采用混凝土材料替代土壤制备水文物理模型透水介质层的方法

技术领域

本发明属于水文物理模型领域，尤其涉及一种采用混凝土材料替代土壤制备水文物理模型透水介质层的方法。

背景技术

水文物理模型作为水文学者重要的研究工具，以控制性实验成为验证理论推导和野外水文规律的重要支撑。此外，物理模型建造方便、成本廉价，并且能够利用人工喷洒装置使得水文研究的观测时间大大缩短，正逐渐成为缺资料或无资料流域水文研究的一种独特方法。

但是，目前的水文物理模型还局限在一维或简单二维结构特征上，例如众多水利院校室内试验室的变坡矩形土槽，虽然有一些物理模型已经能够针对指定流域进行模型搭建，能够很好的反映实际流域的地形变化，保留主要的结构特征，但在实际应用结果中也发现，土壤侵蚀和滑坡现象成为其应用的主要障碍。

此外，因为在挖掘、运输、填充过程中，天然的土壤结构被破坏，流域的土壤质地不能很好的还原，即使利用实际流域土壤填充物理模型也达不到还原实际流域土壤特性的效果，并且物理模型所用回填土壤需要根据颗粒粗细花费数月填充以达到预期的饱和导水率。另外，运输费用和难度也会增加，这有悖于简化研究的初衷。

在利用真实土壤(即回填土)填充物理模型时发现，强降雨会冲刷土层，模型出口处水流携带大量泥沙，严重影响出口流量观测，而且回填土壤支持降雨场数受到雨强和降雨时间影响，不能够满足水文研究的长效性要求。这种冲刷和滑坡现象一直伴随降雨过程，因此模型实际土壤性质一直在发生变化，这就直接导致物理模型的水文过程观测与实际流域的水文过程很难建立联系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用混凝土材料替代土壤制备水文物理模型透水介质层的方法，解决现有技术中利用真实土壤填充物理模型时，强降雨会冲刷土层，模型出口处水流携带大量泥沙，严重影响出口流量观测，而且回填土壤支持降雨场数受到雨强和降雨时间影响，不能够满足水文研究的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

采用混凝土材料替代土壤制备水文物理模型透水介质层的方法，包括如下步骤：

步骤1、制作模具：模具呈无底、无盖的筒状结构,模具的高度为H,模具的下端面面积为S；

步骤2、制作初式样：

2.1)、确定原材料：所述原材料包括石子、水、沙子和水泥；按质量百分比计算，石子占10％-12％，水占8％-12％，沙子占40％-50％，水泥占30％-40％；

2.2)、根据步骤2.1)准备N组式样原材料，每一组原材料的总质量均相同，但每一组的原材料成分占比都不相同，并记录每一组原材料对应的成分占比，N为大于等于20的自然数；一般需要制作20-30初式样，不断调整石子、沙子、水泥和水的比例。石子的作用是作为支撑骨架，由于颗粒较大的原因，它参与较大的宏观孔隙构建，这种孔隙大小取决于石子的排列方式，孔隙大小一般为1-3mm；沙子的作用为承填塞石子之间的大孔隙，并构建小孔隙；水和水泥混合后起到胶结粗骨料(石子)和细骨料(沙子)的作用，并在一定程度上填充沙子的小孔隙。

2.3)、将步骤2.2)的每一组原材料均匀混合后倒入对应的一个模具中，并进行压制，确保压制后N组式样的高度h相同，h＝(1/2～3/4)H；由于所用材料总体积较少，一般采用手动搅拌方式。首先，将材料按配比称量好；其次在材料混合时，先将石子、砂子和水泥固体材料搅拌均匀，再缓缓倒入称量准确的水；同时，不断搅拌至材料充分均匀。其判断标准是材料无颗粒聚集团，整体颜色均一。

2.4)、将步骤2.3)中的式样连同模具一起干燥，得到N个初式样，每个初式样对应一个唯一的编号；

步骤3、根据透水特性确定合适的样品：通过目视法得出步骤2.4)中所有初式样的估计饱和导水率，选出估计饱和导水率和所研究的实际水文地质领域饱和导水率相接近的一个或两个初式样，记为预选式样。只需通过目视法大概估计水流通过初式样的快慢以挑选最合适的配比初式样。

步骤4、根据步骤3中预选式样的成分占比，制作二次式样：

4.1)、按照每个预选式样的成分占比准备M组式样原材料，M组原材料的总质量均相同，且成分占比都相同，M为大于等于20的自然数。

4.2)、将步骤4.1)的每一组原材料均匀混合后倒入对应的一个模具中，并进行压制，确保压制后M组式样的高度h

4.3)、将步骤4.2)中的式样连同模具一起干燥，得到二次式样，每一个二次式样对应一个唯一的编号；

步骤5、测量步骤4.3)中所有二次式样的饱和导水率与田间持水量；

步骤6、分别用指数函数和线性函数拟合步骤5中测得的饱和导水率、田间持水量随样品容重的散点图，依据所研究的实际水文地质领域的饱和水力传导度和田间持水量选择合适的样品容重，得出最优的、可替代真实土壤的水文物理模型填充材料。

进一步优化，所述步骤2.4)和步骤4.3)中，将式样连同模具一起放在通风条件良好的环境下自然晾干48小时，或利用烘干机50℃烘干24时。

进一步优化，所述步骤3中采用目视法估计所有初式样的饱和导水率的具体方法为：将所有初式样连同模具置于清水中自然浸泡2h，使初式样充分湿润，然后从水中取出并自然排掉初式样多余水分，再将初式样连同模具置于水平渗漏网上，向模具内加水，使水面与模具的上边缘齐平，观察漏网所渗漏水量大小。由于步骤2中所有初式样的压制高度相同，模具大小完全一致，因此加入的水的高度也完全一致，即每个初式样品的都采用定水头方式估计饱和水力传导度，且定水头高度相同，不同样品之间采用目视法具有可比性。在这个步骤中，饱和导水率为初式样所考虑的第一特征，这是由实验目的和实验要求决定的。野外水文实验最关注土壤的两点性质，一是土壤饱和导水率，它决定了土壤水运移的快慢；二是土壤容纳水的能力，具体指标包括田间持水量、可排水孔隙度以及有效孔隙度等。而这两者又以饱和导水率居于首位，是任何野外观测都需要测试的土壤参数。

进一步优化，所述步骤3中的选出两个预选式样，按照质量占比计算两个预选式样的成分占比(各组分占总质量的百分比)包括：

石子：沙子：水泥：水＝10.5％：44.7％：34.3％：10.5％；

和，石子：沙子：水泥：水＝10.5％：42.1％：36.9％：10.5％。

进一步优化，所述步骤5中二次式样的饱和导水率测量方法如下：将所有二次式样连同模具置于水平渗漏网上，向每个模具内加水，使水面与模具的上边缘齐平，测量每个二次式样的渗透量Q、二次式样的厚度h

式中，K

进一步优化，所述步骤5中二次式样的田间持水量测量方法如下；分别测量每个二次式样采用的干重m

式中，F

其中，湿重测量方法为将二次式样在清水中完全浸泡2至3个小时，然后将其取出并在饱和的空气湿度下排干自由水，然后并称重；当没有无自由水流出，则判断为已经排干自由水。

进一步优化，所述原材料中石子为普通青石子，粒径为1-1.5cm，沙子为建筑黄砂，粒径为0.5-1.5mm；水泥为标号P.C32.5复合硅酸盐水泥；水为普通自来水。

进一步优化，所述模具采用铁板或亚克力透明板制成，端面呈矩形；压制式样的压板为矩形板，尺寸略小于模具，压板上表面中心位置固定设置有压力传递柱。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用土壤替代材料配比方案制得的水文物理模型，能够满足还原真实流域土壤特性的要求，包括饱和导水率和田间持水量。

2、在本发明的土壤替代材料中，通过加入了砂子和水泥，能够大大提高材料的强度，经实验发现，能够耐受强降水、大雨量情况，且本身结构不变，满足长期水文观测的实验要求。

3、本发明为物理模型中土壤填充提供了更加有效的方法，极大的促进了指定流域物理模型的发展，同时为海绵城市中透水路面的制作提供了思路。

4、本发明采用的设计方法理论上可以获得任意饱和导水率和田间持水量的范围组合，满足不同土壤特性需求。

5、本发明首次提出了土壤替代材料的概念、实验过程和结果，开拓了水文科研途径。

附图说明

图1为所述模具及压力板示意图,其中1(a)为模具的结构示意图，1(b)为压板拿的结构示意图；

图2为石子：沙子：水泥：水＝10.5％：44.7％：34.3％：10.5％的拟合散点图；

图3为石子：沙子：水泥：水＝10.5％：42.1％：36.9％：10.5％的拟合散点图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1-3所示，采用混凝土材料替代土壤制备水文物理模型透水介质层的方法，包括如下步骤：

步骤1、制作模具：所述模具1采用1mm厚的铁板制成，无底无盖，端面呈矩形，模具的高度为H为8cm、长为20cm、宽为10cm；如图1(a)所示。

步骤2、制作初式样：

2.1)、确定原材料：所述原材料包括石子、水、沙子和水泥；本方案中根据前期对透水性材料的调研工作，石子为普通青石子，粒径为1-1.5cm，沙子为建筑黄砂，粒径为0.5-1.5mm；水泥为标号P.C32.5复合硅酸盐水泥；水为普通自来水。按质量百分比计算，石子占10％-12％，水占8％-12％，沙子占40％-50％，水泥占30％-40％；

2.2)、根据步骤2.1)准备30组式样原材料，每一组原材料的总质量均相同为1.9kg，但每一组的原材料成分占比都不相同，并记录每一组原材料对应的成分占比。

在本实施例中，将石子用量固定在200g，其余三种材料根据压制后样品呈现的性状随机增加或减少，但保持其总质量为1.7kg。

2.3)、将步骤2.2)的每一组原材料均匀混合后倒入对应的一个模具中，并采用压板进行压制，确保压制后30组式样的高度h相同，均为5cm，每个式样的体积为1000cm

2.4)、将步骤2.3)中的式样连同模具一起放在通风条件良好的环境下自然晾干48小时，或利用烘干机50℃烘干24时。确保样品完全干燥，得到30个初式样，每个初式样对应一个唯一的编号。

步骤3、根据透水特性确定合适的样品：通过目视法得出步骤2.4)中所有初式样的估计饱和导水率，选出估计饱和导水率和所研究的实际水文地质领域饱和导水率相接近的两个初式样，记为预选式样，按照质量占比计算两个预选式样的成分占比分别为：石子：沙子：水泥：水＝10.5％：44.7％：34.3％：10.5％；

和，石子：沙子：水泥：水＝10.5％：42.1％：36.9％：10.5％。

步骤4、根据步骤3中预选式样的成分占比，制作二次式样：

4.1)、按照石子：沙子：水泥：水＝10.5％：44.7％：34.3％：10.5％的配比准备20组式样原材料，20组原材料的总质量均相同；

按照石子：沙子：水泥：水＝10.5％：42.1％：36.9％：10.5％配比准备23组式样原材料，23组原材料的总质量均相同；

4.2)、将步骤4.1)的每一组原材料均匀混合后倒入对应的一个模具中，并进行压制，式样的高度h

4.3)、将步骤4.2)中的式样连同模具一起干燥，得到二次式样，按照石子：沙子：水泥：水＝10.5％：44.7％：34.3％：10.5％的配比制备的20组式样记为第一系列二次式样；

按照石子：沙子：水泥：水＝10.5％：42.1％：36.9％：10.5％配比制备的23组式样原材料记为第二系列二次式样；

步骤5、测量步骤4.3)中所有二次式样的饱和导水率与田间持水量，其中，二次式样的饱和导水率测量方法如下：将所有二次式样连同模具置于水平渗漏网上，向每个模具内加水，使水面与模具的上边缘齐平，测量每个二次式样的渗透量Q、二次式样的厚度h

式中，K

二次式样的田间持水量测量方法如下；分别测量每个二次式样采用的干重m

式中，F

其中，湿重测量方法为将二次式样在清水中完全浸泡2至3个小时，然后将其取出并在饱和的空气湿度下排干自由水，然后并称重；当没有无自由水流出，则判断为已经排干自由水。

其中，按照石子：沙子：水泥：水＝10.5％：44.7％：34.3％：10.5％的配比制备的20组第一系列二次式样的测量数据、饱和导水率和田间持水量值如表1所示。

表1：第一系列二次式样的测量数据、饱和导水率和田间持水量

按照石子：沙子：水泥：水＝10.5％：42.1％：36.9％：10.5％的配比制备的23组第二系列二次式样的测量数据、饱和导水率和田间持水量值如表2所示。

表2：第二系列二次式样的测量数据、饱和导水率和田间持水量

上述表1、2中，式样干重＝干总重-模具重；湿总重＝湿样品重+模具重；水重＝湿总重-干总重。其中，重量的单位为g；Q的单位为cm

步骤6、分别用指数函数和线性函数拟合步骤5中测得的表1、2饱和导水率、田间持水量随样品容重的散点图，得到的函数如表3所示。依据所研究的实际水文地质领域的饱和水力传导度和田间持水量选择合适的样品容重，得出最优的水文物理模型。

其中，第一系列二次式样用指数函数和线性函数拟合饱和导水率、田间持水量随样品容重的散点图，如图2所示。第二系列二次式样用指数函数和线性函数拟合饱和导水率、田间持水量随样品容重的散点图，如图3所示。

表3：拟合曲线公式

其中，SHC：饱和导水率，BD：容重，FMC：田间持水量，R：相关系数。

在本发明中，饱和水力传导度是作为土壤替代材料用于水文物理模型填充透水介质层所需考虑的首要因素，即填充层应采用SHC-BD相关性系数最大的一组实验数据和拟合结果，确保按照拟合曲线选择的混合材料容重的饱和导水率能够最接近真实土壤的饱和水力传导度。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。