试验。渗水环高25cm，外环直径50cm，内环直径25cm。得到野外5组填埋土区渗水试验测得的渗透系数结果分别为0.030、0.030、0.041、0.048、0.051m/d。

[0072] (4)野外双环渗水试验仿真模拟

[0073] 在每10％频率范围内选取中间点，作为代表值，用条件模拟的方法，采用Visual Modflow对野外双环渗水试验进行仿真模拟。为了不影响到边界，平面范围选为3～4.5m，垂向范围选为0.4～0.45m，模型均剖分成正方体。每个正方体具有一个的渗透系数值。渗透系数在各个正方体的分布采用独立等概率随机分布，一个正方体的渗透系数在不同的实现(随机分布)中都可以不同。

[0074] 由于同一个取样位置的两个土样之间的距离在15cm以内，其渗透系数的测试结果仍然相差很大，所以模型剖分的正方体的边长选为7.5、7.0、6.5和6.0cm四种尺寸分别进行模拟计算。同时，其渗透系数的值也根据相应的尺寸按照尺度效应原理进行计算，计算结果见表2。

[0075] 表2不同测量尺寸渗透系数取值(单位：m/d)

[0076]

[0077] 将相应尺寸的渗透系数按各向同性等概率随机独立分布的方式分别赋值到模型中每个正方体，如图12所示。将模型的顶层设置为定水头，水头值为0m；模型底层内环和外环范围内也设置为定水头，水头值等于模型顶层到底层的距离，如图13所示。模型的初始水头均设为0m。

[0078] 经过模拟计算可以得出单位时间内从底层内环定水头边界进入模型的水量。同野外渗透系数的计算原理相同，该水量与内环面积的比值即为内环范围内模拟土层的等效渗透系数，计算结果见图14。通过与野外双环渗水试验对比，得到正方体的剖分边长为7.0cm时，模拟结果最接近野外渗水试验的结果。

[0079] (5)双环渗水试验模拟敏感性分析

[0080] 为了分析渗透系数对各向异性的敏感性，上述7.0cm剖分尺寸的模型基础上，同样选取上述10个代表值，并且保持垂直渗透系数不变，通过对水平渗透系数进行随机排序，得到不同的组合。对比分析相同随机分布下，不同垂向渗透系数和水平渗透系数组合所计算的渗透系数值，见图15。得到，模拟野外双环渗水试验可以将其按照各向同性的介质进行计算。

[0081] 为了分析渗透系数对代表值个数的敏感性，同样在上述7.0cm剖分尺寸的模型基础上，用相同的方法分别选取5个、10个和20个代表值，并在相同的随机分布的基础上，对比分析渗透系数的计算结果，见图16。得到模拟双环渗水试验时，所选取的代表值数量对结果影响不大。

[0082] (6)大尺度渗透系数的计算

[0083] 通过模拟野外双环渗水试验，得到正方体网格尺寸剖分为7cm时，最能反应野外的实际情况。首先选用上述10个代表值，对模拟范围分别为0.7、2.1和3.5m的正方体进行模拟，即平面分别剖分为100、900和2500个网格，垂向分别剖分为10、30和50层，顶层和底层分别设置为定水头边界，水头差等于水从底层到顶层流经的垂向路径长度。对于每个剖分的小正方体按各向同性介质，用所选取的10个代表值对每个正方体进行等概率独立随机赋值，并对不同概率分布下所计算的渗透系数进行统计分析，见图17。得到，模拟范围为2.1m和3.5m时的模拟结果基本可以代表大尺度的渗透系数。以后的研究均在3.5m的模拟范围内进行。

[0084] 为了分析代表值数量对模拟结果的影响，用同样的方法，分别选用5个、10个、20个代表值，用模拟范围为3.5m，剖分尺寸为7cm的模型进行模拟，并对结果进行对比分析，见图18。得到，不同数量代表值下渗透系数的计算结果有一定的差距，但差距不大，相对差值在
9％左右。因为代表值数量越大越接近实际情况，但也要同时考虑计算量的大小，所以以后的分析均选择20个代表值。

[0085] 为了分析各向异性对大尺度渗透系数的影响，在上述模型的基础上，垂直渗透系数和水平渗透同样选取上述20个代表值，并保持垂直渗透系数不变，水平渗透系数随机排列，得到不同的组合，分析不同组合下渗透系数的结果分布情况，结果见图19。得到，垂向渗透系数和水平渗透系数不同组合下所得的等效渗透系数的结果存在一定的差距，但也相差不大，相对差值在10％左右。各种组合和分布下得到的等效渗透系数的平均值为0.0221m/d。

[0086] 以上大尺度渗透系数的计算，是在一定的土壤样品分析结果的基础上，经过统计分析，选取不同范围内的平均值作为代表值进行的。然而，一定数量样品与大尺度地层之间属于样本和总体的关系，样品的均值并不能完全等同于总体的均值。根据中心极限定理，当样本容量足够大时(通常要求大于或等于30)，均值 的抽样分布近似服从正态分布，可以用下式近似得到总体均值的置信区间：

[0087]

[0088] 式中 为样本的平均值，α为置信度为(1-α)时的临界概率或置信水平，Zα/2为显著水平α下的临界值。根据垂直渗透系数和水平渗透系数统计分析的结果，查标准正态分布表，得到不同置信度下总体均值的区间。将大样本室内变水头渗透实验得到的渗透系数结果的均值与野外大尺度渗透系数近似看作正比关系，由此可以计算出不同累计频率下大尺度渗透系数的分布，结果见图20。

[0089] 以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。