[发明专利]一种基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法

说明书

本发明结合基于光纤主动变温的含水率原位分布式测量方法和土壤水分特征曲线，在传统瞬态剖面法的基础上，提出一种非饱和土渗透系数的原位测试方法，可以实现土体体积含水率的长距离、实时分布式测量，并以体积含水率实测剖面为基础实现非饱和土体的渗透系数计算，克服了现有技术中需要基于含水率点式测量结果假设体积含水率分布函数或者通过土壤水分特征曲线间接计算体积含水率的不足，提高了非饱和渗透系数的计算精度。

技术领域

本发明属于岩土工程、地质工程中非饱和土渗透系数研究技术领域，具体涉及一种基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的测试方法。

背景技术

非饱和土由固、液和气三相组成，由于基质吸力的存在，非饱和土的渗透性是随含水率变化的函数。渗透系数是非饱和流运动理论的重要参数之一，对于地下水埋藏较深地区的工程建设和地质灾害预防具有重要意义。

非饱和土渗透系数的测量是非饱和土研究中的一个难点，目前主要有间接法和直接法两种。间接法是以基质吸力-体积含水率关系曲线为基础，运用统计模型来确定非饱和渗透系数的一种方法，适用性有限，且得到的数据精度不确定。直接法主要有稳态试验方法和非稳态的瞬态剖面法。其中瞬态剖面法可以直接监测体积含水率和基质吸力变化，无需严格控制水流量，因此被广泛应用于相关工程中。

瞬态剖面法是指在瞬态流过程中量测一定深度内的负压和体积含水率剖面，负压水头加上重力水头即总水头，水头剖面用于计算不同深度处的特定时间的水力梯度，体积含水率剖面用于计算某一点的流速，基于Darcy定律可以计算得到渗透系数。因此，如何精确得到体积含水率剖面和水头剖面是该方法的重点和难点。

目前，体积含水率剖面主要有两种获取方式：基于点式测量结果进行假设和拟合得到，或者通过吸力水头和土壤水分特征曲线间接计算得到。在假设和计算过程中，存在的误差会使渗透系数计算结果严重偏离真值。现有对瞬态剖面法的研究主要集中于室内测试装置的改进，以及数据处理方法上，原位瞬态剖面法由于其扰动因素较多、不易操作等原因，相关研究进展非常缓慢。但是相比于室内瞬态剖面法，原位瞬态剖面法更接近自然条件，计算结果也更具实际应用价值。

基于分布式温度传感(DTS)的主动加热光纤(AHFO)技术以线热源模型为基础，在保护光纤的护套或管体中通直流电加热产生热脉冲，光纤作为分布式温度传感器测量土壤的热响应，通过建立温度变化与热物性参数之间的关系实现相关参数的测量，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、分布式测量等优势，在地质与岩土工程监测领域有着巨大的应用潜力。

在传统的测温系统中，需要通过螺旋形布设测温光缆提高测试的空间分辨率(一般为m级)，然而随着分布式温度传感解调技术的进步，目前空间分辨率最高已达到cm级，因此已无这一必要。目前，该项技术的瓶颈主要在于，光缆主动加热方法存在加热时间过长、加热沿长度不均匀、对土体水分场干扰大等问题，从而造成现场实施困难、测试误差过大，阻碍该项技术的现场应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于光纤主动变温的原位土体体积含水率的分布式测量方法，并实现原位非饱和土渗透系数的计算，克服了现有技术中对体积含水率剖面确定过程中带来的计算误差。

为实现上述目的，本发明所设计的基于光纤主动变温的非饱和土渗透系数的原位测试方法，所述测试方法如下：

步骤一、将分布式光纤原位监测系统布设于待测的非饱和土体中相应位置，所述分布式光纤原位监测系统包括光纤解调系统、稳压交流电源、温度校正系统和自加热型螺旋电阻测温光缆；

步骤二、以恒定等效电流I、频率P的交变电流对自加热型螺旋电阻测温光缆加热tt时间，光纤解调系统同时记录加热时间段内自加热型螺旋电阻测温光缆的温度数据；数据采集间隔为tt₀；