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一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤及原位方法

  • 国知局
  • 2024-12-06 12:08:05

本发明涉及岩土工程参数测量领域,具体涉及一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤,还涉及一种估算非饱和土渗透系数的原位方法。

背景技术:

1、非饱和土壤导水率(k(ψ),ψ为吸力)在控制瞬态渗流方面起着至关重要的作用。它可用于预测非饱和土壤中的水运动,这在农业灌溉、土壤-大气相互作用和地下水补给中至关重要。在岩土工程中,它极大地影响着非饱和土壤中孔隙水压力和吸力的分布,这对于评估土工结构(如受降雨影响的压实路堤和斜坡)的稳定性至关重要。此外,非饱和土壤的热-水-力耦合行为的本构关系或数值模拟研究都需要非饱和导水性与体积含水量或吸力之间的关系。

2、非饱和土壤导水率的确定包括稳定或瞬态方法。采用稳定法时,必须保持恒定的水头或流量,由于非饱和土壤的导水率较低,因此测试时间较长。瞬时剖面(ip)法是确定非饱和土壤导水率的典型瞬态方法。在这种方法中,使用的是瞬时容积含水量和吸力剖面,非饱和土壤导水率可以通过达西定律计算。与稳态法相比,瞬时剖面法的一个主要优点是测试时间相对较短。这种方法已广泛应用于非饱和土壤导水率的研究。

3、瞬时剖面方法也可用于非饱和土壤导水率的现场测试。尽管在现场应用瞬时剖面方法对于捕捉土壤分层、不连续和异质性等某些原位特征至关重要,但现场应用瞬时剖面方法测定非饱和导流系数的应用非常有限。主要原因是复杂的传感器安装过程,以及多个传感器造成测试成本的提高,并且大多数传感器仅限于浅层。用于测量含水量的传感器,如中子探针和tdr,只能安装在几米范围内。然而,深层的非饱和土壤导水率非常重要。例如,土壤与大气相互作用的长期研究通常涉及几十米的深度,尤其是在非饱和带或浸润带非常厚的地区。在一些涉及压实填料的项目中,例如造地,所涉及的深度可达数百米。

4、最近,主动加热光纤法(ahfo)已成功用于测量土壤含水量、导热系数和地热通量。根据所使用的光纤技术,该技术可分为三类:ahfo-dts(分布式温度传感)、ahfo-fbg(光纤布拉格光栅)和ahfo-uwfbg(超弱fbg)。ahfo-dts方法具有分布式和远距离测量的优点。然而,由于温度校准过程复杂、解调仪成本高昂,该方法的实地应用受到了限制。

技术实现思路

1、本发明目的:在于提供一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤及原位方法,以原位估算土壤的大深度非饱和水力传导性,克服现有的非饱和土壤导水率测定仪器及方法温度校准过程复杂、解调仪成本高昂、实地应用受到限制等缺陷。

2、为实现以上功能,本发明设计一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤,包括:ahfo电缆、热缩套管、聚氯乙烯管;

3、所述的ahfo电缆以螺旋状紧密缠绕在聚氯乙烯管上,ahfo电缆外部整体包裹热缩套管进行封装,构成ahfo测管;

4、所述的ahfo电缆由最外层到最内层依次排列的结构包括:第一层pe护套、第一层铜网、第二层pe护套、第二层铜网、钢制波纹管、光纤;其中,第一层pe护套用于保护和绝缘,第二层pe护套用于隔离两层铜网,两层铜网在ahfo电缆底部相互连接,用于加热元件;

5、所述的光纤上布置多个uwfbg传感器,各uwfbg传感器以预设距离周期性排布。

6、本发明还设计一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,基于所述的一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤,执行如下步骤s1-步骤s5,完成目标土体各深度土层的非饱和导水率估算:

7、步骤s1:选择目标土体的含水量剖面,所选择的含水量剖面中,相邻两个深度土层的含水量变化超过预设值;

8、步骤s2:在目标土体中垂直钻孔,布设ahfo传感器,ahfo传感器包括ahfo电缆和ahfo测管,使ahfo电缆穿过各深度土层;采集目标土体的土壤样本,以测定目标土体的基本特性,包括干密度、孔径分布和饱和导水率;ahfo传感器布设完成后,回填钻孔;

9、步骤s3:确定干燥或湿润过程;

10、步骤s4:对ahfo传感器进行加热,根据ahfo传感器温度变化与土壤容积含水量的函数关系,确定各深度土层的土壤体积含水量剖面图,并拟合土水特征曲线,进一步获得各深度土层的吸力剖面图;

11、步骤s5:计算各深度土层的水力梯度,并确定各深度土层的非饱和导水率。

12、有益效果:相对于现有技术,本发明的优点包括:

13、1、本发明在一根光纤上嵌入数百到数千个uwfbg传感器,能够实现不同深度的实时测量。只需一根带有多个传感点的光缆,就能实现不同深度的测量。传感点的增加并不会明显增加成本,而且安装过程简化,无需复杂的布线集成,并将瞬时剖面法扩展到更深的深度。

14、2、本发明为预测非饱和渗流提供支持,并可进一步研究热-水-机械耦合行为,这对于预防岩土结构失效和有害物质泄漏等潜在灾害至关重要。鉴于极端天气事件的频率和严重程度不断上升,该方法还有助于研究深层土壤与大气之间的相互作用。

技术特征:

1.一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤,其特征在于,包括:ahfo电缆、热缩套管、聚氯乙烯管;

2.根据权利要求1所述的一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤,其特征在于,所述的ahfo测管直径为54毫米,聚氯乙烯管直径为42毫米,ahfo测管的空间分辨率为0.04米。

3.一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,其特征在于,基于如权利要求1-2任意一项所述的一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤,执行如下步骤s1-步骤s5,完成目标土体各深度土层的非饱和导水率估算:

4.根据权利要求3所述的一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,其特征在于,步骤s1中相邻两个深度土层的含水量变化超过0.01m3/m3。

5.根据权利要求3所述的一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,其特征在于,步骤s4中分别将ahfo传感器连接到解调仪和直流电源,对ahfo传感器以恒定速率加热预设时间。

6.根据权利要求3所述的一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,其特征在于,步骤s4中ahfo传感器温度变化与土壤容积含水量的函数关系如下式:

7.根据权利要求3所述的一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,其特征在于,步骤s4中采用汞侵入孔隙度测试获得土壤的孔径分布,基于孔径分布累积曲线拟合土水特征曲线。

8.根据权利要求3所述的一种估算非饱和土渗透系数的原位方法,其特征在于,步骤s5具体步骤如下:

技术总结本发明公开了一种估算非饱和土渗透系数的主动加热光纤及原位方法,主动加热光纤包括:AHFO电缆、热缩套管、聚氯乙烯管;其中AHFO电缆包括两层PE护套、两层铜网、钢制波纹管、光纤,基于主动加热光纤的原位方法包括选择目标土体的含水量剖面、布设AHFO测管;确定干燥或湿润过程;根据AHFO测管温度变化与土壤容积含水量的函数关系,确定土壤体积含水量剖面图,并拟合土水特征曲线,进一步获得吸力剖面图;计算水力梯度,并确定非饱和导水率;本发明揭示了热‑水‑机械耦合行为,为预测非饱和渗流提供支持,对于预防岩土结构失效和有害物质泄漏等潜在灾害至关重要,并且本发明还有助于研究深层土壤与大气之间的相互作用。技术研发人员:孙梦雅,刘洁,施斌,刘瑾,李筱艳,宋泽卓,车文越,井淼受保护的技术使用者:河海大学技术研发日:技术公布日:2024/12/2

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