多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測定方法
【專利摘要】多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測定方法，模擬系統(tǒng)包括底部構(gòu)件、連接在底部構(gòu)件上的一個或多個串聯(lián)的土柱實驗標準構(gòu)件以及土柱實驗標準構(gòu)件頂部的多種強度降雨入滲裝置；模擬系統(tǒng)裝土構(gòu)件為多個標準構(gòu)件且由計算機自動化控制，并且基于該系統(tǒng)實現(xiàn)降雨入滲系數(shù)和非飽和滲透系數(shù)的測定，并給出了測試步驟及計算方法，測定時采用大直徑的原狀土柱進行室內(nèi)實驗，運用多種強度降雨入滲裝置模擬三種強度降雨入滲邊界條件，即低強度降雨全入滲邊界條件、中強度降雨有徑流入滲邊界條件和高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件；具有實用性強，使用效果好，便于推廣使用的特點。
【專利說明】
多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于非飽和土技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)及非 飽和滲透系數(shù)測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 降水主要是指降雨和降雪，水分以各種形式從大氣到達地面，其它形式的降水還 包括露、霜、雹等。降水是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是人類用水的基本來源。降水資料是分析 合理洪枯水情、流域旱情的基礎(chǔ)，也是水資源的開發(fā)利用如防洪、發(fā)電、灌溉等的規(guī)劃設(shè)計 與管理運用的基礎(chǔ)。降水入滲補給地下水的過程是大氣水到土壤水到地下水"三水"相互轉(zhuǎn) 換關(guān)系中最基本的環(huán)節(jié)之一，降水入滲對地下水的補給量即為降水補給量，它是地下水的 主要補給方式，同時，也是區(qū)域水均衡計算中的一個重要均衡要素。
[0003] 土柱實驗被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、土木和環(huán)境等研究領(lǐng)域。應(yīng)用土柱實驗 可以在實驗室內(nèi)模擬土壤水分和污染物迀移規(guī)律。土柱通常分為原狀土柱和擾動土柱兩 種。原狀土柱能夠用來測試土體本身的結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)；當前土柱實驗一般采用擾動土 柱，擾動土柱是經(jīng)過篩分形成，或者按照一定比例混合填裝所形成的，其不能用來測試土體 本身的結(jié)構(gòu)特性。不管采用哪種土柱進行試驗，都存在以下問題:①土柱實驗裝土構(gòu)件單節(jié) 長度大，便捷性差，以至于土柱安裝困難，對儀器的清洗造成不便;②監(jiān)測設(shè)備安裝繁瑣，需 要對土柱進行鉆孔，破壞其結(jié)構(gòu)性;③監(jiān)測設(shè)備一般為人工觀測，使得實驗精度低、人為性 強。
[0004] 非飽和滲透系數(shù)與含水量或基質(zhì)勢的關(guān)系是描述非飽和土壤中水分運移和溶質(zhì) 輸送的重要函數(shù)關(guān)系之一，是分析降水條件下土坡穩(wěn)定性、固體廢物填埋場、地下污水的迀 移和填土工程等問題的重要參數(shù)。由于在非飽和土中有基質(zhì)吸力的存在，不能用常規(guī)的飽 和滲透實驗方法確定其滲透系數(shù)，使得非飽和土滲透系數(shù)的確定具有較大的難度。非飽和 滲透系數(shù)的測定既可在實驗室，也可在現(xiàn)場進行。室內(nèi)實驗的優(yōu)點是可在設(shè)定的水力邊界 條件下測試原狀試樣和重塑試樣的非飽和滲透性能，同時與原位實測相比，室內(nèi)實驗周期 短、經(jīng)濟且更成熟。但通常由于非飽和土的成分、結(jié)構(gòu)以及賦存環(huán)境的差異，導(dǎo)致了室內(nèi)實 驗所用小試件難以代表真正土體的實際情況。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種多狀態(tài)原狀土柱入滲 模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測定方法，基于大直徑的原狀土柱進行室內(nèi)實驗，采用多種強 度的降雨模擬裝置，模擬系統(tǒng)裝土構(gòu)件為多個標準構(gòu)件且由計算機自動化控制，并且基于 該系統(tǒng)實現(xiàn)非飽和滲透系數(shù)的測定，并給出了測試步驟及計算方法，具有實用性強，使用效 果好，便于推廣使用的特點。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] 多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)，包括底部構(gòu)件（1 )、連接在底部構(gòu)件（1)上的一個 或多個串聯(lián)的土柱實驗標準構(gòu)件(4)以及土柱實驗標準構(gòu)件(4)頂部的多種強度降雨入滲 模擬裝置(C);
[0008] 所述的底部構(gòu)件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水點通過塑 料軟管(2)接入出滲量量杯(3 )，塑料軟管(2)上設(shè)置有第三流量傳感器(3-1 )，第三流量傳 感器(3-1)接入計算機(7);底座（1-1)的上方設(shè)置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的上部設(shè)置 有高進氣值陶土板(1-3)，高進氣值陶土板(1-3)的四周邊沿均與底部構(gòu)件（1)管件（1-7)的 內(nèi)壁水平緊貼，高進氣值陶土板(1-3)的頂部設(shè)置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上表面與原狀 土樣（12)接觸;管件（1-7)的頂端設(shè)置有外螺紋連接段（1-6)，外螺紋連接段（1-6)通過法蘭 (6)與土柱實驗標準構(gòu)件(4)連接；
[0009] 所述土柱實驗標準構(gòu)件(4)由兩個相同的半圓柱體經(jīng)卡箍(4-30)通過土柱實驗標 準構(gòu)件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個圓柱體，土柱實驗標準構(gòu)件(4)的管壁 (4-1)上設(shè)置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個土柱實驗標 準構(gòu)件(4)通過法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進行連接;插入件(5)通過橡膠塞(5-7)插入原狀土樣（12)內(nèi)，插入件(5)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實時傳輸給計算機(7)，土壤 熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內(nèi)；土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7) 內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實時傳輸給計算機(7); 土柱實驗標準構(gòu)件(4)上固定有多個測壓 管(4-9)，多個測壓管(4-9)的每個入水口經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣(12)內(nèi)，所述的插 入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)在土柱上按照同一列布置， 測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0010]所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力柱主體（1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱豎向投影 按照"一個圓心+以底座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱主體（1-21)長度不同使得底座(1 -1)呈現(xiàn)坡度；
[0011] 所述的土柱底部構(gòu)件（1)、土柱實驗標準構(gòu)件(4)及圓柱構(gòu)件（10)均由耐高溫玻璃 鋼制成；
[0012] 所述的插入件(5)的最前端設(shè)置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內(nèi)部管道的轉(zhuǎn)角處 設(shè)置有橡膠墊片(5-1)，內(nèi)部管道中設(shè)置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫濕度傳感器探 頭(4-5)，彈出件（5-2)后端與導(dǎo)線(9)進行連接，彈出件(5-2)的尾部套設(shè)有輕質(zhì)彈簧(5-4)，輕質(zhì)彈簧(5-4)的末端設(shè)置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的外側(cè)中段設(shè)置有擋板(5-3)；
[0013] 所述圓形小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結(jié)合緊密，排布方式為:縱 向上相隔排列且遵循上密下疏原則，橫向上繞土柱實驗標準構(gòu)件(4)外圓周長8等分排布；
[0014] 所述的卡箍(4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡 箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調(diào)節(jié)卡箍(4-30)的松緊 程度，使標準圓柱構(gòu)件緊密結(jié)合；
[0015] 所述的法蘭⑻內(nèi)側(cè)設(shè)有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設(shè)置有轉(zhuǎn)動把手(6-2);
[0016] 所述的計算機(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設(shè)置 有溫濕度探測輸出端（7-2)、基質(zhì)吸力探測輸出端（7-3);溫濕度探測輸出端（7-2)經(jīng)導(dǎo)線 (9)連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接土壤熱傳導(dǎo)吸 力探頭(4_7);
[0017] 所述的多種強度降雨入滲模擬裝置(C)包括低強度降雨全入滲模擬裝置（16)、中 強度降雨有徑流入滲模擬裝置(17)和高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置(14);
[0018] 所述的低強度降雨全入滲模擬裝置(16)包括外側(cè)刻有刻度的輸水水桶（16-1)，輸 水水桶（16-1)的下方通過輸水管（16-12)與降雨噴頭（16-9)連通，降雨噴頭（16-9)設(shè)置于 土柱實驗標準構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件（10)頂部，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀土樣（12)上表 面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;U型水頭控制管 (10-2)內(nèi)的水面上設(shè)置有輕質(zhì)塑料片（16-8)，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)形式為薄圓片，所述 輕質(zhì)塑料片（16-8)上方的圓形凹槽內(nèi)設(shè)置有永久磁鐵（16-7)，永久磁鐵（16-7)的正上方設(shè) 置有拉線（16-3)吊掛的電線圈（16-6)，電線圈（16-6)外接有導(dǎo)線(9)，拉線（16-3)的上端纏 于轉(zhuǎn)輪（16-2)上，轉(zhuǎn)輪（16-2)上設(shè)置有把手（16-4)，轉(zhuǎn)輪（16-2)上端用拉線（16-3)通過著 力構(gòu)件（16-11)的小孔與止水閥（16-5)下部相連接，止水閥（16-5)下端設(shè)置有輕質(zhì)彈簧 (16-10)，所述圓柱構(gòu)件（10)與U型水頭控制管（10-2)相連接，輕質(zhì)塑料片（16-8)、永久磁鐵 (16-7)和電線圈（16-6)都在U型水頭控制管（10-2)的滑槽（16-13)內(nèi)運動;所述滑槽（16- 13) 嵌于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)壁，所述電線圈（16-6)按照邊沿處三等分設(shè)置有滑軌（16- 14) ，所述滑軌（16-14)可在滑槽（16-13)內(nèi)自由上下運動;所述的低強度降雨全入滲模擬裝 置(16)控制原狀土樣(12)表面水位高度低于1mm;
[0019] 所述的中強度降雨有徑流入滲模擬裝置（17)包括設(shè)置在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的降雨 容器（17-9)和設(shè)置在降雨容器（17-9)底部的圓形降雨孔（17-10)，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原 狀土樣(12)上表面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;所 述降雨容器（17-9)的頂部設(shè)置有降雨容器內(nèi)的壓力控制管（17-8)和與外部水源連接的進 水管（17-7);所述進水管（17-7)上設(shè)置有進水電磁閥（17-2)、進水水栗（17-1)和用于對降 雨量進行實時監(jiān)測的第一流量傳感器（17-3);所述降雨容器內(nèi)壓力控制管（17-8)上設(shè)置有 壓力控制電磁閥（17-5)和壓力傳感器(17-6)，所述降雨容器內(nèi)的壓力控制管（17-8)的尾部 連接有空氣壓縮機(17-4);所述降雨容器(17-9)的頂部內(nèi)壁上設(shè)置有用于對降雨容器(17-9)的水位進行實時監(jiān)測的水位傳感器（17-11);所述圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的原狀土樣（12)上表 面外側(cè)開有出水口（10-1 )，出水口（ 1 〇-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯（13 )，所述塑料 軟管(2)上設(shè)置有第二流量傳感器(13-1)，所述第二流量傳感器(13-1)通過導(dǎo)線(9)接入計 算機(7);
[0020] 所述的高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置（14)包括外側(cè)刻有刻度的輸水水桶（14-1)， 輸水水桶（14-1)的下方通過輸水管（14-12)與降雨噴頭（14-9)連通，降雨噴頭（14-9)設(shè)置 于土柱實驗標準構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件（10)頂部，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀土樣（12)上 表面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;U型水頭控制管 (10-2)內(nèi)的水面上設(shè)置有輕質(zhì)塑料片（14-8)，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)形式為薄圓片，所述 輕質(zhì)塑料片（14-8)上方的圓形凹槽內(nèi)設(shè)置有永久磁鐵（14-7)，永久磁鐵（14-7)的正上方設(shè) 置有拉線（14-3)吊掛的電線圈（14-6)，電線圈（14-6)外接有導(dǎo)線(9)，拉線（14-3)的上端纏 于轉(zhuǎn)輪（14-2)上，轉(zhuǎn)輪（14-2)上設(shè)置有把手（14-4)，轉(zhuǎn)輪（14-2)上端用拉線（14-3)通過著 力構(gòu)件（14-11)的小孔與止水閥（14-5)下部相連接，止水閥（14-5)下端設(shè)置有輕質(zhì)彈簧 (14-10)，所述圓柱構(gòu)件（10)與U型水頭控制管（10-2)相連接，輕質(zhì)塑料片（14-8)、永久磁鐵 (14-7)和電線圈（14-6)都在U型水頭控制管（10-2)的滑槽（14-13)內(nèi)運動;所述滑槽（14- 13) 嵌于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)壁，所述電線圈（14-6)按照邊沿處三等分設(shè)置有滑軌（14- 14) ，所述滑軌（14-14)可在滑槽（14-13)內(nèi)自由上下運動;所述的高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬 裝置(14)控制原狀土樣（12)表面水位高度高于lcm以上。
[0021]基于多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測定方法，包括以下步驟： [0022]步驟一、組裝土柱實驗標準構(gòu)件
[0023]分別對土柱實驗標準構(gòu)件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進行拼接，對土柱實驗標 準構(gòu)件(4)的接縫進行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過 扳手上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后將多個土柱實驗標準構(gòu)件(4)通過法蘭(6)串聯(lián)實現(xiàn)縱向拼接；
[0024]步驟二、安裝原狀土樣
[0025]選取預(yù)先準備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經(jīng)連接好 的多個土柱實驗標準構(gòu)件(4)套住原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)與土柱實驗標準構(gòu)件(4) 之間的縫隙采用密封及防水處理保證后續(xù)實驗時水不從縫隙直接流下；
[0026]步驟三、組裝土柱實驗儀器設(shè)備
[0027]先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對應(yīng)的承力 柱支座（1-22)上，將高進氣值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進氣 值陶土板（1-3)上表面鋪設(shè)有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進氣值陶土板（1-3)、 濾紙（1-4)均位于管件（1-7)內(nèi)部;在集水處最低位置設(shè)置一個出水孔外接塑料軟管(2)，將 所述塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳 感器(3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過導(dǎo)線(9)接入計算機(7);然后將法蘭(6)的法蘭 螺紋(6-1)對準外螺紋連接段(1-6)，通過轉(zhuǎn)動把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構(gòu)件 (1)上方，然后將拼接組裝而成的土柱實驗標準構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)通過土 柱實驗標準構(gòu)件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構(gòu)件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺 紋(6-1)進行組裝，使拼接組裝而成的土柱實驗標準構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)位 于底部構(gòu)件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進行連接；
[0028]步驟四、測定原狀土樣的初始狀態(tài)
[0029]原狀土樣（12)的初始含水率：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12) 的濕度進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號 通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的濕度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點處原狀土 樣(12)的初始含水率0。；
[0030]原狀土樣（12)的初始溫度：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的 溫度進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通 過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12) 的溫度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個測試點處原狀土樣 (12)的初始溫度T c;
[0031]原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力：多個土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測 信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土 樣（12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個測試 點處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％;
[0032]原狀土樣（12)的水頭高度：多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進 行監(jiān)測得到各個測試點初始階段對應(yīng)的水頭高度h。；
[0033]原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點帶回的其它土樣進行飽 和含水率測定，作為原狀土樣(12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內(nèi)，為其注水直至水面 浸沒土樣，浸沒10分鐘之后將多余的水清除，稱質(zhì)量為m，之后將土樣和稱量盒放入烘箱內(nèi)， 進行烘干，之后將其置于天平上進行稱重得質(zhì)量為ms，之后利用公式 計算求得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat;
[0034] 步驟五、模擬多種強度降雨入滲邊界條件
[0035] 根據(jù)測試要求，多種強度降雨入滲模擬裝置(C)配合土柱實驗標準構(gòu)件(4)工作來 模擬三種強度降雨入滲邊界條件，即低強度降雨全入滲邊界條件、中強度降雨有徑流入滲 邊界條件、高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件；
[0036] 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測
[0037]多個溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的濕度進行監(jiān) 測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路 實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號，并 將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應(yīng)的含水率0 1;多 個土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力進行監(jiān)測，將 監(jiān)測到的基質(zhì)吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路 實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信 號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個測試點記錄時刻對應(yīng)的基 質(zhì)吸力F a;多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進行監(jiān)測得到各個測試點記 錄時刻對應(yīng)的水頭高度hi;
[0038] 上述所有的監(jiān)測，其監(jiān)測時間頻率設(shè)置如下：降雨入滲5分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為5 秒，降雨入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為10秒，降雨入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為15 秒，降雨入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為20秒，降雨入滲60分鐘以后記錄時間間隔為60 秒，直到實驗達到穩(wěn)定后2-4小時以上；
[0039] 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析
[0040] 對所記錄的某一時刻的基質(zhì)吸力Fa監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時刻原狀土樣 (12)所對應(yīng)的基質(zhì)吸力云圖；同時對所記錄的某一時刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的含水率0:監(jiān) 測數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時刻原狀土樣(12)對應(yīng)的含水率云圖；
[0041] 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，找出每個時刻所對應(yīng)的濕潤前鋒的位置，所述濕潤 前鋒的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時間t的變化規(guī)律;根據(jù)含水率云圖，依 據(jù)含水率的大小，找出每個時刻所對應(yīng)的飽和含水率0 sat的等值線，從而確定完全飽和帶， 所述完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內(nèi)出現(xiàn)水分完全飽和的部分；當濕潤前鋒 與完全飽和帶在同一監(jiān)測時刻出現(xiàn)時，所述濕潤前鋒線與飽和含水率9sat等值線之間的區(qū) 域被定義為降雨入滲過渡帶；
[0042]繪制基質(zhì)吸力F4P含水率0:的關(guān)系圖，從而分別得到各土層的的土-水特征曲線； [0043]步驟八、降雨入滲系數(shù)計算
[0044]根據(jù)公式Qr = Qz-Qj，計算得到降雨入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為總降雨量，單位 為cm3 ;Qj為降雨徑流量，單位為cm3;
[0045]根據(jù)公式AS = Qr-Qc，計算得到降雨入滲的水分虧損量AS，單位為cm3;其中Q r為 降雨入滲量，單位為cm3; Qc為降雨出滲量，單位為cm3;
[0046] 根據(jù)公式Vr = Qr/t計算得到降雨入滲率Vr，單位為Cm3/s ;其中Qr為降雨入滲量，單 位為cm3; t為實驗測試時間，單位為S;
[0047]根據(jù)公式V。= Q。/!:計算得到降雨出滲率V。，單位為cm3/s;其中Q。為降雨出滲量，單 位為cm3; t為實驗測試時間，單位為s;
[0048] 根據(jù)公式a = Qc/Qz計算得到降雨入滲系數(shù)a，單位為無量綱;其中Qc為降雨出滲量， 單位為cm3; Qz為總降雨量，單位為cm3;
[0049] 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計算
[0050] 基于土柱實驗的降雨入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下
(1)
[0052]將Darcy定律代入以上方程(1)得
(2)
[0054]對于非飽和土，滲透系數(shù)k與含水率存在函數(shù)關(guān)系，所以方程(2)可化為下式
(3)：
[0056] 根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（〇-ua)和基質(zhì)吸 力值的變化將會引起體積含水率^的變化，BP
[0057] d(a-uj- m''2 (ua- uu) (4)
[0058] 式中：〇--總應(yīng)力；
[0059] miw一一與法向應(yīng)力(〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0060] <--與基質(zhì)吸力(ua_uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0061]將方程(4)對時間微分，同時，在非穩(wěn)定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作 用，假定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得
[0064]由（3)、（5)式可得 (5) :即土-水特征曲線的斜率。
(6)
[0066]其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm;y為土柱測 點高度，單位為cm; y w為水的重度，單位為N/m3 ; <為土-水特征曲線的斜率，單位為無量 綱;t為時間，單位為s;
[0067] 依據(jù)方程(6)求得任意時刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數(shù)k，利用插值法繪制 其分布圖。
[0068] 步驟五所述的模擬多種強度降雨入滲邊界條件，其低強度降雨全入滲的具體模擬 步驟為：
[0069] (1)、向輸水水桶（16-1)內(nèi)加水（15)，此時使止水閥（16-5)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打 開止水閥（16-5)，水（15)經(jīng)輸水管（16-12)從降雨噴頭（16-9)流至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水 壓沖擊板(A)上，再到達原狀土樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣 (12)不受降雨侵蝕的作用;位于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的輕質(zhì)塑料片（16-8)與其上方的 永久磁鐵（16-7)在水（15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位高度相同，當上 部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位上升到高出原狀土樣（12)上表面1mm時，通過導(dǎo)線（9)給電線圈 (16-6)供電形成電磁鐵，同時通過把手（16-4)帶動轉(zhuǎn)輪（16-2)轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)輪（16-2)上纏 有拉線（16-3)，所述電線圈（16-6)隨著拉線（16-3)在滑槽（16-13)內(nèi)垂直運動，轉(zhuǎn)動把手 (16-4)調(diào)整拉線（16-3)長度使止水閥（16-5)在輕質(zhì)彈簧（16-10)的作用下接近于關(guān)閉狀態(tài) 來進行粗調(diào)，然后改變電線圈（16-6)的外部導(dǎo)線(9)所接電源電壓的大小來進行精調(diào)，使此 時止水閥（16-5)剛好處于關(guān)閉狀態(tài)；當U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的水位隨著上部的圓柱構(gòu) 件（1 〇)內(nèi)的水位下降時，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)和永久磁鐵（16-7)也隨之下降，永久磁鐵 (16-7)與電線圈（16-6)之間的磁力減小，所述輕質(zhì)彈簧（16-10)受到的荷載增加產(chǎn)生壓縮 形變，位于輕質(zhì)彈簧（16-10)上的止水閥（16-5)打開，水（15)繼續(xù)經(jīng)輸水管（16-12)從降雨 噴頭（16-9)流入圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)進行補給；當補給的水位高度再次大于1mm時，止水閥（16-5)就會處于關(guān)閉狀態(tài)，當補給的水位高度再次小于1_時，止水閥（16-5)打開繼續(xù)補給，從 而模擬出了低強度降雨全入滲邊界條件；
[0070] (2)、在模擬低強度降雨全入滲過程中，滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從通水孔（1-5) 內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);在低強度降雨全入滲過程中，觀測到 輸水水桶（16-1)的補水間隔為2小時以上時，說明達到入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)，停止實驗； 此時，輸水水桶（16-1)內(nèi)水的損失量與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)未滲入的水量之差記錄為總降雨量 Q z，在低強度降雨全入滲條件下，總降雨量Qz數(shù)值上等于入滲量Qr;此時，查看出滲量測量量 杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣（12)水的量，并將該讀數(shù)記錄為低強度降雨全入滲條件下的出滲量 Qc〇
[0071] 步驟五所述的模擬多種強度降雨入滲邊界條件，其中強度降雨有徑流入滲的具體 模擬步驟為：
[0072] (1)、計算機(7)發(fā)出信號接通空氣壓縮機（17-4)的供電回路，然后驅(qū)動壓力控制 電磁閥（17-5)打開，空氣壓縮機（17-4)啟動，產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過壓力控制電磁閥（17-5) 調(diào)節(jié)壓力后通過降雨容器內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)進入降雨容器（17-9)內(nèi)，將降雨容器 (17-9)內(nèi)的水從圓形降雨孔(17-10)中噴出，之后到達圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水壓沖擊板(A) 上，再到原狀土樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣（12)不受降雨侵 蝕的作用，模擬出了中強度降雨有徑流入滲邊界條件；中強度降雨模擬過程中，壓力傳感器 (17-6)對經(jīng)過降雨容器（17-9)內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)的壓縮空氣壓力進行實時監(jiān)測并 將監(jiān)測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的壓力監(jiān)測值與實驗設(shè)定的壓力 閾值進行比對，當壓力監(jiān)測值小于壓力閾值時，計算機(7)驅(qū)動壓力控制電磁閥（17-5)打開 的開度增大，當壓力監(jiān)測值大于壓力閾值時，計算機(7)驅(qū)動壓力控制電磁閥（17-5)打開的 開度減小，從而使經(jīng)過降雨容器(17-9)內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)的壓縮空氣壓力維持在壓 力閾值范圍內(nèi)；同時，所述水位傳感器(17-11)對降雨容器(17-9)內(nèi)的水位進行實時監(jiān)測并 將監(jiān)測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的水位監(jiān)測值與實驗設(shè)定的水位 設(shè)定值進行比對，當水位監(jiān)測值小于水位設(shè)定值時，計算機(7)控制接通進水水栗（17-1)的 供電回路，并驅(qū)動進水電磁閥（17-2)打開，外部水源流出的水通過進水管（17-7)流入降雨 容器(17-9)內(nèi)，當水位監(jiān)測值大于水位設(shè)定值時，計算機(7)控制斷開進水水栗（17-1)的供 電回路，并驅(qū)動進水電磁閥（17-2)關(guān)閉，停止往降雨容器（17-9)內(nèi)注水，從而使降雨容器 (17-9)內(nèi)水位維持穩(wěn)定，保證了降雨過程的持續(xù)進行；
[0073] (2)、在模擬中強度降雨有徑流入滲過程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水從出水口 (10-1)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13)，滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從通水 孔(1-5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);模擬中強度降雨過程中，徑流 量量杯（13)對未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量進行監(jiān)測并記錄，當相鄰的兩個采樣時刻的 未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量的差值小于等于lcm 3時，說明達到了入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水 系統(tǒng)，停止實驗;此時，第一流量傳感器(17-3)對降雨量進行實時監(jiān)測并將監(jiān)測到的信號實 時輸出給計算機（7)并記錄為總降雨量Q z;查看徑流量測量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣 (12)內(nèi)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨徑流量Qj;查看出滲量測量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土 樣(12)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨出滲量Q。。
[0074]步驟五所述的模擬多種強度降雨入滲邊界條件，其高強度降雨穩(wěn)定入滲的具體模 擬步驟為：
[0075] (1)、向輸水水桶（14-1)內(nèi)加水（15)，此時使止水閥（14-5)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打 開止水閥（14-5)，所述水（15)經(jīng)輸水管（14-12)從降雨噴頭（14-9)流至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的 抗水壓沖擊板(A)上，再到達原狀土樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀 土樣（12)不受降雨侵蝕的作用;位于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的輕質(zhì)塑料片（14-8)與其上 方的永久磁鐵（14-7)在水（15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位高度相同， 當上部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位上升到預(yù)設(shè)實驗高度時，通過導(dǎo)線(9)給電線圈（14-6)供電 形成電磁鐵，同時通過把手（14-4)帶動轉(zhuǎn)輪（14-2)轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)輪（14-2)上纏有拉線（14-3)，所述電線圈（14-6)隨著拉線（14-3)在滑槽(14-13)內(nèi)垂直運動，轉(zhuǎn)動把手（14-4)調(diào)整拉 線（14-3)長度使止水閥（14-5)在輕質(zhì)彈簧（14-10)的作用下接近于關(guān)閉狀態(tài)來進行粗調(diào)， 然后改變電線圈（14-6)的外部導(dǎo)線（9)所接電源電壓的大小來進行精調(diào)，使此時止水閥 (14-5)剛好處于關(guān)閉狀態(tài)；當U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的水位隨著上部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi) 的水位下降時，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)和永久磁鐵（14-7)也隨之下降，永久磁鐵（14-7)與 電線圈（14-6)之間的磁力減小，所述輕質(zhì)彈簧(14-10)受到的荷載增加產(chǎn)生壓縮形變，位于 輕質(zhì)彈簧(14-10)上的止水閥（14-5)打開，水(15)繼續(xù)經(jīng)輸水管（14-12)從降雨噴頭（14-9) 流入圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)進行補給；當補給的水位高度再次大于預(yù)設(shè)實驗高度時，止水閥（14-5)就會處于關(guān)閉狀態(tài)，當補給的水位高度再次小于預(yù)設(shè)實驗高度時，止水閥（14-5)打開繼 續(xù)補給，模擬出了高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件；
[0076] (2)、在模擬高強度降雨穩(wěn)定入滲過程中，滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從通水孔（1- 5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);在高強度降雨穩(wěn)定入滲過程中，觀 測到輸水水桶（14-1)的補水間隔為2小時以上時，說明達到入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)，停止 實驗;此時，輸水水桶（14-1)內(nèi)水（15)的損失量記錄為總降雨量Q z，同時，將輸水水桶（14-1)內(nèi)水（15)的損失量與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)未滲入的水的量之差記錄為降雨入滲量Qr，查看出 滲量測量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣(12)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨出滲量Q c。
[0077]本發(fā)明的優(yōu)點：
[0078] 1.本發(fā)明的土柱實驗標準構(gòu)件(4)由兩個相同的半圓柱體連接成一個圓柱體，可 以方便地進行原狀樣和重塑樣的實驗，同時方便實驗儀器的清洗工作，克服目前土柱實驗 難以采用原狀樣進行實驗以及后期清洗工作復(fù)雜的缺陷。
[0079] 2.橡膠塞(5-7)與插入件(5)的配合使用，克服現(xiàn)有土柱實驗測試元件插入時溢水 及水分虧損的缺陷，具有測試結(jié)果精確、可靠性高、可重復(fù)使用的優(yōu)點。
[0080] 3. 土柱實驗標準構(gòu)件(4)可根據(jù)實驗要求多個串聯(lián)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中土柱實驗 中裝土部件單節(jié)長度大、操作不便的缺陷;且整個系統(tǒng)的各部件采用標準構(gòu)件，使得實驗標 準化，實驗效率大大提尚。
[0081 ] 4.將模擬系統(tǒng)與計算機連接，實現(xiàn)自動化控制，具有精確性、標準性高的特點，克 服了現(xiàn)階段大部分的儀器設(shè)備人工操作容易出現(xiàn)誤差的缺陷。
[0082] 5.本發(fā)明提出了多種強度降雨入滲模擬裝置(C)，多種強度降雨入滲模擬裝置(C) 包括低強度降雨全入滲模擬裝置（16)、中強度降雨有徑流入滲模擬裝置(17)和高強度降雨 穩(wěn)定入滲模擬裝置(14);低強度降雨全入滲模擬裝置(16)和高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置 (14)利用永久磁鐵和電線圈磁性相斥的原理，從而控制降雨速度，實現(xiàn)模擬入滲；中強度降 雨有徑流入滲模擬裝置(17)通過空壓機實現(xiàn)了降雨強度的控制。
[0083] 6、基于多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)實現(xiàn)非飽和滲透系數(shù)的測定，并給出了測試 步驟及計算方法，具有實用性強，使用效果好，便于推廣使用的特點。
[0084] 7、本發(fā)明基于大直徑(不小于50cm)的原狀土柱進行室內(nèi)實驗，與傳統(tǒng)的室內(nèi)實驗 小試件相比，能夠更好地代表真正土體的實際情況;與原位實測相比，本發(fā)明的大直徑原狀 土柱實驗也具備周期短、花費少、技術(shù)手段成熟的特點。
[0085] 8、本發(fā)明可針對于礦山工程、公路工程、鐵路工程和水利水電工程等人類工程活 動，尤其是可對比分析人類工程活動擾動作用發(fā)生前后不同時期的各種不同類型原狀土樣 (12)的非飽和滲透特性，譬如采煤塌陷擾動作用發(fā)生前后不同時期的各種不同類型原狀土 樣（12)的非飽和滲透特性，所述的原狀土樣（12)包括礫類土、砂類土、細粒土以及諸如淤泥 類土、膨脹土、紅土、黃土類土、鹽漬土、人工填土等特殊土。
[0086] 9、本發(fā)明首次提出多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測定方法，本 發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎合理，能夠有效模擬降雨入滲的多種工況，具有準確度高、可靠性強。
【附圖說明】
[0087] 圖1A是基于低強度降雨全入滲模擬裝置的系統(tǒng)總圖。
[0088] 圖1B是低強度降雨全入滲模擬裝置(16)的示意圖。
[0089] 圖1C是圖1B中B處放大圖。
[0090] 圖2A是基于中強度降雨有徑流模擬裝置的系統(tǒng)總圖。
[0091] 圖2B是中強度降雨有徑流入滲模擬裝置(17)的示意圖。
[0092] 圖3A是基于高強度降雨穩(wěn)定入滲裝置的系統(tǒng)總圖。
[0093]圖3B是高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置(14)的示意圖。
[0094] 圖3C是圖3B中B處放大圖。
[0095]圖4是法蘭6的示意圖。
[0096]圖5是土柱實驗標準構(gòu)件(4)與底部構(gòu)件(1)的裝配圖。
[0097]圖6是土柱實驗標準構(gòu)件(4)中管壁(4-1)示意圖，其中圖6A是主視圖，圖6B是后視 圖。
[0098]圖7是圖5中A處的放大圖。
[0099]圖8是底座（1-1)的俯視圖。
[0100] 圖9是插入件(5)的示意圖。
[0101] 圖10是插入件(5)與橡膠塞(5-7)的配合示意圖。
[0102] 圖11是本發(fā)明的卡箍(4-30)的拆分示意圖。
[0103]圖12是本發(fā)明多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)的總示意圖。
【具體實施方式】
[0104]下面參照附圖對本發(fā)明做詳細敘述。
[0105] 參照圖12,多狀態(tài)原狀土柱入滲模擬系統(tǒng)，包括底部構(gòu)件（1)、連接在底部構(gòu)件（1) 上的一個或多個串聯(lián)的土柱實驗標準構(gòu)件(4)以及土柱實驗標準構(gòu)件(4)頂部的多種強度 降雨入滲模擬裝置(C);所述的多種強度降雨入滲模擬裝置(C)包括低強度降雨全入滲模擬 裝置(16)、中強度降雨有徑流入滲模擬裝置(17)和高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置(14);
[0106] 參照圖5,所述的底部構(gòu)件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水 點通過塑料軟管（2)接入出滲量量杯(3)，塑料軟管(2)上設(shè)置有第三流量傳感器(3-1)，第 三流量傳感器(3-1)接入計算機(7);底座（1-1)的上方設(shè)置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的 上部設(shè)置有高進氣值陶土板（1-3)，高進氣值陶土板（1-3)的四周邊沿均與底部構(gòu)件（1)管 件（1-7)的內(nèi)壁水平緊貼，高進氣值陶土板（1-3)的頂部設(shè)置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上 表面與原狀土樣(12)接觸;管件（1-7)的頂端設(shè)置有外螺紋連接段(1-6)，外螺紋連接段(1-6)通過法蘭(6)與土柱實驗標準構(gòu)件(4)連接；
[0107] 參照圖6,所述土柱實驗標準構(gòu)件(4)由兩個相同的半圓柱體經(jīng)卡箍(4-30)通過土 柱實驗標準構(gòu)件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個圓柱體，土柱實驗標準構(gòu)件 (4)的管壁(4-1)上設(shè)置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個土 柱實驗標準構(gòu)件(4)通過法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進行連接;插入件(5)通過橡 膠塞（5-7)插入原狀土樣（12)內(nèi)，插入件（5)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實時傳輸給計算機 (7)，土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內(nèi)；土壤熱傳導(dǎo)吸力探 頭(4-7)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實時傳輸給計算機(7);土柱實驗標準構(gòu)件(4)上固定有 多個測壓管(4-9)，多個測壓管(4-9)的每個入水口經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣(12)內(nèi)， 所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)在土柱上按照同一 列布置，測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0108]參照圖7、圖8,所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力 柱主體(1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱 豎向投影按照"一個圓心+以底座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱 主體(1-21)長度不同使得底座(1-1)呈現(xiàn)坡度；
[0109]所述的土柱底部構(gòu)件（1)、土柱實驗標準構(gòu)件(4)及圓柱構(gòu)件（10)均由耐高溫玻璃 鋼制成；
[0110] 參照圖9、圖10,所述的插入件(5)的最前端設(shè)置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內(nèi)部 管道的轉(zhuǎn)角處設(shè)置有橡膠墊片(5-1)，內(nèi)部管道中設(shè)置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫 濕度傳感器探頭(4-5)，彈出件(5-2)后端與導(dǎo)線(9)進行連接，彈出件(5-2)的尾部套設(shè)有 輕質(zhì)彈簧(5-4)，輕質(zhì)彈簧(5-4)的末端設(shè)置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的外側(cè)中段設(shè) 置有擋板(5-3);
[0111] 所述圓形小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結(jié)合緊密，排布方式為:縱 向上相隔排列且遵循上密下疏原則，橫向上繞土柱實驗標準構(gòu)件(4)外圓周長8等分排布；
[0112] 參照圖11，所述的卡箍(4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調(diào)節(jié)卡箍(4-30)的松緊程度，使標準圓柱構(gòu)件緊密結(jié)合；
[0113] 參照圖4,所述的法蘭(6)內(nèi)側(cè)設(shè)有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設(shè)置有轉(zhuǎn)動把 手(6-2);
[0114] 所述的計算機(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設(shè)置 有溫濕度探測輸出端（7-2)、基質(zhì)吸力探測輸出端（7-3);溫濕度探測輸出端（7-2)經(jīng)導(dǎo)線 (9)連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接土壤熱傳導(dǎo)吸 力探頭(4_7)。
[0115]實施例一
[0116] 本實施例中與本發(fā)明配套使用的多種強度降雨入滲模擬裝置(C)是低強度降雨全 入滲模擬裝置(16);
[0117] 參照圖1，所述的低強度降雨全入滲模擬裝置（16)包括外側(cè)刻有刻度的輸水水桶 (16-1)，輸水水桶（16-1)的下方通過輸水管（16-12)與降雨噴頭（16-9)連通，降雨噴頭（16-9)設(shè)置于土柱實驗標準構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件（10)頂部，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀土樣 (12)上表面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;U型水頭 控制管（10-2)內(nèi)的水面上設(shè)置有輕質(zhì)塑料片（16-8)，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)形式為薄圓 片，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)上方的圓形凹槽內(nèi)設(shè)置有永久磁鐵（16-7)，永久磁鐵（16-7)的 正上方設(shè)置有拉線（16-3)吊掛的電線圈（16-6)，電線圈（16-6)外接有導(dǎo)線(9)，拉線（16-3) 的上端纏于轉(zhuǎn)輪（16-2)上，轉(zhuǎn)輪（16-2)上設(shè)置有把手（16-4)，轉(zhuǎn)輪（16-2)上端用拉線（16-3)通過著力構(gòu)件（16-11)的小孔與止水閥（16-5)下部相連接，止水閥（16-5)下端設(shè)置有輕 質(zhì)彈簧(16-10)，所述圓柱構(gòu)件（10)與U型水頭控制管（10-2)相連接，輕質(zhì)塑料片（16-8)、永 久磁鐵（16-7)和電線圈（16-6)都在U型水頭控制管（10-2)的滑槽（16-13)內(nèi)運動;所述滑槽 (16-13)嵌于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)壁，所述電線圈（16-6)按照邊沿處三等分設(shè)置有滑軌 (16-14)，所述滑軌（16-14)可在滑槽（16-13)內(nèi)自由上下運動;所述的低強度降雨全入滲模 擬裝置(16)控制原狀土樣(12)表面水位高度低于1mm。
[0118] 本實施例是低強度降雨全入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測定方法包括以下步 驟：
[0119] 步驟一、組裝土柱實驗標準構(gòu)件
[0120]分別對土柱實驗標準構(gòu)件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進行拼接，對土柱實驗標 準構(gòu)件(4)的接縫進行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過 扳手上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后將多個土柱實驗標準構(gòu)件(4)通過法蘭(6)串聯(lián)實現(xiàn)縱向拼接；
[0121] 步驟二、安裝原狀土樣
[0122] 選取預(yù)先準備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經(jīng)連接好 的多個土柱實驗標準構(gòu)件(4)套住原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)與土柱實驗標準構(gòu)件(4) 之間的縫隙采用密封及防水處理保證后續(xù)實驗時水不從縫隙直接流下；
[0123]步驟三、組裝土柱實驗儀器設(shè)備
[0124] 先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對應(yīng)的承力 柱支座（1-22)上，將高進氣值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進氣 值陶土板（1-3)上表面鋪設(shè)有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進氣值陶土板（1-3)、 濾紙（1-4)均位于管件（1-7)內(nèi)部;在集水處最低位置設(shè)置一個出水孔外接塑料軟管(2)，將 所述塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳 感器(3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過導(dǎo)線(9)接入計算機(7);然后將法蘭(6)的法蘭 螺紋(6-1)對準外螺紋連接段(1-6)，通過轉(zhuǎn)動把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構(gòu)件 (1)上方，然后將拼接組裝而成的土柱實驗標準構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)通過土 柱實驗標準構(gòu)件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構(gòu)件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺 紋(6-1)進行組裝，使拼接組裝而成的土柱實驗標準構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)位 于底部構(gòu)件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進行連接；
[0125] 步驟四、測定原狀土樣的初始狀態(tài)
[0126] 原狀土樣（12)的初始含水率:多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12) 的濕度進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號 通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的濕度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點處原狀土 樣(12)的初始含水率0。；
[0127] 原狀土樣（12)的初始溫度：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的 溫度進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通 過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12) 的溫度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個測試點處原狀土樣 (12)的初始溫度T c;
[0128] 原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力：多個土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測 信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土 樣（12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個測試 點處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％;
[0129]原狀土樣（12)的水頭高度：多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進 行監(jiān)測得到各個測試點初始階段對應(yīng)的水頭高度h。；
[0130]原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點帶回的其它土樣進行飽 和含水率測定，作為原狀土樣(12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內(nèi)，為其注水直至水面 浸沒土樣，浸沒10分鐘之后將多余的水清除，稱質(zhì)量為m，之后將土樣和盒放入烘箱內(nèi)，進行 烘干，之后將其置于天平上進行稱重得質(zhì)量為ms，之后利用公式& = 計算求 m 得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat;
[0131] 步驟五、模擬低強度降雨全入滲邊界條件
[0132] (1)、向輸水水桶（16-1)內(nèi)加水（15)，此時使止水閥（16-5)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打 開止水閥（16-5)，水（15)經(jīng)輸水管（16-12)從降雨噴頭（16-9)流至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水 壓沖擊板(A)上，再到達原狀土樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣 (12)不受降雨侵蝕的作用;位于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的輕質(zhì)塑料片（16-8)與其上方的 永久磁鐵（16-7)在水（15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位高度相同，當上 部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位上升到高出原狀土樣（12)上表面1mm時，通過導(dǎo)線（9)給電線圈 (16-6)供電形成電磁鐵，同時通過把手（16-4)帶動轉(zhuǎn)輪（16-2)轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)輪（16-2)上纏 有拉線（16-3)，所述電線圈（16-6)隨著拉線（16-3)在滑槽（16-13)內(nèi)垂直運動，轉(zhuǎn)動把手 (16-4)調(diào)整拉線（16-3)長度使止水閥（16-5)在輕質(zhì)彈簧（16-10)的作用下接近于關(guān)閉狀態(tài) 來進行粗調(diào)，然后改變電線圈（16-6)的外部導(dǎo)線(9)所接電源電壓的大小來進行精調(diào)，使此 時止水閥（16-5)剛好處于關(guān)閉狀態(tài)；當U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的水位隨著上部的圓柱構(gòu) 件（1 〇)內(nèi)的水位下降時，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)和永久磁鐵（16-7)也隨之下降，永久磁鐵 (16-7)與電線圈（16-6)之間的磁力減小，所述輕質(zhì)彈簧（16-10)受到的荷載增加產(chǎn)生壓縮 形變，位于輕質(zhì)彈簧（16-10)上的止水閥（16-5)打開，水（15)繼續(xù)經(jīng)輸水管（16-12)從降雨 噴頭（16-9)流入圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)進行補給；當補給的水位高度再次大于1mm時，止水閥（16-5)就會處于關(guān)閉狀態(tài)，當補給的水位高度再次小于1_時，止水閥（16-5)打開繼續(xù)補給，從 而模擬出了低強度降雨全入滲邊界條件；
[0133] (2)、在模擬低強度降雨全入滲過程中，滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從通水孔（1-5) 內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);在低強度降雨全入滲過程中，觀測到 輸水水桶（16-1)的補水間隔為2小時以上時，說明達到入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)，停止實驗； 此時，輸水水桶（16-1)內(nèi)水的損失量與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)未滲入的水量之差記錄為總降雨量 Q z，在低強度降雨全入滲條件下，總降雨量Qz數(shù)值上等于入滲量Qr;此時，查看出滲量測量量 杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣（12)水的量，并將該讀數(shù)記錄為低強度降雨全入滲條件下的出滲量 Qc ；
[0134] 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測
[0135] 多個溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的濕度進行監(jiān) 測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路 實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號，并 將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應(yīng)的含水率0 1;多 個土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力進行監(jiān)測，將 監(jiān)測到的基質(zhì)吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路 實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信 號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個測試點記錄時刻對應(yīng)的基 質(zhì)吸力F a;多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進行監(jiān)測得到各個測試點記 錄時刻對應(yīng)的水頭高度hi;
[0136] 上述所有的監(jiān)測，其監(jiān)測時間頻率設(shè)置如下：降雨入滲前5分鐘內(nèi)，記錄時間間隔 為5秒，降雨入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為10秒，降雨入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時間間隔 為15秒，降雨入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為20秒，降雨入滲60分鐘以后記錄時間間隔 為60秒，直到實驗達到穩(wěn)定后2-4小時以上；
[0137] 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析
[0138] 對所記錄的某一時刻的基質(zhì)吸力Fa監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時刻原狀土樣 (12)所對應(yīng)的基質(zhì)吸力云圖；同時對所記錄的某一時刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的含水率0:監(jiān) 測數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時刻原狀土樣(12)對應(yīng)的含水率云圖；
[0139] 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，找出每個時刻所對應(yīng)的濕潤前鋒的位置，所述濕潤 前鋒的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時間t的變化規(guī)律;根據(jù)含水率云圖，依 據(jù)含水率的大小，找出每個時刻所對應(yīng)的飽和含水率0 sat的等值線，從而確定完全飽和帶， 所述完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內(nèi)出現(xiàn)水分完全飽和的部分；當濕潤前鋒 與完全飽和帶在同一監(jiān)測時刻出現(xiàn)時，所述濕潤前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區(qū) 域被定義為降雨入滲過渡帶；
[0140]繪制基質(zhì)吸力F4P含水率0:的關(guān)系圖，從而分別得到各土層的的土-水特征曲線； [0141]步驟八、降雨入滲系數(shù)計算
[0142]根據(jù)公式Qr = Qz-Qj，計算得到降雨入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為總降雨量，單位 為cm3 ;Qj為降雨徑流量，單位為cm3;
[0143 ]根據(jù)公式A S = Qr-Qc，計算得到降雨入滲的水分虧損量A S，單位為cm3;其中Qr為 降雨入滲量，單位為cm3; Qc為降雨出滲量，單位為cm3;
[01 44]根據(jù)公式Vr = Qr/t計算得到降雨入滲率Vr，單位為Cm3/s ;其中Qr為降雨入滲量，單 位為cm3; t為實驗測試時間，單位為S;
[0145] 根據(jù)公式Vc^zQ。/!:計算得到降雨出滲率V。，單位為cm3/s;其中Q。為降雨出滲量，單 位為cm 3; t為實驗測試時間，單位為s;
[0146] 根據(jù)公式a = Qc/Qz計算得到降雨入滲系數(shù)a，單位為無量綱;其中Qc為降雨出滲量， 單位為cm 3; Qz為總降雨量，單位為cm3;
[0147] 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計算
[0148] 基于土柱實驗的降雨入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下
[0150]將Darcy定律代入以上方程(1)得 (1) (2)：
[0152]對于非飽和土，滲透系數(shù)k與含水率存在函數(shù)關(guān)系，所以方程(2)可化為下式
[0154] 根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（〇-ua)和基質(zhì)吸 力值的變化將會引起體積含水率^的變化，BP
[0155] d&w = uj- m] (u t- (4：)
[0156] 式中：〇--總應(yīng)力；
[0157] miw一一與法向應(yīng)力(〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0158] --與基質(zhì)吸力(ua_uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0159] 將方程(4)對時間微分，同時，在非穩(wěn)定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作 用，假定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得
[0162]由（3)、（5)式可得 (5) 即土-水特征曲線的斜率。
(6)
[0164] 其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測 點高度，單位為cm; y w為水的重度，單位為N/m3『為土-水特征曲線的斜率，單位為無量 綱;t為時間，單位為s;
[0165] 依據(jù)方程(6)求得任意時刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數(shù)k，利用插值法繪制 其分布圖。
[0166] 實施例二
[0167] 本實施例中與本發(fā)明配套使用的多種強度降雨入滲模擬裝置是中強度降雨有徑 流入滲模擬裝置(17);
[0168] 參照圖2,所述的中強度降雨有徑流入滲模擬裝置（17)包括設(shè)置在圓柱構(gòu)件（10) 內(nèi)的降雨容器（17-9)和設(shè)置在降雨容器（17-9)底部的圓形降雨孔（17-10)，圓柱構(gòu)件（10) 內(nèi)高出原狀土樣（12)上表面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置 有篩孔;所述降雨容器(17-9)的頂部設(shè)置有降雨容器內(nèi)的壓力控制管（17-8)和與外部水源 連接的進水管（17-7);所述進水管（17-7)上設(shè)置有進水電磁閥（17-2)、進水水栗（17-1)和 用于對降雨量進行實時監(jiān)測的第一流量傳感器（17-3);所述降雨容器內(nèi)壓力控制管（17-8) 上設(shè)置有壓力控制電磁閥（17-5)和壓力傳感器(17-6)，所述降雨容器內(nèi)的壓力控制管（17-8)的尾部連接有空氣壓縮機(17-4);所述降雨容器（17-9)的頂部內(nèi)壁上設(shè)置有用于對降雨 容器（17-9)的水位進行實時監(jiān)測的水位傳感器（17-11);所述圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的原狀土樣 (12)上表面外側(cè)開有出水口（10-1)，出水口（10-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯（13)， 所述塑料軟管(2)上設(shè)置有第二流量傳感器（13-1)，所述第二流量傳感器（13-1)通過導(dǎo)線 (9)接入計算機(7)。
[0169] 本實施例是基于中強度降雨有徑流模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測定方法包括以 下步驟：
[0170] 步驟一、組裝土柱實驗標準構(gòu)件
[0171] 具體步驟同實施例一 [0172]步驟二、安裝原狀土樣
[0173] 具體步驟同實施例一
[0174] 步驟三、組裝土柱實驗儀器設(shè)備
[0175] 具體步驟同實施例一
[0176]步驟四、測定原狀土樣的初始狀態(tài)
[0177] 具體步驟同實施例一
[0178] 步驟五、模擬中強度降雨有徑流入滲邊界條件
[0179] (1)、計算機(7)發(fā)出信號接通空氣壓縮機（17-4)的供電回路，然后驅(qū)動壓力控制 電磁閥（17-5)打開，空氣壓縮機（17-4)啟動，產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過壓力控制電磁閥（17-5) 調(diào)節(jié)壓力后通過降雨容器內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)進入降雨容器（17-9)內(nèi)，將降雨容器 (17-9)內(nèi)的水從圓形降雨孔(17-10)中噴出，之后到達圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水壓沖擊板(A) 上，再到原狀土樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣（12)不受降雨侵 蝕的作用，模擬出了中強度降雨有徑流入滲邊界條件；中強度降雨模擬過程中，壓力傳感器 (17-6)對經(jīng)過降雨容器（17-9)內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)的壓縮空氣壓力進行實時監(jiān)測并 將監(jiān)測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的壓力監(jiān)測值與實驗設(shè)定的壓力 閾值進行比對，當壓力監(jiān)測值小于壓力閾值時，計算機(7)驅(qū)動壓力控制電磁閥（17-5)打開 的開度增大，當壓力監(jiān)測值大于壓力閾值時，計算機(7)驅(qū)動壓力控制電磁閥（17-5)打開的 開度減小，從而使經(jīng)過降雨容器(17-9)內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)的壓縮空氣壓力維持在壓 力閾值范圍內(nèi)；同時，所述水位傳感器(17-11)對降雨容器(17-9)內(nèi)的水位進行實時監(jiān)測并 將監(jiān)測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的水位監(jiān)測值與實驗設(shè)定的水位 設(shè)定值進行比對，當水位監(jiān)測值小于水位設(shè)定值時，計算機(7)控制接通進水水栗（17-1)的 供電回路，并驅(qū)動進水電磁閥（17-2)打開，外部水源流出的水通過進水管（17-7)流入降雨 容器(17-9)內(nèi)，當水位監(jiān)測值大于水位設(shè)定值時，計算機(7)控制斷開進水水栗（17-1)的供 電回路，并驅(qū)動進水電磁閥（17-2)關(guān)閉，停止往降雨容器（17-9)內(nèi)注水，從而使降雨容器 (17-9)內(nèi)水位維持穩(wěn)定，保證了降雨過程的持續(xù)進行；
[0180] (2)、在模擬中強度降雨有徑流入滲過程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水從出水口 (10-1)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13)，滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從通水 孔(1-5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);模擬中強度降雨過程中，徑流 量量杯（13)對未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量進行監(jiān)測并記錄，當相鄰的兩個采樣時刻的 未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量的差值小于等于lcm 3時，說明達到了入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水 系統(tǒng)，停止實驗;此時，第一流量傳感器(17-3)對降雨量進行實時監(jiān)測并將監(jiān)測到的信號實 時輸出給計算機（7)并記錄為總降雨量Q z;查看徑流量測量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣 (12)內(nèi)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨徑流量Qj;查看出滲量測量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土 樣(12)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨出滲量Q c;
[0181] 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測
[0182] 具體步驟同實施例一；
[0183] 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析
[0184] 具體步驟同實施例一；
[0185] 步驟八、降雨入滲系數(shù)計算
[0186] 具體步驟同實施例一；
[0187] 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計算
[0188] 具體步驟同實施例一。
[0189] 實施例三
[0190] 本實施例中與本發(fā)明配套使用的多種強度降雨入滲模擬裝置(C)是高強度降雨穩(wěn) 定入滲模擬裝置(14);
[0191] 參照圖3,所述的高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置（14)包括外側(cè)刻有刻度的輸水水 桶（14-1)，輸水水桶（14-1)的下方通過輸水管（14-12)與降雨噴頭（14-9)連通，降雨噴頭 (14-9)設(shè)置于土柱實驗標準構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件（10)頂部，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀 土樣（12)上表面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;U型 水頭控制管（10-2)內(nèi)的水面上設(shè)置有輕質(zhì)塑料片（14-8)，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)形式為薄 圓片，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)上方的圓形凹槽內(nèi)設(shè)置有永久磁鐵（14-7)，永久磁鐵（14-7) 的正上方設(shè)置有拉線（14-3)吊掛的電線圈（14-6)，電線圈（14-6)外接有導(dǎo)線(9)，拉線（14-3)的上端纏于轉(zhuǎn)輪（14-2)上，轉(zhuǎn)輪（14-2)上設(shè)置有把手（14-4)，轉(zhuǎn)輪（14-2)上端用拉線 (14-3)通過著力構(gòu)件（14-11)的小孔與止水閥（14-5)下部相連接，止水閥（14-5)下端設(shè)置 有輕質(zhì)彈簧（14-10)，所述圓柱構(gòu)件（10)與U型水頭控制管（10-2)相連接，輕質(zhì)塑料片（14-8 )、永久磁鐵（14-7)和電線圈（14-6)都在U型水頭控制管（10-2)的滑槽（14-13)內(nèi)運動;所 述滑槽（14-13)嵌于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)壁，所述電線圈（14-6)按照邊沿處三等分設(shè)置 有滑軌（14-14)，所述滑軌（14-14)可在滑槽（14-13)內(nèi)自由上下運動;所述的高強度降雨穩(wěn) 定入滲模擬裝置(14)控制原狀土樣(12)表面水位高度高于1 cm以上。
[0192] 本實施例是基于高強度降雨穩(wěn)定模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測定方法包括以下 步驟：
[0193] 步驟一、組裝土柱實驗標準構(gòu)件
[0194] 具體步驟同實施例一；
[0195] 步驟二、安裝原狀土樣
[0196] 具體步驟同實施例一；
[0197] 步驟三、組裝土柱實驗儀器設(shè)備
[0198] 具體步驟同實施例一；
[0199] 步驟四、測定原狀土樣(12)的初始狀態(tài)
[0200] 具體步驟同實施例一；
[0201 ]步驟五、模擬高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件
[0202] (1 )、向輸水水桶（14-1)內(nèi)加水（15)，此時使止水閥（14-5)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打 開止水閥（14-5)，所述水（15)經(jīng)輸水管（14-12)從降雨噴頭（14-9)流至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的 抗水壓沖擊板(A)上，再到達原狀土樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀 土樣（12)不受降雨侵蝕的作用;位于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的輕質(zhì)塑料片（14-8)與其上 方的永久磁鐵（14-7)在水（15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位高度相同， 當上部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位上升到預(yù)設(shè)實驗高度時，通過導(dǎo)線(9)給電線圈（14-6)供電 形成電磁鐵，同時通過把手（14-4)帶動轉(zhuǎn)輪（14-2)轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)輪（14-2)上纏有拉線（14-3)，所述電線圈（14-6)隨著拉線（14-3)在滑槽(14-13)內(nèi)垂直運動，轉(zhuǎn)動把手（14-4)調(diào)整拉 線（14-3)長度使止水閥（14-5)在輕質(zhì)彈簧（14-10)的作用下接近于關(guān)閉狀態(tài)來進行粗調(diào)， 然后改變電線圈（14-6)的外部導(dǎo)線（9)所接電源電壓的大小來進行精調(diào)，使此時止水閥 (14-5)剛好處于關(guān)閉狀態(tài)；當U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的水位隨著上部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi) 的水位下降時，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)和永久磁鐵（14-7)也隨之下降，永久磁鐵（14-7)與 電線圈（14-6)之間的磁力減小，所述輕質(zhì)彈簧(14-10)受到的荷載增加產(chǎn)生壓縮形變，位于 輕質(zhì)彈簧(14-10)上的止水閥（14-5)打開，水(15)繼續(xù)經(jīng)輸水管（14-12)從降雨噴頭（14-9) 流入圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)進行補給；當補給的水位高度再次大于預(yù)設(shè)實驗高度時，止水閥（14-5)就會處于關(guān)閉狀態(tài)，當補給的水位高度再次小于預(yù)設(shè)實驗高度時，止水閥（14-5)打開繼 續(xù)補給，模擬出了高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件；
[0203] (2)、在模擬高強度降雨穩(wěn)定入滲過程中，滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從通水孔（1- 5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);在高強度降雨穩(wěn)定入滲過程中，觀 測到輸水水桶（14-1)的補水間隔為2小時以上時，說明達到入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)，停止 實驗;此時，輸水水桶（14-1)內(nèi)水（15)的損失量記錄為總降雨量Q z，同時，將輸水水桶（14-1)內(nèi)水（15)的損失量與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)未滲入的水的量之差記錄為降雨入滲量Qr，查看出 滲量測量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣(12)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨出滲量Q c;
[0204] 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測
[0205] 具體步驟同實施例一；
[0206] 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析
[0207] 具體步驟同實施例一；
[0208] 步驟八、降雨入滲系數(shù)計算
[0209] 具體步驟同實施例一；
[0210] 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計算 [0211]具體步驟同實施例一。
【主權(quán)項】
1. 多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括底部構(gòu)件（I)、連接在底部構(gòu)件（I) 上的一個或多個串聯(lián)的±柱實驗標準構(gòu)件(4)^及±柱實驗標準構(gòu)件(4)頂部的多種強度 降雨入滲模擬裝置(C); 所述的底部構(gòu)件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水點通過塑料軟 管（2)接入出滲量量杯（3 )，塑料軟管（2)上設(shè)置有第=流量傳感器(3-1 )，第=流量傳感器 (3-1)接入計算機(7);底座（1-1)的上方設(shè)置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部設(shè)置有高 進氣值陶±板(1-3)，高進氣值陶±板(1-3)的四周邊沿均與底部構(gòu)件（1)管件（1-7)的內(nèi)壁 水平緊貼，高進氣值陶±板(1-3)的頂部設(shè)置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上表面與原狀±樣 (12)接觸;管件（1-7)的頂端設(shè)置有外螺紋連接段（1-6)，外螺紋連接段（1-6)通過法蘭(6) 與±柱實驗標準構(gòu)件(4)連接； 所述±柱實驗標準構(gòu)件(4)由兩個相同的半圓柱體經(jīng)卡髓(4-30)通過±柱實驗標準構(gòu) 件(4)管壁(4-1)的卡髓凹槽(4-3)處連接成一個圓柱體，±柱實驗標準構(gòu)件(4)的管壁(4- 1)上設(shè)置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞巧-7)配合使用；多個±柱實驗標準構(gòu) 件(4)通過法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進行連接;插入件(5)通過橡膠塞（5-7)插 入原狀±樣（12)內(nèi)，插入件(5)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實時傳輸給計算機(7)，±壤熱傳 導(dǎo)吸力探頭(4-7)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀±樣（12)內(nèi)；±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)內(nèi)傳 感器所采集的數(shù)據(jù)都實時傳輸給計算機(7) ;±柱實驗標準構(gòu)件(4)上固定有多個測壓管 (4-9)，多個測壓管(4-9)的每個入水口經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀±樣（12)內(nèi)，所述的插入 件（5)在±柱上按照同一列布置，±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)在±柱上按照同一列布置，巧U 壓管(4-9)在±柱上按照同一列布置； 所述的多種強度降雨入滲模擬裝置(C)包括低強度降雨全入滲模擬裝置（16)、中強度 降雨有徑流入滲模擬裝置(17)和高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置(14)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的承力柱 (1-2)包括承力柱支座（1-22) W及固定在其上的承力柱主體（1-21)，所述承力柱支座（1- 22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在±柱豎向投影按照"一個圓屯、+W底座 (1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱主體（1-21)長度不同使得底座（1- 1)呈現(xiàn)坡度； 所述的±柱底部構(gòu)件（1)、±柱實驗標準構(gòu)件(4)及圓柱構(gòu)件（10)均由耐高溫玻璃鋼制 成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的插入件 (5)的最前端設(shè)置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內(nèi)部管道的轉(zhuǎn)角處設(shè)置有橡膠墊片（5-1)， 內(nèi)部管道中設(shè)置有彈出件(5-2 )，彈出件(5-2)包括溫濕度傳感器探頭(4-5 )，彈出件(5-2) 后端與導(dǎo)線(9)進行連接，彈出件(5-2)的尾部套設(shè)有輕質(zhì)彈黃(5-4)，輕質(zhì)彈黃(5-4)的末 端設(shè)置有探針控制器(5-5 )，插入件(5)的外側(cè)中段設(shè)置有擋板(5-3)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述圓形小孔 (4-4)形狀大小與橡膠塞（5-7)相一致且結(jié)合緊密，排布方式為：縱向上相隔排列且遵循上 密下疏原則，橫向上繞±柱實驗標準構(gòu)件(4)外圓周長8等分排布。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的卡髓(4- 30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過一端的馴釘(4-35)馴接，卡髓(4-30)的另一端接頭 (4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調(diào)節(jié)卡髓(4-30)的松緊程度，使標準圓柱構(gòu)件緊 密結(jié)合； 所述的法蘭(6)內(nèi)側(cè)設(shè)有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設(shè)置有轉(zhuǎn)動把手(6-2)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的計算機 (7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設(shè)置有溫濕度探測輸出端(7- 2)、基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3);溫濕度探測輸出端(7-2)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接溫濕度傳感器探頭 (4-5)，基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于： 所述的低強度降雨全入滲模擬裝置(16)包括外側(cè)刻有刻度的輸水水桶（16-1)，輸水水 桶（16-1)的下方通過輸水管（16-12)與降雨噴頭（16-9)連通，降雨噴頭（16-9)設(shè)置于±柱 實驗標準構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件（10)頂部，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀±樣(12)上表面2-5 厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;U型水頭控制管（10-2)內(nèi) 的水面上設(shè)置有輕質(zhì)塑料片（16-8)，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)形式為薄圓片，所述輕質(zhì)塑料 片（16-8)上方的圓形凹槽內(nèi)設(shè)置有永久磁鐵（16-7)，永久磁鐵（16-7)的正上方設(shè)置有拉線 (16-3)吊掛的電線圈（16-6)，電線圈（16-6)外接有導(dǎo)線(9)，拉線（16-3)的上端纏于轉(zhuǎn)輪 (16-2)上，轉(zhuǎn)輪（16-2)上設(shè)置有把手（16-4)，轉(zhuǎn)輪（16-2)上端用拉線（16-3)通過著力構(gòu)件 (16-11)的小孔與止水閥（16-5)下部相連接，止水閥（16-5)下端設(shè)置有輕質(zhì)彈黃（16-10)， 所述圓柱構(gòu)件（10)與U型水頭控制管（10-2)相連接，輕質(zhì)塑料片（16-8)、永久磁鐵（16-7)和 電線圈（16-6)都在U型水頭控制管（10-2)的滑槽（16-13)內(nèi)運動;所述滑槽（16-13)嵌于U型 水頭控制管（10-2)內(nèi)壁，所述電線圈（16-6)按照邊沿處S等分設(shè)置有滑軌（16-14)，所述滑 軌（16-14)可在滑槽（16-13)內(nèi)自由上下運動;所述的低強度降雨全入滲模擬裝置（16)控制 原狀±樣(12)表面水位高度低于Imm; 所述的中強度降雨有徑流入滲模擬裝置（17)包括設(shè)置在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的降雨容器 (17-9)和設(shè)置在降雨容器（17-9)底部的圓形降雨孔（17-10)，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀± 樣（12)上表面2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;所述降 雨容器（17-9)的頂部設(shè)置有降雨容器內(nèi)的壓力控制管（17-8)和與外部水源連接的進水管 (17-7);所述進水管（17-7)上設(shè)置有進水電磁閥（17-2)、進水水累（17-1)和用于對降雨量 進行實時監(jiān)測的第一流量傳感器（17-3);所述降雨容器內(nèi)壓力控制管（17-8)上設(shè)置有壓力 控制電磁閥（17-5)和壓力傳感器（17-6)，所述降雨容器內(nèi)的壓力控制管（17-8)的尾部連接 有空氣壓縮機（17-4);所述降雨容器（17-9)的頂部內(nèi)壁上設(shè)置有用于對降雨容器（17-9)的 水位進行實時監(jiān)測的水位傳感器（17-11);所述圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的原狀±樣（12)上表面外 側(cè)開有出水口（ 10-1 )，出水口（ 10-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯（13 )，所述塑料軟管 (2)上設(shè)置有第二流量傳感器（13-1)，所述第二流量傳感器（13-1)通過導(dǎo)線(9)接入計算機 (7); 所述的高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置（14)包括外側(cè)刻有刻度的輸水水桶（14-1)，輸水 水桶（14-1)的下方通過輸水管（14-12)與降雨噴頭（14-9)連通，降雨噴頭（14-9)設(shè)置于± 柱實驗標準構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件（10)頂部，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)高出原狀±樣（12)上表面 2-5厘米處設(shè)置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設(shè)置有篩孔;U型水頭控制管（10- 2)內(nèi)的水面上設(shè)置有輕質(zhì)塑料片（14-8)，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)形式為薄圓片，所述輕質(zhì) 塑料片（14-8)上方的圓形凹槽內(nèi)設(shè)置有永久磁鐵（14-7)，永久磁鐵（14-7)的正上方設(shè)置有 拉線（14-3)吊掛的電線圈（14-6)，電線圈（14-6)外接有導(dǎo)線(9)，拉線（14-3)的上端纏于轉(zhuǎn) 輪（14-2)上，轉(zhuǎn)輪（14-2)上設(shè)置有把手（14-4)，轉(zhuǎn)輪（14-2)上端用拉線（14-3)通過著力構(gòu) 件（14-11)的小孔與止水閥（14-5)下部相連接，止水閥（14-5)下端設(shè)置有輕質(zhì)彈黃（14- 10)，所述圓柱構(gòu)件（10)與U型水頭控制管（10-2)相連接，輕質(zhì)塑料片（14-8)、永久磁鐵(14- 7)和電線圈（14-6)都在U型水頭控制管（10-2)的滑槽（14-13)內(nèi)運動;所述滑槽（14-13)嵌 于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)壁，所述電線圈（14-6)按照邊沿處S等分設(shè)置有滑軌（14-14)， 所述滑軌（14-14)可在滑槽（14-13)內(nèi)自由上下運動;所述的高強度降雨穩(wěn)定入滲模擬裝置 (14)控制原狀±樣(12)表面水位高度高于IcmW上。8.基于上述任一權(quán)利要求所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測 定方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟一、組裝±柱實驗標準構(gòu)件 分別對±柱實驗標準構(gòu)件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進行拼接，對±柱實驗標準構(gòu) 件(4)的接縫進行密封及防水處理，然后把卡髓(4-30)套在卡髓凹槽(4-3)上，并通過扳手 上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡髓(4-30)牢固地套在卡髓凹槽(4-3)上，然 后將多個±柱實驗標準構(gòu)件(4)通過法蘭(6)串聯(lián)實現(xiàn)縱向拼接； 步驟二、安裝原狀±樣 選取預(yù)先準備好的原狀±樣（12)，將原狀±樣（12)豎立在地面上，將已經(jīng)連接好的多 個±柱實驗標準構(gòu)件(4)套住原狀±樣(12)，將原狀±樣（12)與±柱實驗標準構(gòu)件(4)之間 的縫隙采用密封及防水處理保證后續(xù)實驗時水不從縫隙直接流下； 步驟=、組裝±柱實驗儀器設(shè)備 先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對應(yīng)的承力柱支 座（1-22)上，將高進氣值陶±板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進氣值陶 ±板（1-3)上表面鋪設(shè)有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進氣值陶±板（1-3)、濾紙 (1-4)均位于管件（1-7)內(nèi)部;在集水處最低位置設(shè)置一個出水孔外接塑料軟管(2)，將所述 塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第=流量傳感器 (3-1)，所述第=流量傳感器(3-1)通過導(dǎo)線（9)接入計算機(7);將法蘭(6)的法蘭螺紋(6- 1)對準外螺紋連接段（1-6)，通過轉(zhuǎn)動把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構(gòu)件（1)上 方，然后將拼接組裝而成的±柱實驗標準構(gòu)件(4)連同其套住的原狀±樣（12)通過±柱實 驗標準構(gòu)件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構(gòu)件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺紋(6- 1)進行組裝，使拼接組裝而成的±柱實驗標準構(gòu)件(4)連同其套住的原狀±樣（12)位于底 部構(gòu)件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進行連接； 步驟四、測定原狀±樣的初始狀態(tài) 原狀±樣（12)的初始含水率：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀±樣（12)的濕 度進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過 串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀±樣（12)的 濕度信號，并將各個測試點處原狀±樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點處原狀±樣（12) 的初始含水率0C; 原狀±樣（12)的初始溫度：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀±樣（12)的溫度 進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串 口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀±樣（12)的溫 度信號，并將各個測試點處原狀±樣（12)的溫度信號記錄為各個測試點處原狀±樣（12)的 初始溫度Tc; 原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力：多個±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對原狀±樣（12)的基 質(zhì)吸力進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號 通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀±樣 (12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個測試點處原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個測試點 處原狀±樣（12)的初始基質(zhì)吸力Fac; 原狀±樣（12)的水頭高度：多個測壓管(4-9)分別對原狀±樣（12)的水頭高度進行監(jiān) 測得到各個測試點初始階段對應(yīng)的水頭高度h。； 原狀±樣（12)的飽和含水率:將原狀±樣（12)的取樣地點帶回的其它±樣進行飽和含 水率測定，作為原狀±樣（12)的飽和含水率;取±樣放入稱量盒內(nèi)，為其注水直至水面浸沒 上樣，浸沒10分鐘之后將多余的水清除，稱質(zhì)量為m，之后將±樣和盒放入烘箱內(nèi)，進行烘 干，之后將其置于天平上進行稱重得質(zhì)量為ms，之后利用公J十算求 得原狀±樣(12)的飽和含水率0sat; 步驟五、模擬多種強度降雨入滲邊界條件 根據(jù)測試要求，多種強度降雨入滲模擬裝置(C)配合±柱實驗標準構(gòu)件(4)工作來模擬 =種強度降雨入滲邊界條件，即低強度降雨全入滲邊界條件、中強度降雨有徑流入滲邊界 條件、高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件； 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測 多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對模擬過程中的原狀±樣（12)的濕度進行監(jiān)測，并 將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實時傳 輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀±樣（12)的濕度信號，并將各個 測試點處原狀±樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應(yīng)的含水率01;多個±壤 熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力進行監(jiān)測，將監(jiān)測到 的基質(zhì)吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實時傳 輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力信號，并將 各個測試點處原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個測試點記錄時刻對應(yīng)的基質(zhì)吸力 Fa;多個測壓管(4-9)分別對原狀±樣（12)的水頭高度進行監(jiān)測得到各個測試點記錄時刻 對應(yīng)的水頭高度hi; 上述所有的監(jiān)測，其監(jiān)測時間頻率設(shè)置如下：降雨入滲5分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為5秒， 降雨入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為10秒，降雨入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為15秒， 降雨入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時間間隔為20秒，降雨入滲60分鐘W后記錄時間間隔為60秒， 直到實驗達到穩(wěn)定后2-4小時W上； 步驟屯、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析 對所記錄的某一時刻的基質(zhì)吸力Fa監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時刻原狀±樣（12) 所對應(yīng)的基質(zhì)吸力云圖；同時對所記錄的某一時刻原狀±樣（12)所對應(yīng)的含水率01監(jiān)測數(shù) 據(jù)做插值處理，得到某一時刻原狀±樣(12)對應(yīng)的含水率云圖； 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，找出每個時刻所對應(yīng)的濕潤前鋒的位置，所述濕潤前鋒 的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位置連 線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時間t的變化規(guī)律;根據(jù)含水率云圖，依據(jù)含 水率的大小，找出每個時刻所對應(yīng)的飽和含水率0sat的等值線，從而確定完全飽和帶，所述 完全飽和帶定義是±柱上表面W下一定深度內(nèi)出現(xiàn)水分完全飽和的部分；當濕潤前鋒與完 全飽和帶在同一監(jiān)測時刻出現(xiàn)時，所述濕潤前鋒線與飽和含水率0sat等值線之間的區(qū)域被 定義為降雨入滲過渡帶； 繪制基質(zhì)吸力Fa和含水率01的關(guān)系圖，從而分別得到各±層的的±-水特征曲線； 步驟八、降雨入滲系數(shù)計算 根據(jù)公式Qr = Qz-Qj，計算得到降雨入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為總降雨量，單位為cm3; Qj為降雨徑流量，單位為cm3; 根據(jù)公式AS = Qr-Qc,計算得到降雨入滲的水分虧損量AS,單位為cm3;其中Qr為降雨入 滲量，單位為cm3; Qc為降雨出滲量，單位為cm3; 根據(jù)公式Vr = QrA計算得到降雨入滲率Vr，單位為cm^s;其中Qr為降雨入滲量，單位為 cm3; t為實驗測試時間，單位為S; 根據(jù)公式Vc = QcA計算得到降雨出滲率Vc,單位為cm^s;其中Qc為降雨出滲量，單位為 cm3; t為實驗測試時間，單位為S; 根據(jù)公式Q = QcA^z計算得到降雨入滲系數(shù)a,單位為無量綱;其中Qc為降雨出滲量，單位 為cm3; Qz為總降雨量，單位為cm3; 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計算 基于±柱實驗的降雨入滲，可W概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下幻） 將Darcy定t (2) 對于非飽巧 系，所W方程(2)可化為下式 獻 根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（O-Ua)和基質(zhì)吸力值 的變化將會引起體積含水率0W的變化，即 (4) 式中：〇--總H力;mi"一一與法向應(yīng)力（O-Ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)； <一一與基質(zhì)吸力(Ua-Uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)； 將方程(4)對時間微分，同時，在非穩(wěn)定滲流過程中±體單元上并沒有外荷載作用，假 定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得巧) 其中：水特征曲線的斜率。 由（3)、巧)式可俱(6) 其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為(3111^為±柱測點高 度，單位為cm; T W為水的重度，單位為N/m3;喊為±-水特征曲線的斜率，單位為無量綱;t為 時間，單位為S ; 依據(jù)方程(6)求得任意時刻±柱任意高度處的非飽和滲透系數(shù)k，利用插值法繪制其分 布圖。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多狀態(tài)原狀±柱入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測定方法， 其特征在于： 步驟五所述的模擬多種強度降雨入滲邊界條件，其低強度降雨全入滲的具體模擬步驟 為： (1) 、向輸水水桶（16-1)內(nèi)加水（15)，此時使止水閥（16-5)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打開止 水閥（16-5)，水（15)經(jīng)輸水管（16-12)從降雨噴頭（16-9)流至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水壓沖 擊板(A)上，再到達原狀±樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀±樣（12) 不受降雨侵蝕的作用;位于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的輕質(zhì)塑料片（16-8)與其上方的永久 磁鐵（16-7)在水（15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位高度相同，當上部的 圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位上升到高出原狀±樣（12)上表面Imm時，通過導(dǎo)線(9)給電線圈（16-6) 供電形成電磁鐵，同時通過把手（16-4)帶動轉(zhuǎn)輪（16-2)轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)輪（16-2)上纏有拉線 (16-3)，所述電線圈（16-6)隨著拉線（16-3)在滑槽（16-13)內(nèi)垂直運動，轉(zhuǎn)動把手（16-4)調(diào) 整拉線（16-3)長度使止水閥（16-5)在輕質(zhì)彈黃（16-10)的作用下接近于關(guān)閉狀態(tài)來進行粗 調(diào)，然后改變電線圈（16-6)的外部導(dǎo)線(9)所接電源電壓的大小來進行精調(diào)，使此時止水閥 (16-5)剛好處于關(guān)閉狀態(tài)；當U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的水位隨著上部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi) 的水位下降時，所述輕質(zhì)塑料片（16-8)和永久磁鐵（16-7)也隨之下降，永久磁鐵（16-7)與 電線圈（16-6)之間的磁力減小，所述輕質(zhì)彈黃（16-10)受到的荷載增加產(chǎn)生壓縮形變，位于 輕質(zhì)彈黃（16-10)上的止水閥（16-5)打開，水（15)繼續(xù)經(jīng)輸水管（16-12)從降雨噴頭（16-9) 流入圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)進行補給；當補給的水位高度再次大于Imm時，止水閥（16-5)就會處于 關(guān)閉狀態(tài)，當補給的水位高度再次小于Imm時，止水閥（16-5)打開繼續(xù)補給，從而模擬出了 低強度降雨全入滲邊界條件； (2) 、在模擬低強度降雨全入滲過程中，滲出原狀±樣（12)內(nèi)的水從通水孔（1-5)內(nèi)流 出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);在低強度降雨全入滲過程中，觀測到輸水 水桶（16-1)的補水間隔為2小時W上時，說明達到入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)，停止實驗;此 時，輸水水桶（16-1)內(nèi)水的損失量與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)未滲入的水量之差記錄為總降雨量 Qz，在低強度降雨全入滲條件下，總降雨量Qz數(shù)值上等于入滲量Qr ;此時，查看出滲量巧慢量 杯(3)內(nèi)滲出原狀±樣（12)水的量，并將該讀數(shù)記錄為低強度降雨全入滲條件下的出滲量 Qc; 步驟五所述的模擬多種強度降雨入滲邊界條件，其中強度降雨有徑流入滲的具體模擬 步驟為： (1) 、計算機(7)發(fā)出信號接通空氣壓縮機（17-4)的供電回路，然后驅(qū)動壓力控制電磁 閥（17-5)打開，空氣壓縮機（17-4)啟動，產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過壓力控制電磁閥（17-5)調(diào)節(jié) 壓力后通過降雨容器內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)進入降雨容器（17-9)內(nèi)，將降雨容器（17-9) 內(nèi)的水從圓形降雨孔（17-10)中噴出，之后到達圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水壓沖擊板(A)上，再 到原狀±樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀±樣（12)不受降雨侵蝕的 作用，模擬出了中強度降雨有徑流入滲邊界條件；中強度降雨模擬過程中，壓力傳感器(17- 6)對經(jīng)過降雨容器（17-9)內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)的壓縮空氣壓力進行實時監(jiān)測并將監(jiān) 測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的壓力監(jiān)測值與實驗設(shè)定的壓力闊值 進行比對，當壓力監(jiān)測值小于壓力闊值時，計算機(7)驅(qū)動壓力控制電磁閥（17-5)打開的開 度增大，當壓力監(jiān)測值大于壓力闊值時，計算機(7)驅(qū)動壓力控制電磁閥（17-5)打開的開度 減小，從而使經(jīng)過降雨容器（17-9)內(nèi)降雨壓力控制管（17-8)的壓縮空氣壓力維持在壓力闊 值范圍內(nèi)；同時，所述水位傳感器（17-11)對降雨容器（17-9)內(nèi)的水位進行實時監(jiān)測并將監(jiān) 測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的水位監(jiān)測值與實驗設(shè)定的水位設(shè)定 值進行比對，當水位監(jiān)測值小于水位設(shè)定值時，計算機(7)控制接通進水水累（17-1)的供電 回路，并驅(qū)動進水電磁閥（17-2)打開，外部水源流出的水通過進水管（17-7)流入降雨容器 (17-9)內(nèi)，當水位監(jiān)測值大于水位設(shè)定值時，計算機(7)控制斷開進水水累（17-1)的供電回 路，并驅(qū)動進水電磁閥（17-2)關(guān)閉，停止往降雨容器（17-9)內(nèi)注水，從而使降雨容器（17-9) 內(nèi)水位維持穩(wěn)定，保證了降雨過程的持續(xù)進行； (2) 、在模擬中強度降雨有徑流入滲過程中，未滲入原狀±樣（12)內(nèi)的水從出水口（10- 1)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入徑流量量杯(13)，滲出原狀±樣（12)內(nèi)的水從通水孔(1 - 5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);模擬中強度降雨過程中，徑流量量 杯（13)對未滲入原狀±樣（12)內(nèi)的水的量進行監(jiān)測并記錄，當相鄰的兩個采樣時刻的未滲 入原狀±樣（12)內(nèi)的水的量的差值小于等于Icm3時，說明達到了入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)， 停止實驗;此時，第一流量傳感器（17-3)對降雨量進行實時監(jiān)測并將監(jiān)測到的信號實時輸 出給計算機(7)并記錄為總降雨量Qz;查看徑流量測量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀±樣（12)內(nèi) 的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨徑流量查看出滲量測量量杯(3)內(nèi)滲出原狀±樣（12) 的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨出滲量Qc; 步驟五所述的模擬多種強度降雨入滲邊界條件，其高強度降雨穩(wěn)定入滲的具體模擬步 驟為： (1)、向輸水水桶（14-1)內(nèi)加水（15)，此時使止水閥（14-5)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打開止 水閥（14-5)，所述水（15)經(jīng)輸水管（14-12)從降雨噴頭（14-9)流至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的抗水 壓沖擊板(A)上，再到達原狀±樣（12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀±樣 (12)不受降雨侵蝕的作用;位于U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的輕質(zhì)塑料片（14-8)與其上方的 永久磁鐵（14-7)在水（15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位高度相同，當上 部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)水位上升到預(yù)設(shè)實驗高度時，通過導(dǎo)線(9)給電線圈（14-6)供電形成 電磁鐵，同時通過把手（14-4)帶動轉(zhuǎn)輪(14-2)轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)輪(14-2)上纏有拉線（14-3)，所 述電線圈（14-6)隨著拉線（14-3)在滑槽（14-13)內(nèi)垂直運動，轉(zhuǎn)動把手（14-4)調(diào)整拉線 (14-3)長度使止水閥（14-5)在輕質(zhì)彈黃（14-10)的作用下接近于關(guān)閉狀態(tài)來進行粗調(diào)，然 后改變電線圈（14-6)的外部導(dǎo)線(9)所接電源電壓的大小來進行精調(diào)，使此時止水閥（14- 5)剛好處于關(guān)閉狀態(tài)；當U型水頭控制管（10-2)內(nèi)的水位隨著上部的圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的水 位下降時，所述輕質(zhì)塑料片（14-8)和永久磁鐵（14-7)也隨之下降，永久磁鐵（14-7)與電線 圈（14-6)之間的磁力減小，所述輕質(zhì)彈黃(14-10)受到的荷載增加產(chǎn)生壓縮形變，位于輕質(zhì) 彈黃(14-10)上的止水閥（14-5)打開，水(15)繼續(xù)經(jīng)輸水管（14-12)從降雨噴頭（14-9)流入 圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)進行補給；當補給的水位高度再次大于預(yù)設(shè)實驗高度時，止水閥（14-5)就 會處于關(guān)閉狀態(tài)，當補給的水位高度再次小于預(yù)設(shè)實驗高度時，止水閥（14-5)打開繼續(xù)補 給，模擬出了高強度降雨穩(wěn)定入滲邊界條件； (2)、在模擬高強度降雨穩(wěn)定入滲過程中，滲出原狀±樣（12)內(nèi)的水從通水孔（1-5)內(nèi) 流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3);在高強度降雨穩(wěn)定入滲過程中，觀測到 輸水水桶（14-1)的補水間隔為2小時W上時，說明達到入滲穩(wěn)定，關(guān)閉供水系統(tǒng)，停止實驗； 此時，輸水水桶（14-1)內(nèi)水（15)的損失量記錄為總降雨量Qz，同時，將輸水水桶（14-1)內(nèi)水 (15)的損失量與圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)未滲入的水的量之差記錄為降雨入滲量Qr，查看出滲量測 量量杯(3)內(nèi)滲出原狀±樣(12)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨出滲量Q。。
【文檔編號】G01D21/02GK105911257SQ201610479162
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月25日
【發(fā)明人】王雙明, 王生全, 毛正君
【申請人】西安科技大學(xué)