针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法及装置

1.本发明属于土体水分特征曲线测量技术领域，尤其涉及一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法及装置。


背景技术：

2.土水特征曲线描述了土体含水状态与吸力的关系，对描述土体基本水力特性、变形和强度行为至关重要。传统土水特征曲线测量方法主要有吸力控制和吸力测量。吸力控制式主要采用轴平移技术，施加气压来提高吸力，例如体积压力板仪法，这类方法需要很长的平衡时间，一般只能测量主干燥线，难以实现滞回扫描线的测量。吸力测量法通过滤纸、张力计等直接测量吸力，这类方法需要制备不同含水率的土柱，无法对渗流过程的变化进行完整检测。此外，上述方法主要应用于粉土或黏土的测量，对于粗粒土或砂性土测量而言均有一定的操作难度，因为粗粒土和砂性土粘聚力较小，不易成样。
3.传统方法仅能测量土柱在平衡条件下，即持水状态保持不变情况下的边界曲线，无法得到非平衡条件下的扫描线。而实际的降雨和蒸发过程中土体的持水状态是一直变化的，例如当孔隙水瞬态流动时，土体的持水特征会表现出明显的流速相关性；因此土水特征曲线和水力参数都与流速有关。传统方法测量往往需要很长的平衡时间，所得的曲线只能表征静态或平衡条件下的土水特征曲线关系，无法测得不同渗流速率下的动态土水特征曲线。另外，传统方法往往只能得到一条干燥曲线，无法得到粗粒土完整的滞回曲线，因此难以实现完整的滞回曲线测量及预测线。


技术实现要素：

4.本发明提供一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法及装置。该方法不仅能够测量土柱在不同渗流速率下的土水特征曲线，而且还能够基于干湿路径的测量得到滞回曲线。
5.为实现上述目的，根据本技术实施例第一方面提供针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法，所述方法包括：获取测量装置中由粗粒土形成的土柱在静态试验时对应的静态边界曲线，以及在动态试验时已知渗流速率下对应的动态边界曲线；利用土水特征曲线的vg模型分别对所述静态边界曲线和所述动态边界曲线进行拟合，得到对应的静态模型参数和动态模型参数；基于所述静态模型参数、所述动态模型参数、所述已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；基于所述渗流速率参数、所述静态模型参数，以及待测渗流速率对应的水力坡降，对所述vg模型进行处理，得到边界曲线预测模型。
6.可选的，所述的方法还包括：基于所述边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态边界曲线。
7.可选的，所述动态边界曲线为干燥边界曲线或者吸湿边界曲线；干燥边界曲线对应干燥边界曲线预测模型；吸湿边界曲线对应吸湿边界曲线预测模型；所述基于所述边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态边界曲线，包括：基于所述干燥边界曲
线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的干燥边界曲线；基于所述吸湿边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的吸湿边界曲线；基于所述干燥边界曲线和所述吸湿边界曲线确定与所述待测渗流速率对应的边界滞回曲线。
8.可选的，所述基于所述静态模型参数、所述动态模型参数、所述已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；包括：获取测量装置中土柱高度，以及所述已知渗流速率对应的吸力台阶；基于所述吸力台阶和所述土柱高度，确定所述已知渗流速率对应的水力坡降；所述动态模型参数、所述静态模型参数，以及所述已知渗流速率对应的水力坡降，确定渗流速率参数。
9.可选的，所述方法还包括：获取所述土柱在静态试验时对应的静态扫描线以及在动态试验时已知渗流速率对应的动态扫描线；所述静态扫描线或所述动态扫描线用于指示除所述干燥边界曲线与所述吸湿边界线之外的土水特征曲线；确定所述边界曲线预测模型对应的边界曲线斜率；基于所述静态扫描线的斜率、所述边界曲线斜率、所述动态扫描线与对应边界曲线之间的距离，以及相同体积含水率处干燥边界曲线与吸湿边界曲线之间的差值，确定扫描线预测参数；针对任一待测渗流速率：基于所述扫描线预测参数、所述边界曲线斜率、所述待测渗流速率对应的扫描线与边界曲线之间的距离，以及相同体积含水率处干燥边界曲线与吸湿边界曲线之间的差值，确定待测渗流速率对应的动态扫描线斜率；基于所述待测渗流速率对应的动态扫描线斜率、含水率变化，以及所述含水率变化对应的吸力变化，构建扫描线预测模型。
10.可选的，基于所述扫描线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态扫描线。
11.可选的，所述动态扫描线为干燥扫描线或者吸湿扫描线；干燥扫描线对应干燥曲线斜率；吸湿边界曲线对应吸湿曲线斜率；所述基于所述扫描线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态扫描线，包括：基于所述干燥曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的干燥扫描线；基于所述吸湿曲线预测模型，预测与所述待测渗流速率对应的吸湿扫描线；基于所述干燥扫描线和所述吸湿扫描线，确定所述待测渗流速率对应的中间滞回曲线。
12.为实现上述目的，根据本技术实施例第二方面提供一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测装置，所述装置包括：第一获取模块，用于获取测量装置中由粗粒土形成的土柱在静态试验时对应的静态边界曲线，以及在动态试验时已知渗流速率下对应的动态边界曲线；拟合模块，用于利用土水特征曲线的vg模型分别对所述静态边界曲线和所述动态边界曲线进行拟合，得到对应的静态模型参数和动态模型参数；第一确定模块，用于基于所述静态模型参数、所述动态模型参数、所述已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；模型获得模块，用于基于所述渗流速率参数、所述静态模型参数，以及待测渗流速率对应的水力坡降，对所述vg模型进行处理，得到边界曲线预测模型。
13.可选的，所述装置还包括：第一预测模块，用于基于所述边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态边界曲线。
14.可选的，所述动态边界曲线为干燥边界曲线或者吸湿边界曲线；干燥边界曲线对应干燥边界曲线预测模型；吸湿边界曲线对应吸湿边界曲线预测模型；所述预测模块还包括：第一预测单元，用于基于所述干燥边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的干燥边界曲线；第二预测单元，用于基于所述吸湿边界曲线预测模型预测与所述待测渗流
速率对应的吸湿边界曲线；确定单元，用于基于所述干燥边界曲线和所述吸湿边界曲线，确定与所述待测渗流速率对应的边界滞回曲线。
15.为实现上述目的，根据本技术实施例第三方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。
16.与现有技术相比，本发明实施例提供一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法及装置，该方法包括：首先，获取测量装置中由粗粒土形成的土柱在静态试验时对应的静态边界曲线，以及在动态试验时已知渗流速率下对应的动态边界曲线；其次，利用土水特征曲线vg模型分别对所述静态边界曲线和所述动态边界曲线进行拟合，得到对应的静态模型参数和动态模型参数；之后，基于所述静态模型参数、所述动态模型参数、所述已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；最后，基于所述渗流速率参数、所述静态模型参数，以及待测渗流速率对应的水力坡降，对所述vg模型进行处理，得到边界曲线预测模型。由此，本实施例能够利用边界曲线预测模型预测不同渗流速率下对应的边界曲线，并能够预测不同渗流速率对应的边界滞回曲线，提高了边界曲线预测的准确率。
附图说明
17.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
18.图1为本发明一实施例提供的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法的流程示意图；
19.图2为本发明另一实施例提供的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法的流程示意图；
20.图3为本发明一实施例中滞回扫描线的示意图；
21.图4为本发明一实施例中测量装置的结构示意图；
22.其中，10、主体模具；20、量测系统；30、加压系统；11、不锈钢多孔；21、yzte-ppt100张力计，22、5te土壤传感器；31、悬挂水柱；32、疏输水管；40、第一阀门；50、第二阀门；
23.图5为本发明一实施例中基于测试装置进行测试时不同状态时吸力台阶的示意图；
24.图6为本发明一实施例提供的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测装置的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
26.如图1所示，为本发明一实施例提供的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法的流程示意图。
27.一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法，所述方法至少包括如下步
骤：
28.s101，获取测量装置中由粗粒土形成的土柱在静态试验时对应的静态边界曲线以及在动态试验时已知渗流速率下对应的动态边界曲线；
29.s102，利用土水特征曲线的vg模型分别对静态边界曲线和动态边界曲线进行拟合，得到对应的静态模型参数和动态模型参数；
30.s103，基于静态模型参数、动态模型参数、已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；
31.s104，基于渗流速率参数、静态模型参数，以及待测渗流速率对应的水力坡降，对vg模型进行处理，得到边界曲线预测模型。
32.在s101中，土水特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线，能够反应土壤水能量与土壤水含量的函数关系，是表示土壤基本水力特性的重要指标，对研究土壤滞留与运移有十分重要的作用。
33.吸力台阶：在重力加速度不等于0且相对于连通器内各个部分的值都相同的情况下，向连通器内注入同一密度液体，当容器内液面未保持相同高度，存在高度差时，液面表面存在吸力；当高度差保持不变时，将连通器内因为液面间高度差产生的恒定吸力称之为吸力台阶。不同吸力台阶会产生不同渗流速率。
34.通过悬挂水柱对土柱施加不同的吸力台阶可以改变土柱渗流速率，当吸力台阶较小(小于10cm)，渗流速率很慢时，称之为静态试验；当吸力台阶较大(大于10cm)，渗流速率较快时，称之为动态试验。
35.在静态试验时，渗流速率可以看作近似为0。动态试验时渗流速率不等于0，有多种渗流速率。获取土柱在静态试验时边界线对应若干个试验点，基于该若干试验点绘制静态边界曲线；获取土柱在动态试验时已知速率下边界线对应的若干试验点，基于该若干个试验点绘制动态边界曲线。试验点用于指示在指定饱和体积含水率下所对应的吸力。
36.动态边界线有干燥边界曲线和吸湿边界线两种。
37.在s102中，vg模型如式(1)所示：
[0038][0039]
其中，ψ为吸力，se为有效饱和度，a和n为模型参数；
[0040]
se的计算公式如式(2)所示：
[0041][0042]
其中，θ为当前体积含水率，θs为饱和体积含水率，θr为残余体积含水率。
[0043]
由此，基于公式(1)对静态边界曲线进行拟合，得到静态模型参数a0和b0。基于公式(1)对动态边界曲线进行拟合，得到动态模型参数a和b。
[0044]
在s103中，所述基于所述静态模型参数、所述动态模型参数、所述已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；包括：获取测量装置中土柱高度，以及所述已知渗流速率对应的吸力台阶；基于所述吸力台阶和所述土柱高度，确定所述已知渗流速率对应的水力坡降；基于所述动态模型参数、所述静态模型参数，以及所述已知渗流速率对应的水力坡
降，确定渗流速率参数。
[0045]
吸力台阶主要是指在重力加速度不等于0且相对于连通器内各个部分的值都相同的情况下，向连通器内注入同一密度液体，当容器内液面未保持相同高度，存在高度差时，液面表面存在吸力；当高度差保持不变时，将连通器内因为液面间高度差产生的恒定吸力称之为吸力台阶。不同吸力台阶会产生不同渗流速率。
[0046]
具体地，动态试验时，不同渗流速率下，vg模型参数的取值由如下公式(3)确定：
[0047][0048]
a＝a0+b'1·i[0049]
n＝n0+b'2·i[0050]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(3)；
[0051]
其中，参数b'1和b'2为渗流速率参数，均与土体的孔隙率、渗透系数以及毛细松弛效应相关；i为水力坡降，δψ为施加的吸力台阶，l为土柱高度。
[0052]
采用本方法得到的边界线模型中有四个参数，其中a0和n0为可利用平衡条件下的边界线来进行拟合，参数b'1和b'2需要利用某一渗流流速下的试验结果拟合得到a和n后利用式(3)进行计算。
[0053]
在s104中，利用渗流速率参数、静态模型参数，以及待测渗流速率对应的水力坡降，基于公式(3)计算与待测渗流速率对应的动态模型参数；将计算得到的动态模型参数代入公式(1)，得到边界曲线预测模型。
[0054]
之后基于边界曲线预测模型能够对动态试验中不同渗流速率下的边界曲线进行预测和估算。
[0055]
本实施例基于静态试验时的静态边界曲线以及动态试验时的动态边界曲线对vg模型进行重新构建，从而获得边界曲线预测模型；之后在土柱边界施加恒定吸力台阶，通过控制吸力台阶的大小来达到改变渗流速率；最后基于边界曲线预测模型能够对任意渗流速率对应的边界曲线进行预测，从而提高了边界曲线预测的准确率。
[0056]
在本实施例优选的一实施方式中，一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法，还包括：基于所述边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态边界曲线。
[0057]
滞回曲线是由土体在吸湿过程对应的土水特征曲线和排水过程中对应的土水特征曲线所形成的闭环曲线。不同的水里路径得到的土水特征曲线均不同。
[0058]
具体地，所述动态边界曲线为干燥边界曲线或者吸湿边界曲线；干燥边界曲线对应干燥边界曲线预测模型；吸湿边界曲线对应吸湿边界曲线预测模型；所述基于所述边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态边界曲线，包括：基于所述干燥边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的干燥边界曲线；基于所述吸湿边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的吸湿边界曲线；基于所述干燥边界曲线和所述吸湿边界曲线，确定与所述待测渗流速率对应的边界滞回曲线。
[0059]
如图2所示，为本发明另一实施例中针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法的流程示意图。
[0060]
一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法，至少包括如下步骤：
[0061]
s201,获取土柱在静态试验时对应的静态扫描线以及在动态试验时已知渗流速率
对应的动态扫描线；静态扫描线或动态扫描线用于指示除干燥边界曲线与吸湿边界线之外的土水特征曲线；
[0062]
s202,确定边界曲线预测模型对应的边界曲线斜率；
[0063]
s203,基于静态扫描线的斜率、边界曲线斜率、动态扫描线与对应边界曲线之间的距离，以及相同体积含水率处干燥边界曲线与吸湿边界曲线之间的差值，确定扫描线预测参数；
[0064]
s204,针对任一待测渗流速率：基于扫描线预测参数、边界曲线斜率、待测渗流速率对应的扫描线与边界曲线之间的距离，以及相同体积含水率处干燥边界曲线与吸湿边界曲线之间的差值，确定待测渗流速率对应的动态扫描线斜率；基于待测渗流速率对应的动态扫描线斜率、含水率变化，以及含水率变化对应的吸力变化，构建扫描线预测模型。
[0065]
具体地，实际工程中土水特征曲线变化并不一定在边界线上变化，还有可能位于扫描线上，此时需要提出扫描线的预测方法。首先利用公式(1)确定边界线后，可按下式(4)计算其斜率，
[0066][0067]
如图3所示，根据边界面模型的思想，扫描线位于边界面内部，其斜率可按以下公式(5)计算：
[0068][0069]
其中，k表示扫描线的斜率，表示边界线的斜率，λ为表征扫描线吸力随饱和度变化程度的参数。
[0070]
r表示在相同体积含水率θ处两边界土水特征曲线的差值，表示当前扫描线到边界线的距离，可按下式(6)计算:
[0071]
r＝ψ
d-ψw[0072][0073]
其中，上标d表示排水的干燥边界曲线，w表示湿化的吸湿边界线。上标α与扫描线路径有关，对于干燥扫描线则α＝d，吸湿扫描线则α＝w。
[0074]
利用式(5)求得扫描线斜率后，给定含水率变化，可以求出吸力增量，如式(7)所示:
[0075]
dψ＝-kdθ
[0076]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(7)；
[0077]
给定初始条件对式(7)积分即可得到扫描线的吸力，即
[0078][0079]
将式(5)代入式(8)中，即得到了与待测渗流速率对应的扫描线预测模型。
[0080]
由此，基于边界曲线预测模型、静态试验时对应的静态扫描线以及在动态试验时已知渗流速率对应的动态扫描线，构建扫描线预测模型，提高了扫描线预测模型对待测渗流速率所对应的扫描线预测的准确性。
[0081]
在本实施例优选的一实施方式中，基于所述扫描线预测模型预测与所述待测渗流
速率对应的动态扫描线。
[0082]
在本实施例优选的另一实施方式中，所述动态扫描线为干燥扫描线或者吸湿扫描线；干燥扫描线对应干燥曲线斜率；吸湿扫描线对应吸湿曲线斜率；所述基于所述扫描线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态扫描线，包括：基于所述干燥曲线预测模型，预测与所述待测渗流速率对应的干燥扫描线；基于所述吸湿曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的吸湿扫描线；基于所述干燥扫描线和所述吸湿扫描线，确定所述待测渗流速率对应的中间滞回曲线。
[0083]
具体地，基于上述计算方法，在不同渗流速率下边界线得到的基础上，为得到不同渗流速率下的滞回曲线，需要通过试验装置测得一条极小渗流速率(近似平衡条件)下的扫描线对参数λ进行标定，进而可以通过公式(5)和(7)求得不同渗流速率下的滞回扫描线。
[0084]
由此，本实施例通过改变吸力台阶，得到不同渗流速率下的湿化和排水边界线，之后利用扫描线预测模型可实现对任意路径下扫描线的预测，进而得到渗流速率对应的完整的中间滞回曲线。
[0085]
传统土水特征曲线测量方法要求土中水分达到平衡后才能得到结果，而本方法无需平衡就可实现快速测量。更重要的是，传统方法仅能得到平衡曲线，无法获得不同渗流速率对应的边界曲线和扫描线，本方法可实现同时测量不同渗流速率(包括平衡条件)下的土水特征曲线。另外，传统的土水特征曲线测量方法大多只能测量单一干燥排水路径，无法获得完整的中间滞回曲线以及边界滞回曲线。本方法可以得到完整的边界滞回曲线，并结合扫描线预测模型可实现的任意路径扫描线的预测。
[0086]
如图4所示，为本发明一实施例中测量装置的结构示意图。
[0087]
本发明的测量装置包括：主体模具10、量测系统20、加压系统30。主体模具10由有机玻璃制成，整体内径尺寸为φ10*12cm，有机玻璃厚度为8mm，土柱尺寸为φ10*10cm。距离底部1cm处为φ10cm的多孔不锈钢板，孔径为0.2mm。不锈钢多孔板11上覆亲水性尼龙膜(尼龙微孔滤膜，孔径0.22um，进气值远大于100kpa)，用作空气屏障，只允许水通过，空气则无法穿过尼龙膜。不锈钢多孔板11下部为φ10*1cm的空间，用作蓄水池，储存无气去离子水。主体模具10的顶盖由有机玻璃制成，形状为圆形板，直径5cm，厚度5mm。圆心处开一小圆孔，保证土柱与大气相通。试验时，将顶盖安装至主体模具10顶部，防止试验过程中，土体受到污染以及周围环境的影响。
[0088]
量测系统20主要包括两大部分：基质吸力量测系统和体积含水率量测系统。基质吸力量测系统主要包括yzte-ppt100张力计21和数据线，yzte-ppt100张力计21用于基质吸力监测，数据线用于数据采集；体积含水率量测系统主要包括5te土壤传感器22和em50数据采集器，5te土壤传感器22用于土壤体积含水率监测，em50数据采集器用于数据采集。5te土壤传感器可同时测量土体含水量、电导率和温度，震荡频率为70mhz。土体含水量通过三叉状探针测定土的介电常数，然后根据土体介电常数与体积含水量的关系模型计算得到土体的含水量。yzte-ppt100张力计21为1bar张力计，其测量范围为-100～100kpa孔隙水压力。与此同时，该传感器采用数字信号传感器制作而成，不需使用传统数据采集仪，避免了电磁干扰引起的噪音波动，数据传输准确性不受导线长度影响，自动化读数。
[0089]
加压系统30主要包括输水管32和悬挂水柱31两部分。输水管32为pvc透明软管，内径4mm，具有耐腐蚀、耐酸碱、耐油耐压、高透明的特点。悬挂水柱31通过自制的圆柱形漏斗
实现。圆柱形漏斗的储水尺寸为6*6*6cm，通过pvc软管将主体模具与加压系统连接在一起，通过提升或者降低漏斗，来实现悬挂水柱的升降，来实现对土柱底部不同水力边界条件(吸力台阶)的施加。
[0090]
如图5所示，为本发明一实施例中基于测试装置进行测试时不同状态时吸力台阶的示意图。
[0091]
测量装置测试方法详细介绍如下：本装置提供了一种粗粒土在不同渗流速率下土水特征曲线的测量方法，操作步骤简单，测量速度较快。要试验对不同流速下任意扫描线的预测，需要利用本实验装置开展不同水路的试验，具体的操作步骤如下：
[0092]
1、边界线的测量
[0093]
步骤一：配置粗粒土土柱：将所需的粗粒土放置到烘箱中至少6h，烘干放置到真空袋中保存，隔绝空气。
[0094]
步骤二：装模：土柱制备采用沉沙法，密度采用土柱的堆积密度，将土柱通过漏斗缓慢的撒入无气水中，并分层搅拌，使土柱分布均匀，进而得到初始饱和状态的土柱。将yzte-ppt100张力计和5te土壤传感器安装在土柱竖向高度的中间位置(自土柱底部向上5cm处)，5te土壤传感器的采集间隔均设置为1min。每次需要进行一系列新的试验时，都要按照上述程序重新填充有机玻璃模具。所有情况下的填充孔隙率都相同(小于2％的差异)，这里通过控制每次填充用土量来实现；否则，重新填充以达到这一目的。
[0095]
步骤三：通过对土柱边界施加不同的吸力台阶可以改变渗流速率，当吸力台阶较小(小于10cm)，渗流速率很慢时，可用于模拟传统方法测得的结果，这里称之为静态试验；当吸力台阶较大(大于10cm)，渗流速率较快时，称之为动态试验。
[0096]
在静态试验开始时，悬挂水柱中的水位保持在与土柱底部相同的水平(与蓄水池液面水位保持相平)，第一阀门40和第二阀门50始终打开。排水过程悬挂水柱的标高以小增量(5cm)降低。在主湿化过程中，通过逐步升高悬挂水柱的方式对土柱进行润湿，同时加水以保持水位在流出水位。对yzte-ppt100张力计的读数进行监测，以确保在每次高程变化之前建立平衡。
[0097]
在动态排水试验时，关闭第二阀门50，将悬挂水柱31降低至土柱底部以下某一位置处，打开第二阀门50开始动态排水试验。每1min收集一次局部吸力和局部饱和度的数据，需确保每次动态排水实验回路(初、扫描或主)的初始含水饱和度和吸力基本相同(差异小于3％)。
[0098]
不论采用动态还是静态试验，均在土柱含水率达到残余状态后，结束排水。
[0099]
步骤四：按以上步骤排水待土柱达到残余阶段后，将该状态作为湿化路径的初始状态，逐步升高悬挂水柱，进行湿化试验，直至土柱饱和，得到所需的吸湿边界线。
[0100]
2.扫描线的测量
[0101]
扫描线测量的关键在于如何保证扫描线的试验起始点位于设定的渗流速率下的土水特征曲线的边界线上。为了实现这一目的，主要采取以下方法：
[0102]
干燥扫描线：对于干燥扫描线，试验均从土柱的残余状态开始试验，对处于残余阶段的土柱施加设定的吸力台阶进行吸湿，吸湿过程中时刻观察水分传感器的读数，当达到预设的含水率并保持稳定时，停止吸湿作为干燥扫描线的起点。
[0103]
吸湿扫描线：对于吸湿扫描线，试验土柱均从饱和状态开始试验，对处于饱和状态
的土柱施加设定的吸力台阶进行干燥，干燥过程中时刻观察水分传感器的读数，当达到预设的含水率并保持稳定时，停止干燥作为吸湿扫描线的起点。
[0104]
需要说明的是，实验过程中通过5te土壤传感器可以获得渗流过程中的瞬时体积含水率，采用秒级反应的张力计yzte-ppt100(吸力变化速度小于传感器达到平衡时间)可以获得瞬时吸力。
[0105]
还需要说明的是，张力计使用前需进行抽真空饱和，记录张力计饱和状态下的读数为u
w1
，试验过程中每分钟对应的读数为u
wi
(i＝2,3,....n)，故得到渗流过程中每分钟对应的吸力ψi＝u
a-u
wi
(其中ua是大气压)。通过本试验装置获得渗流过程中每分钟对应的有效饱和度和吸力，进而进而绘制出土样的土水特征曲线，得到为某砂性土通过本装置得到的土水特征曲线测量结果。利用结果标定模型参数a0、n0、b’和λ，利用公式(7)可实实现扫描线的预测。
[0106]
通过本测量装置可以得到土样在不同渗流速率下的土水特征曲线，测量装置成本低、操作简单，试验数据无需复杂处理；基于本测量装置可以获得砂性土完整的滞回曲线，并利用本发明的预测方法可实现任意边界线或扫描线的预测。
[0107]
如图6所示，为本发明一实施例提供针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测装置的结构示意图。一种针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测装置，所述装置600包括：第一获取模块601，用于获取测量装置中由粗粒土形成的土柱在静态试验时对应的静态边界曲线以及在动态试验时已知渗流速率下对应的动态边界曲线；拟合模块602，用于利用土水特征曲线vg模型分别对所述静态边界曲线和所述动态边界曲线进行拟合，得到对应的静态模型参数和动态模型参数；确定模块603，用于基于所述静态模型参数、所述动态模型参数、所述已知渗流速率以及土柱高度，确定渗流速率参数；模型获得模块604，用于基于所述渗流速率参数、所述静态模型参数，以及待测渗流速率对应的水力坡降，对所述vg模型进行处理，得到边界曲线预测模型。
[0108]
在优选的实施例中，所述装置还包括：第一预测模块，用于基于所述边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态边界曲线。
[0109]
在优选的实施例中，所述动态边界曲线为干燥边界曲线或者吸湿边界曲线；干燥边界曲线对应干燥边界曲线预测模型；吸湿边界曲线对应吸湿边界曲线预测模型；所述预测模块还包括：第一预测单元，用于基于所述干燥边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的干燥边界曲线；第二预测单元，用于基于所述吸湿边界曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的吸湿边界曲线；确定单元，用于基于所述干燥边界曲线和所述吸湿边界曲线，确定与所述待测渗流速率对应的边界滞回曲线。
[0110]
在优选的实施例中，所述确定模块包括：获取单元，用于获取测量装置中土柱高度，以及所述已知渗流速率对应的吸力台阶；第一确定单元，用于基于所述吸力台阶和所述土柱高度，确定所述已知渗流速率对应的水力坡降；第二确定单元，用于所述动态模型参数、所述静态模型参数，以及所述已知渗流速率对应的水力坡降，确定渗流速率参数。
[0111]
在优选的实施例中，所述装置还包括：第二获取模块，用于获取所述土柱在静态试验时对应的静态扫描线以及在动态试验时已知渗流速率对应的动态扫描线；所述静态扫描线或所述动态扫描线用于指示除所述干燥边界曲线与所述吸湿边界线之外的土水特征曲线；第二确定模块，用于确定所述边界曲线预测模型对应的边界曲线斜率；第三确定模块，
用于基于所述静态扫描线的斜率、所述边界曲线斜率、所述动态扫描线与对应边界曲线之间的距离，以及相同体积含水率处干燥边界曲线与吸湿边界曲线之间的差值，确定扫描线预测参数；第四确定模块，用于针对任一待测渗流速率：基于所述扫描线预测参数、所述边界曲线斜率、所述待测渗流速率对应的扫描线与边界曲线之间的距离，以及相同体积含水率处干燥边界曲线与吸湿边界曲线之间的差值，确定待测渗流速率对应的动态扫描线斜率；基于所述待测渗流速率对应的动态扫描线斜率、含水率变化，以及所述含水率变化对应的吸力变化，构建扫描线预测模型。
[0112]
在优选的实施例中，第二预测模块，用于基于所述扫描线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的动态扫描线。
[0113]
在优选的实施例中，所述动态扫描线为干燥扫描线或者吸湿扫描线；干燥扫描线对应干燥曲线斜率；吸湿扫描线对应吸湿曲线斜率；所述第二预测模块包括：第一预测单元，用于基于所述干燥曲线预测模型，预测与所述待测渗流速率对应的干燥扫描线；第二预测单元，用于基于所述吸湿曲线预测模型预测与所述待测渗流速率对应的吸湿扫描线；确定单元，用于基于所述干燥扫描线和所述吸湿扫描线，确定与所述待测渗流速率对应的中间滞回曲线。
[0114]
上述装置可执行本发明一实施例所提供的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法，具备执行用于针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法。
[0115]
本发明还提供一种电子设备，包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现本发明所述的针对不同渗流速率下土水特征曲线的预测方法。
[0116]
除了上述方法和设备以外，本技术的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本技术各种实施例的方法中的步骤。
[0117]
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本技术实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
[0118]
此外，本技术的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本技术如下各实施例的方法中的步骤。
[0119]
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘
只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
[0120]
以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
[0121]
本技术中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。
[0122]
还需要指出的是，在本技术的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
[0123]
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
[0124]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
[0125]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0126]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0127]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。