[发明专利]一种基于探地雷达方法的浅层土导热参数全覆盖预测方法

说明书

本发明公开了一种基于探地雷达方法的浅层土导热参数全覆盖预测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、对1.5m以内土体芯样进行取样，获得土体沿深度方向干密度和含砂率；步骤二、采用多天线对空气耦合探地雷达设备，快速测定三维探地雷达覆盖区域土体介电常数；根据土体介电常数、土壤干密度，获取覆盖区域内沿时间与空间变化的土体体积含水率；步骤三、基于探地雷达技术的土体导热参数快速预测：利用土体干密度、含砂率与体积含水率，计算土体热导系数和土体体积比热容。本发明能用于获取降雨前后、干燥、湿润等气候条件下土体导热参数三维信息，实现土体导热参数全覆盖、高效、无损、三维呈现等效果，可大幅度提高土体导热参数测试水平。

技术领域

本发明属于岩土工程(能源岩土、环境岩土、交通岩土)领域，涉及一种浅层土导热参数全覆盖预测方法，具体涉及一种可用于快速、全覆盖获得浅层土导热参数在时间与空间上的变化的方法。

背景技术

土体导热参数是土的基本物理性质，影响热在土体中的传播快慢以及储存容量。土体导热参数与地热资源开采联系密切，高导热率土体一般具备更高效的地热能开采效率。此外，浅层土与大气环境交互密切，低温条件下热量通过浅层土体运输至大气，在高气温条件下将空气中的热量通过浅层土体运输至更深层土体。因此，土体导热参数是能源岩土、环境岩土等关键参数。

土体导热参数常用探针法与模型计算法获得。探针法只能获得具体点位导热参数，不具有全覆盖特征，且采用此方法获得一定深度土体导热参数需要进行取芯或者采用热响应测试方法，提升检测成本。模型计算法通过土体导热参数与含水率、干密度、含砂率的关系可计算土体导热参数。土体干密度与含砂率随气候变化影响小，可视作不随气候变化改变，通过钻芯取样法可获取土体沿深度方向的干密度与含砂率，然而土体含水率受外界条件(降雨、蒸发等)及内在条件(持水特征参数、地下水等)影响，在不同扰动(季节因素、人工因素等)条件下处于波动状态，对浅层土尤为如此。采用钻芯取样法获取土体含水率为常用模型计算法获得土体导热参数途径，此方法缺点为不能对土体区域进行全覆盖，且钻芯成本较高。

因此，以上两种方法均可视作‘点’式土体导热参数预测方法，且难以反映土体导热参数在时间与空间上的变化。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于探地雷达方法的浅层土导热参数全覆盖预测方法。该方法结合多天线对空气耦合探地雷达方法与模型计算法，快速、全覆盖获取土体导热参数，能显著提升现有土体导热参数测试水平并高效反映土体导热参数在时间与空间上的变化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于探地雷达方法的浅层土导热参数全覆盖预测方法，包括如下步骤：

步骤一、土体深度方向干密度及含砂率取样及测试

对1.5m以内土体芯样进行取样，获得土体沿深度方向干密度ρ_d和含砂率x_s；

步骤二、多天线对空气耦合探地雷达岩土体积含水率无损探测

步骤二一、采用多天线对空气耦合探地雷达设备，快速测定三维探地雷达覆盖区域土体介电常数ε；

步骤二二、根据土体介电常数ε、土壤干密度ρ_d，获取覆盖区域内沿时间与空间变化的土体体积含水率θ_w，计算公式如下：

ε＝0.819+0.168ρ_d+0.519ρ_d²+(7.17+1.18ρ_d)θ_w；

步骤三、基于探地雷达技术的土体导热参数快速预测

利用步骤一和步骤二获得的土体干密度、含砂率与体积含水率，计算土体热导系数和土体体积比热容，其中：

土体导热系数k的计算公式如下：