多状态原状土柱入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法
【专利摘要】多状态原状土柱入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法，模拟系统包括底部构件、连接在底部构件上的一个或多个串联的土柱实验标准构件以及土柱实验标准构件顶部的多种强度降雨入渗装置；模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于该系统实现降雨入渗系数和非饱和渗透系数的测定，并给出了测试步骤及计算方法，测定时采用大直径的原状土柱进行室内实验，运用多种强度降雨入渗装置模拟三种强度降雨入渗边界条件，即低强度降雨全入渗边界条件、中强度降雨有径流入渗边界条件和高强度降雨稳定入渗边界条件；具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。
【专利说明】
多状态原状土柱入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法
技术领域
[0001] 本发明属于非饱和土技术领域，特别涉及一种多状态原状土柱入渗模拟系统及非 饱和渗透系数测定方法。
【背景技术】
[0002] 降水主要是指降雨和降雪，水分以各种形式从大气到达地面，其它形式的降水还 包括露、霜、雹等。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。降水资料是分析 合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计 与管理运用的基础。降水入渗补给地下水的过程是大气水到土壤水到地下水"三水"相互转 换关系中最基本的环节之一，降水入渗对地下水的补给量即为降水补给量，它是地下水的 主要补给方式，同时，也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。
[0003] 土柱实验被广泛应用于农业、林业、地质、土木和环境等研究领域。应用土柱实验 可以在实验室内模拟土壤水分和污染物迀移规律。土柱通常分为原状土柱和扰动土柱两 种。原状土柱能够用来测试土体本身的结构及其物理性质；当前土柱实验一般采用扰动土 柱，扰动土柱是经过筛分形成，或者按照一定比例混合填装所形成的，其不能用来测试土体 本身的结构特性。不管采用哪种土柱进行试验，都存在以下问题:①土柱实验装土构件单节 长度大，便捷性差，以至于土柱安装困难，对仪器的清洗造成不便;②监测设备安装繁琐，需 要对土柱进行钻孔，破坏其结构性;③监测设备一般为人工观测，使得实验精度低、人为性 强。
[0004] 非饱和渗透系数与含水量或基质势的关系是描述非饱和土壤中水分运移和溶质 输送的重要函数关系之一，是分析降水条件下土坡稳定性、固体废物填埋场、地下污水的迀 移和填土工程等问题的重要参数。由于在非饱和土中有基质吸力的存在，不能用常规的饱 和渗透实验方法确定其渗透系数，使得非饱和土渗透系数的确定具有较大的难度。非饱和 渗透系数的测定既可在实验室，也可在现场进行。室内实验的优点是可在设定的水力边界 条件下测试原状试样和重塑试样的非饱和渗透性能，同时与原位实测相比，室内实验周期 短、经济且更成熟。但通常由于非饱和土的成分、结构以及赋存环境的差异，导致了室内实 验所用小试件难以代表真正土体的实际情况。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多状态原状土柱入渗 模拟系统及非饱和渗透系数测定方法，基于大直径的原状土柱进行室内实验，采用多种强 度的降雨模拟装置，模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于 该系统实现非饱和渗透系数的测定，并给出了测试步骤及计算方法，具有实用性强，使用效 果好，便于推广使用的特点。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] 多状态原状土柱入渗模拟系统，包括底部构件（1 )、连接在底部构件（1)上的一个 或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的多种强度降雨入渗 模拟装置(C);
[0008] 所述的底部构件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水点通过塑 料软管(2)接入出渗量量杯(3 )，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1 )，第三流量传 感器(3-1)接入计算机(7);底座（1-1)的上方设置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的上部设置 有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件（1)管件（1-7)的 内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸（1-4)，滤纸（1-4)的上表面与原状 土样（12)接触;管件（1-7)的顶端设置有外螺纹连接段（1-6)，外螺纹连接段（1-6)通过法兰 (6)与土柱实验标准构件(4)连接；
[0009] 所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标 准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁 (4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标 准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接;插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样（12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土壤 热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内；土壤热传导吸力探头(4-7) 内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7); 土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压 管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，所述的插 入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置， 测压管(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体（1-21)，所述承力柱支座（1-22)与底座（1-1)为一体成型，承力柱支座（1-22)在土柱竖向投影 按照"一个圆心+以底座（1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份"方式布置;承力柱主体（1-21)长度不同使得底座(1 -1)呈现坡度；
[0011] 所述的土柱底部构件（1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件（10)均由耐高温玻璃 钢制成；
[0012] 所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处 设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探 头(4-5)，弹出件（5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)；
[0013] 所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为:纵 向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；
[0014] 所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈（4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡 箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧 程度，使标准圆柱构件紧密结合；
[0015] 所述的法兰⑻内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2);
[0016] 所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置 有温湿度探测输出端（7-2)、基质吸力探测输出端（7-3);温湿度探测输出端（7-2)经导线 (9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸 力探头(4_7);
[0017] 所述的多种强度降雨入渗模拟装置(C)包括低强度降雨全入渗模拟装置（16)、中 强度降雨有径流入渗模拟装置(17)和高强度降雨稳定入渗模拟装置(14);
[0018] 所述的低强度降雨全入渗模拟装置(16)包括外侧刻有刻度的输水水桶（16-1)，输 水水桶（16-1)的下方通过输水管（16-12)与降雨喷头（16-9)连通，降雨喷头（16-9)设置于 土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件（10)顶部，圆柱构件（10)内高出原状土样（12)上表 面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;U型水头控制管 (10-2)内的水面上设置有轻质塑料片（16-8)，所述轻质塑料片（16-8)形式为薄圆片，所述 轻质塑料片（16-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁（16-7)，永久磁铁（16-7)的正上方设 置有拉线（16-3)吊挂的电线圈（16-6)，电线圈（16-6)外接有导线(9)，拉线（16-3)的上端缠 于转轮（16-2)上，转轮（16-2)上设置有把手（16-4)，转轮（16-2)上端用拉线（16-3)通过着 力构件（16-11)的小孔与止水阀（16-5)下部相连接，止水阀（16-5)下端设置有轻质弹簧 (16-10)，所述圆柱构件（10)与U型水头控制管（10-2)相连接，轻质塑料片（16-8)、永久磁铁 (16-7)和电线圈（16-6)都在U型水头控制管（10-2)的滑槽（16-13)内运动;所述滑槽（16- 13) 嵌于U型水头控制管（10-2)内壁，所述电线圈（16-6)按照边沿处三等分设置有滑轨（16- 14) ，所述滑轨（16-14)可在滑槽（16-13)内自由上下运动;所述的低强度降雨全入渗模拟装 置(16)控制原状土样(12)表面水位高度低于1mm;
[0019] 所述的中强度降雨有径流入渗模拟装置（17)包括设置在圆柱构件（10)内的降雨 容器（17-9)和设置在降雨容器（17-9)底部的圆形降雨孔（17-10)，圆柱构件（10)内高出原 状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;所 述降雨容器（17-9)的顶部设置有降雨容器内的压力控制管（17-8)和与外部水源连接的进 水管（17-7);所述进水管（17-7)上设置有进水电磁阀（17-2)、进水水栗（17-1)和用于对降 雨量进行实时监测的第一流量传感器（17-3);所述降雨容器内压力控制管（17-8)上设置有 压力控制电磁阀（17-5)和压力传感器(17-6)，所述降雨容器内的压力控制管（17-8)的尾部 连接有空气压缩机(17-4);所述降雨容器(17-9)的顶部内壁上设置有用于对降雨容器(17-9)的水位进行实时监测的水位传感器（17-11);所述圆柱构件（10)内的原状土样（12)上表 面外侧开有出水口（10-1 )，出水口（ 1 〇-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯（13 )，所述塑料 软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计 算机(7);
[0020] 所述的高强度降雨稳定入渗模拟装置（14)包括外侧刻有刻度的输水水桶（14-1)， 输水水桶（14-1)的下方通过输水管（14-12)与降雨喷头（14-9)连通，降雨喷头（14-9)设置 于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件（10)顶部，圆柱构件（10)内高出原状土样（12)上 表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;U型水头控制管 (10-2)内的水面上设置有轻质塑料片（14-8)，所述轻质塑料片（14-8)形式为薄圆片，所述 轻质塑料片（14-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁（14-7)，永久磁铁（14-7)的正上方设 置有拉线（14-3)吊挂的电线圈（14-6)，电线圈（14-6)外接有导线(9)，拉线（14-3)的上端缠 于转轮（14-2)上，转轮（14-2)上设置有把手（14-4)，转轮（14-2)上端用拉线（14-3)通过着 力构件（14-11)的小孔与止水阀（14-5)下部相连接，止水阀（14-5)下端设置有轻质弹簧 (14-10)，所述圆柱构件（10)与U型水头控制管（10-2)相连接，轻质塑料片（14-8)、永久磁铁 (14-7)和电线圈（14-6)都在U型水头控制管（10-2)的滑槽（14-13)内运动;所述滑槽（14- 13) 嵌于U型水头控制管（10-2)内壁，所述电线圈（14-6)按照边沿处三等分设置有滑轨（14- 14) ，所述滑轨（14-14)可在滑槽（14-13)内自由上下运动;所述的高强度降雨稳定入渗模拟 装置(14)控制原状土样（12)表面水位高度高于lcm以上。
[0021]基于多状态原状土柱入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法，包括以下步骤： [0022]步骤一、组装土柱实验标准构件
[0023]分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标 准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过 扳手上紧套在螺丝杆件(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，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；
[0024]步骤二、安装原状土样
[0025]选取预先准备好的原状土样（12)，将原状土样（12)竖立在地面上，将已经连接好 的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样（12)，将原状土样（12)与土柱实验标准构件(4) 之间的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下；
[0026]步骤三、组装土柱实验仪器设备
[0027]先将底座（1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体（1-21)套放在对应的承力 柱支座（1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气 值陶土板（1-3)上表面铺设有滤纸（1-4)，所述承力柱主体（1-21)、高进气值陶土板（1-3)、 滤纸（1-4)均位于管件（1-7)内部;在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将 所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3 )，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传 感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7);然后将法兰(6)的法兰 螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件 (1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样（12)通过土 柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件（1)上端的法兰(6)的法兰螺 纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样（12)位 于底部构件（1)滤纸（1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件（10)进行连接；
[0028]步骤四、测定原状土样的初始状态
[0029]原状土样（12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12) 的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号 通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土 样(12)的初始含水率0。；
[0030]原状土样（12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12)的 温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通 过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12) 的温度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样 (12)的初始温度T c;
[0031]原状土样（12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样（12) 的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测 信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土 样（12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试 点处原状土样（12)的初始基质吸力?％;
[0032]原状土样（12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进 行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h。；
[0033]原状土样（12)的饱和含水率:将原状土样（12)的取样地点带回的其它土样进行饱 和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率;取土样放入称量盒内，为其注水直至水面 浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内， 进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公式 计算求得原状土样(12)的饱和含水率0sat;
[0034] 步骤五、模拟多种强度降雨入渗边界条件
[0035] 根据测试要求，多种强度降雨入渗模拟装置(C)配合土柱实验标准构件(4)工作来 模拟三种强度降雨入渗边界条件，即低强度降雨全入渗边界条件、中强度降雨有径流入渗 边界条件、高强度降雨稳定入渗边界条件；
[0036] 步骤六、模拟过程中的各参数监测
[0037]多个温湿度传感器探头（4-5)分别对模拟过程中的原状土样（12)的湿度进行监 测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路 实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的湿度信号，并 将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的含水率0 1;多 个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样（12)的基质吸力进行监测，将 监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路 实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的基质吸力信 号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基 质吸力F a;多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进行监测得到各个测试点记 录时刻对应的水头高度hi;
[0038] 上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：降雨入渗5分钟内，记录时间间隔为5 秒，降雨入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，降雨入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15 秒，降雨入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，降雨入渗60分钟以后记录时间间隔为60 秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；
[0039] 步骤七、模拟过程中监测结果分析
[0040] 对所记录的某一时刻的基质吸力Fa监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样 (12)所对应的基质吸力云图；同时对所记录的某一时刻原状土样（12)所对应的含水率0:监 测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；
[0041] 依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润 前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位 置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律;根据含水率云图，依 据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率0 sat的等值线，从而确定完全饱和带， 所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋 与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率9sat等值线之间的区 域被定义为降雨入渗过渡带；
[0042]绘制基质吸力F4P含水率0:的关系图，从而分别得到各土层的的土-水特征曲线； [0043]步骤八、降雨入渗系数计算
[0044]根据公式Qr = Qz-Qj，计算得到降雨入渗量Qr，单位为cm3;其中Qz为总降雨量，单位 为cm3 ;Qj为降雨径流量，单位为cm3;
[0045]根据公式AS = Qr-Qc，计算得到降雨入渗的水分亏损量AS，单位为cm3;其中Q r为 降雨入渗量，单位为cm3; Qc为降雨出渗量，单位为cm3;
[0046] 根据公式Vr = Qr/t计算得到降雨入渗率Vr，单位为Cm3/s ;其中Qr为降雨入渗量，单 位为cm3; t为实验测试时间，单位为S;
[0047]根据公式V。= Q。/!:计算得到降雨出渗率V。，单位为cm3/s;其中Q。为降雨出渗量，单 位为cm3; t为实验测试时间，单位为s;
[0048] 根据公式a = Qc/Qz计算得到降雨入渗系数a，单位为无量纲;其中Qc为降雨出渗量， 单位为cm3; Qz为总降雨量，单位为cm3;
[0049] 步骤九、非饱和渗透系数计算
[0050] 基于土柱实验的降雨入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下
(1)
[0052]将Darcy定律代入以上方程(1)得
(2)
[0054]对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式
(3)：
[0056] 根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力（〇-ua)和基质吸 力值的变化将会引起体积含水率^的变化，BP
[0057] d(a-uj- m''2 (ua- uu) (4)
[0058] 式中：〇--总应力；
[0059] miw一一与法向应力(〇_ua)变化有关的水的体积变化系数；
[0060] <--与基质吸力(ua_uw)变化有关的水的体积变化系数；
[0061]将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作 用，假定在非饱和区气相连续不变，得
[0064]由（3)、（5)式可得 (5) :即土-水特征曲线的斜率。
(6)
[0066]其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲;h为总水头高度，单位为cm;y为土柱测 点高度，单位为cm; y w为水的重度，单位为N/m3 ; <为土-水特征曲线的斜率，单位为无量 纲;t为时间，单位为s;
[0067] 依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制 其分布图。
[0068] 步骤五所述的模拟多种强度降雨入渗边界条件，其低强度降雨全入渗的具体模拟 步骤为：
[0069] (1)、向输水水桶（16-1)内加水（15)，此时使止水阀（16-5)处于关闭状态，然后打 开止水阀（16-5)，水（15)经输水管（16-12)从降雨喷头（16-9)流至圆柱构件（10)内的抗水 压冲击板(A)上，再到达原状土样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样 (12)不受降雨侵蚀的作用;位于U型水头控制管（10-2)内的轻质塑料片（16-8)与其上方的 永久磁铁（16-7)在水（15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件（10)内水位高度相同，当上 部的圆柱构件（10)内水位上升到高出原状土样（12)上表面1mm时，通过导线（9)给电线圈 (16-6)供电形成电磁铁，同时通过把手（16-4)带动转轮（16-2)转动，所述转轮（16-2)上缠 有拉线（16-3)，所述电线圈（16-6)随着拉线（16-3)在滑槽（16-13)内垂直运动，转动把手 (16-4)调整拉线（16-3)长度使止水阀（16-5)在轻质弹簧（16-10)的作用下接近于关闭状态 来进行粗调，然后改变电线圈（16-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此 时止水阀（16-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管（10-2)内的水位随着上部的圆柱构 件（1 〇)内的水位下降时，所述轻质塑料片（16-8)和永久磁铁（16-7)也随之下降，永久磁铁 (16-7)与电线圈（16-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧（16-10)受到的荷载增加产生压缩 形变，位于轻质弹簧（16-10)上的止水阀（16-5)打开，水（15)继续经输水管（16-12)从降雨 喷头（16-9)流入圆柱构件（10)内进行补给；当补给的水位高度再次大于1mm时，止水阀（16-5)就会处于关闭状态，当补给的水位高度再次小于1_时，止水阀（16-5)打开继续补给，从 而模拟出了低强度降雨全入渗边界条件；
[0070] (2)、在模拟低强度降雨全入渗过程中，渗出原状土样（12)内的水从通水孔（1-5) 内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);在低强度降雨全入渗过程中，观测到 输水水桶（16-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭供水系统，停止实验； 此时，输水水桶（16-1)内水的损失量与圆柱构件（10)内未渗入的水量之差记录为总降雨量 Q z，在低强度降雨全入渗条件下，总降雨量Qz数值上等于入渗量Qr;此时，查看出渗量测量量 杯(3)内渗出原状土样（12)水的量，并将该读数记录为低强度降雨全入渗条件下的出渗量 Qc〇
[0071] 步骤五所述的模拟多种强度降雨入渗边界条件，其中强度降雨有径流入渗的具体 模拟步骤为：
[0072] (1)、计算机(7)发出信号接通空气压缩机（17-4)的供电回路，然后驱动压力控制 电磁阀（17-5)打开，空气压缩机（17-4)启动，产生的压缩空气经过压力控制电磁阀（17-5) 调节压力后通过降雨容器内降雨压力控制管（17-8)进入降雨容器（17-9)内，将降雨容器 (17-9)内的水从圆形降雨孔(17-10)中喷出，之后到达圆柱构件（10)内的抗水压冲击板(A) 上，再到原状土样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样（12)不受降雨侵 蚀的作用，模拟出了中强度降雨有径流入渗边界条件；中强度降雨模拟过程中，压力传感器 (17-6)对经过降雨容器（17-9)内降雨压力控制管（17-8)的压缩空气压力进行实时监测并 将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的压力监测值与实验设定的压力 阈值进行比对，当压力监测值小于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀（17-5)打开 的开度增大，当压力监测值大于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀（17-5)打开的 开度减小，从而使经过降雨容器(17-9)内降雨压力控制管（17-8)的压缩空气压力维持在压 力阈值范围内；同时，所述水位传感器(17-11)对降雨容器(17-9)内的水位进行实时监测并 将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的水位监测值与实验设定的水位 设定值进行比对，当水位监测值小于水位设定值时，计算机(7)控制接通进水水栗（17-1)的 供电回路，并驱动进水电磁阀（17-2)打开，外部水源流出的水通过进水管（17-7)流入降雨 容器(17-9)内，当水位监测值大于水位设定值时，计算机(7)控制断开进水水栗（17-1)的供 电回路，并驱动进水电磁阀（17-2)关闭，停止往降雨容器（17-9)内注水，从而使降雨容器 (17-9)内水位维持稳定，保证了降雨过程的持续进行；
[0073] (2)、在模拟中强度降雨有径流入渗过程中，未渗入原状土样（12)内的水从出水口 (10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯（13)，渗出原状土样（12)内的水从通水 孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);模拟中强度降雨过程中，径流 量量杯（13)对未渗入原状土样（12)内的水的量进行监测并记录，当相邻的两个采样时刻的 未渗入原状土样（12)内的水的量的差值小于等于lcm 3时，说明达到了入渗稳定，关闭供水 系统，停止实验;此时，第一流量传感器(17-3)对降雨量进行实时监测并将监测到的信号实 时输出给计算机（7)并记录为总降雨量Q z;查看径流量测量量杯（13)内未渗入原状土样 (12)内的水的量，并将该读数记录为降雨径流量Qj;查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土 样(12)的水的量，并将该读数记录为降雨出渗量Q。。
[0074]步骤五所述的模拟多种强度降雨入渗边界条件，其高强度降雨稳定入渗的具体模 拟步骤为：
[0075] (1)、向输水水桶（14-1)内加水（15)，此时使止水阀（14-5)处于关闭状态，然后打 开止水阀（14-5)，所述水（15)经输水管（14-12)从降雨喷头（14-9)流至圆柱构件（10)内的 抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状 土样（12)不受降雨侵蚀的作用;位于U型水头控制管（10-2)内的轻质塑料片（14-8)与其上 方的永久磁铁（14-7)在水（15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件（10)内水位高度相同， 当上部的圆柱构件（10)内水位上升到预设实验高度时，通过导线(9)给电线圈（14-6)供电 形成电磁铁，同时通过把手（14-4)带动转轮（14-2)转动，所述转轮（14-2)上缠有拉线（14-3)，所述电线圈（14-6)随着拉线（14-3)在滑槽(14-13)内垂直运动，转动把手（14-4)调整拉 线（14-3)长度使止水阀（14-5)在轻质弹簧（14-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调， 然后改变电线圈（14-6)的外部导线（9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀 (14-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管（10-2)内的水位随着上部的圆柱构件（10)内 的水位下降时，所述轻质塑料片（14-8)和永久磁铁（14-7)也随之下降，永久磁铁（14-7)与 电线圈（14-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(14-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于 轻质弹簧(14-10)上的止水阀（14-5)打开，水(15)继续经输水管（14-12)从降雨喷头（14-9) 流入圆柱构件（10)内进行补给；当补给的水位高度再次大于预设实验高度时，止水阀（14-5)就会处于关闭状态，当补给的水位高度再次小于预设实验高度时，止水阀（14-5)打开继 续补给，模拟出了高强度降雨稳定入渗边界条件；
[0076] (2)、在模拟高强度降雨稳定入渗过程中，渗出原状土样（12)内的水从通水孔（1- 5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);在高强度降雨稳定入渗过程中，观 测到输水水桶（14-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭供水系统，停止 实验;此时，输水水桶（14-1)内水（15)的损失量记录为总降雨量Q z，同时，将输水水桶（14-1)内水（15)的损失量与圆柱构件（10)内未渗入的水的量之差记录为降雨入渗量Qr，查看出 渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的水的量，并将该读数记录为降雨出渗量Q c。
[0077]本发明的优点：
[0078] 1.本发明的土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体连接成一个圆柱体，可 以方便地进行原状样和重塑样的实验，同时方便实验仪器的清洗工作，克服目前土柱实验 难以采用原状样进行实验以及后期清洗工作复杂的缺陷。
[0079] 2.橡胶塞(5-7)与插入件(5)的配合使用，克服现有土柱实验测试元件插入时溢水 及水分亏损的缺陷，具有测试结果精确、可靠性高、可重复使用的优点。
[0080] 3. 土柱实验标准构件(4)可根据实验要求多个串联，克服了现有技术中土柱实验 中装土部件单节长度大、操作不便的缺陷;且整个系统的各部件采用标准构件，使得实验标 准化，实验效率大大提尚。
[0081 ] 4.将模拟系统与计算机连接，实现自动化控制，具有精确性、标准性高的特点，克 服了现阶段大部分的仪器设备人工操作容易出现误差的缺陷。
[0082] 5.本发明提出了多种强度降雨入渗模拟装置(C)，多种强度降雨入渗模拟装置(C) 包括低强度降雨全入渗模拟装置（16)、中强度降雨有径流入渗模拟装置(17)和高强度降雨 稳定入渗模拟装置(14);低强度降雨全入渗模拟装置(16)和高强度降雨稳定入渗模拟装置 (14)利用永久磁铁和电线圈磁性相斥的原理，从而控制降雨速度，实现模拟入渗；中强度降 雨有径流入渗模拟装置(17)通过空压机实现了降雨强度的控制。
[0083] 6、基于多状态原状土柱入渗模拟系统实现非饱和渗透系数的测定，并给出了测试 步骤及计算方法，具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。
[0084] 7、本发明基于大直径(不小于50cm)的原状土柱进行室内实验，与传统的室内实验 小试件相比，能够更好地代表真正土体的实际情况;与原位实测相比，本发明的大直径原状 土柱实验也具备周期短、花费少、技术手段成熟的特点。
[0085] 8、本发明可针对于矿山工程、公路工程、铁路工程和水利水电工程等人类工程活 动，尤其是可对比分析人类工程活动扰动作用发生前后不同时期的各种不同类型原状土样 (12)的非饱和渗透特性，譬如采煤塌陷扰动作用发生前后不同时期的各种不同类型原状土 样（12)的非饱和渗透特性，所述的原状土样（12)包括砾类土、砂类土、细粒土以及诸如淤泥 类土、膨胀土、红土、黄土类土、盐渍土、人工填土等特殊土。
[0086] 9、本发明首次提出多状态原状土柱入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法，本 发明结构新颖合理，能够有效模拟降雨入渗的多种工况，具有准确度高、可靠性强。
【附图说明】
[0087] 图1A是基于低强度降雨全入渗模拟装置的系统总图。
[0088] 图1B是低强度降雨全入渗模拟装置(16)的示意图。
[0089] 图1C是图1B中B处放大图。
[0090] 图2A是基于中强度降雨有径流模拟装置的系统总图。
[0091] 图2B是中强度降雨有径流入渗模拟装置(17)的示意图。
[0092] 图3A是基于高强度降雨稳定入渗装置的系统总图。
[0093]图3B是高强度降雨稳定入渗模拟装置(14)的示意图。
[0094] 图3C是图3B中B处放大图。
[0095]图4是法兰6的示意图。
[0096]图5是土柱实验标准构件(4)与底部构件(1)的装配图。
[0097]图6是土柱实验标准构件(4)中管壁(4-1)示意图，其中图6A是主视图，图6B是后视 图。
[0098]图7是图5中A处的放大图。
[0099]图8是底座（1-1)的俯视图。
[0100] 图9是插入件(5)的示意图。
[0101] 图10是插入件(5)与橡胶塞(5-7)的配合示意图。
[0102] 图11是本发明的卡箍(4-30)的拆分示意图。
[0103]图12是本发明多状态原状土柱入渗模拟系统的总示意图。
【具体实施方式】
[0104]下面参照附图对本发明做详细叙述。
[0105] 参照图12,多状态原状土柱入渗模拟系统，包括底部构件（1)、连接在底部构件（1) 上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的多种强度 降雨入渗模拟装置(C);所述的多种强度降雨入渗模拟装置(C)包括低强度降雨全入渗模拟 装置(16)、中强度降雨有径流入渗模拟装置(17)和高强度降雨稳定入渗模拟装置(14);
[0106] 参照图5,所述的底部构件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水 点通过塑料软管（2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第 三流量传感器(3-1)接入计算机(7);底座（1-1)的上方设置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的 上部设置有高进气值陶土板（1-3)，高进气值陶土板（1-3)的四周边沿均与底部构件（1)管 件（1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板（1-3)的顶部设置有滤纸（1-4)，滤纸（1-4)的上 表面与原状土样(12)接触;管件（1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；
[0107] 参照图6,所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土 柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件 (4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土 柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接;插入件(5)通过橡 胶塞（5-7)插入原状土样（12)内，插入件（5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机 (7)，土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内；土壤热传导吸力探 头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7);土柱实验标准构件(4)上固定有 多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内， 所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一 列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0108]参照图7、图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 柱主体(1-21)，所述承力柱支座（1-22)与底座（1-1)为一体成型，承力柱支座（1-22)在土柱 竖向投影按照"一个圆心+以底座（1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份"方式布置;承力柱 主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；
[0109]所述的土柱底部构件（1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件（10)均由耐高温玻璃 钢制成；
[0110] 参照图9、图10,所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部 管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温 湿度传感器探头(4-5)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有 轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设 置有挡板(5-3);
[0111] 所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为:纵 向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；
[0112] 参照图11，所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈（4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合；
[0113] 参照图4,所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把 手(6-2);
[0114] 所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置 有温湿度探测输出端（7-2)、基质吸力探测输出端（7-3);温湿度探测输出端（7-2)经导线 (9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸 力探头(4_7)。
[0115]实施例一
[0116] 本实施例中与本发明配套使用的多种强度降雨入渗模拟装置(C)是低强度降雨全 入渗模拟装置(16);
[0117] 参照图1，所述的低强度降雨全入渗模拟装置（16)包括外侧刻有刻度的输水水桶 (16-1)，输水水桶（16-1)的下方通过输水管（16-12)与降雨喷头（16-9)连通，降雨喷头（16-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件（10)顶部，圆柱构件（10)内高出原状土样 (12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;U型水头 控制管（10-2)内的水面上设置有轻质塑料片（16-8)，所述轻质塑料片（16-8)形式为薄圆 片，所述轻质塑料片（16-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁（16-7)，永久磁铁（16-7)的 正上方设置有拉线（16-3)吊挂的电线圈（16-6)，电线圈（16-6)外接有导线(9)，拉线（16-3) 的上端缠于转轮（16-2)上，转轮（16-2)上设置有把手（16-4)，转轮（16-2)上端用拉线（16-3)通过着力构件（16-11)的小孔与止水阀（16-5)下部相连接，止水阀（16-5)下端设置有轻 质弹簧(16-10)，所述圆柱构件（10)与U型水头控制管（10-2)相连接，轻质塑料片（16-8)、永 久磁铁（16-7)和电线圈（16-6)都在U型水头控制管（10-2)的滑槽（16-13)内运动;所述滑槽 (16-13)嵌于U型水头控制管（10-2)内壁，所述电线圈（16-6)按照边沿处三等分设置有滑轨 (16-14)，所述滑轨（16-14)可在滑槽（16-13)内自由上下运动;所述的低强度降雨全入渗模 拟装置(16)控制原状土样(12)表面水位高度低于1mm。
[0118] 本实施例是低强度降雨全入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法包括以下步 骤：
[0119] 步骤一、组装土柱实验标准构件
[0120]分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标 准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过 扳手上紧套在螺丝杆件(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，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；
[0121] 步骤二、安装原状土样
[0122] 选取预先准备好的原状土样（12)，将原状土样（12)竖立在地面上，将已经连接好 的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样（12)，将原状土样（12)与土柱实验标准构件(4) 之间的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下；
[0123]步骤三、组装土柱实验仪器设备
[0124] 先将底座（1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体（1-21)套放在对应的承力 柱支座（1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气 值陶土板（1-3)上表面铺设有滤纸（1-4)，所述承力柱主体（1-21)、高进气值陶土板（1-3)、 滤纸（1-4)均位于管件（1-7)内部;在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将 所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3 )，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传 感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7);然后将法兰(6)的法兰 螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件 (1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样（12)通过土 柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件（1)上端的法兰(6)的法兰螺 纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样（12)位 于底部构件（1)滤纸（1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件（10)进行连接；
[0125] 步骤四、测定原状土样的初始状态
[0126] 原状土样（12)的初始含水率:多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12) 的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号 通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土 样(12)的初始含水率0。；
[0127] 原状土样（12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12)的 温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通 过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12) 的温度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样 (12)的初始温度T c;
[0128] 原状土样（12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样（12) 的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测 信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土 样（12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试 点处原状土样（12)的初始基质吸力?％;
[0129]原状土样（12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进 行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h。；
[0130]原状土样（12)的饱和含水率:将原状土样（12)的取样地点带回的其它土样进行饱 和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率;取土样放入称量盒内，为其注水直至水面 浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和盒放入烘箱内，进行 烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公式& = 计算求 m 得原状土样(12)的饱和含水率0sat;
[0131] 步骤五、模拟低强度降雨全入渗边界条件
[0132] (1)、向输水水桶（16-1)内加水（15)，此时使止水阀（16-5)处于关闭状态，然后打 开止水阀（16-5)，水（15)经输水管（16-12)从降雨喷头（16-9)流至圆柱构件（10)内的抗水 压冲击板(A)上，再到达原状土样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样 (12)不受降雨侵蚀的作用;位于U型水头控制管（10-2)内的轻质塑料片（16-8)与其上方的 永久磁铁（16-7)在水（15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件（10)内水位高度相同，当上 部的圆柱构件（10)内水位上升到高出原状土样（12)上表面1mm时，通过导线（9)给电线圈 (16-6)供电形成电磁铁，同时通过把手（16-4)带动转轮（16-2)转动，所述转轮（16-2)上缠 有拉线（16-3)，所述电线圈（16-6)随着拉线（16-3)在滑槽（16-13)内垂直运动，转动把手 (16-4)调整拉线（16-3)长度使止水阀（16-5)在轻质弹簧（16-10)的作用下接近于关闭状态 来进行粗调，然后改变电线圈（16-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此 时止水阀（16-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管（10-2)内的水位随着上部的圆柱构 件（1 〇)内的水位下降时，所述轻质塑料片（16-8)和永久磁铁（16-7)也随之下降，永久磁铁 (16-7)与电线圈（16-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧（16-10)受到的荷载增加产生压缩 形变，位于轻质弹簧（16-10)上的止水阀（16-5)打开，水（15)继续经输水管（16-12)从降雨 喷头（16-9)流入圆柱构件（10)内进行补给；当补给的水位高度再次大于1mm时，止水阀（16-5)就会处于关闭状态，当补给的水位高度再次小于1_时，止水阀（16-5)打开继续补给，从 而模拟出了低强度降雨全入渗边界条件；
[0133] (2)、在模拟低强度降雨全入渗过程中，渗出原状土样（12)内的水从通水孔（1-5) 内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);在低强度降雨全入渗过程中，观测到 输水水桶（16-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭供水系统，停止实验； 此时，输水水桶（16-1)内水的损失量与圆柱构件（10)内未渗入的水量之差记录为总降雨量 Q z，在低强度降雨全入渗条件下，总降雨量Qz数值上等于入渗量Qr;此时，查看出渗量测量量 杯(3)内渗出原状土样（12)水的量，并将该读数记录为低强度降雨全入渗条件下的出渗量 Qc ；
[0134] 步骤六、模拟过程中的各参数监测
[0135] 多个温湿度传感器探头（4-5)分别对模拟过程中的原状土样（12)的湿度进行监 测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路 实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的湿度信号，并 将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的含水率0 1;多 个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样（12)的基质吸力进行监测，将 监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路 实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的基质吸力信 号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基 质吸力F a;多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进行监测得到各个测试点记 录时刻对应的水头高度hi;
[0136] 上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：降雨入渗前5分钟内，记录时间间隔 为5秒，降雨入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，降雨入渗15-30分钟内，记录时间间隔 为15秒，降雨入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，降雨入渗60分钟以后记录时间间隔 为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；
[0137] 步骤七、模拟过程中监测结果分析
[0138] 对所记录的某一时刻的基质吸力Fa监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样 (12)所对应的基质吸力云图；同时对所记录的某一时刻原状土样（12)所对应的含水率0:监 测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；
[0139] 依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润 前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位 置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律;根据含水率云图，依 据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率0 sat的等值线，从而确定完全饱和带， 所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋 与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率9 sat等值线之间的区 域被定义为降雨入渗过渡带；
[0140]绘制基质吸力F4P含水率0:的关系图，从而分别得到各土层的的土-水特征曲线； [0141]步骤八、降雨入渗系数计算
[0142]根据公式Qr = Qz-Qj，计算得到降雨入渗量Qr，单位为cm3;其中Qz为总降雨量，单位 为cm3 ;Qj为降雨径流量，单位为cm3;
[0143 ]根据公式A S = Qr-Qc，计算得到降雨入渗的水分亏损量A S，单位为cm3;其中Qr为 降雨入渗量，单位为cm3; Qc为降雨出渗量，单位为cm3;
[01 44]根据公式Vr = Qr/t计算得到降雨入渗率Vr，单位为Cm3/s ;其中Qr为降雨入渗量，单 位为cm3; t为实验测试时间，单位为S;
[0145] 根据公式Vc^zQ。/!:计算得到降雨出渗率V。，单位为cm3/s;其中Q。为降雨出渗量，单 位为cm 3; t为实验测试时间，单位为s;
[0146] 根据公式a = Qc/Qz计算得到降雨入渗系数a，单位为无量纲;其中Qc为降雨出渗量， 单位为cm 3; Qz为总降雨量，单位为cm3;
[0147] 步骤九、非饱和渗透系数计算
[0148] 基于土柱实验的降雨入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下
[0150]将Darcy定律代入以上方程(1)得 (1) (2)：
[0152]对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式
[0154] 根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力（〇-ua)和基质吸 力值的变化将会引起体积含水率^的变化，BP
[0155] d&w = uj- m] (u t- (4：)
[0156] 式中：〇--总应力；
[0157] miw一一与法向应力(〇_ua)变化有关的水的体积变化系数；
[0158] --与基质吸力(ua_uw)变化有关的水的体积变化系数；
[0159] 将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作 用，假定在非饱和区气相连续不变，得
[0162]由（3)、（5)式可得 (5) 即土-水特征曲线的斜率。
(6)
[0164] 其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲;h为总水头高度，单位为cm; y为土柱测 点高度，单位为cm; y w为水的重度，单位为N/m3『为土-水特征曲线的斜率，单位为无量 纲;t为时间，单位为s;
[0165] 依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制 其分布图。
[0166] 实施例二
[0167] 本实施例中与本发明配套使用的多种强度降雨入渗模拟装置是中强度降雨有径 流入渗模拟装置(17);
[0168] 参照图2,所述的中强度降雨有径流入渗模拟装置（17)包括设置在圆柱构件（10) 内的降雨容器（17-9)和设置在降雨容器（17-9)底部的圆形降雨孔（17-10)，圆柱构件（10) 内高出原状土样（12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置 有筛孔;所述降雨容器(17-9)的顶部设置有降雨容器内的压力控制管（17-8)和与外部水源 连接的进水管（17-7);所述进水管（17-7)上设置有进水电磁阀（17-2)、进水水栗（17-1)和 用于对降雨量进行实时监测的第一流量传感器（17-3);所述降雨容器内压力控制管（17-8) 上设置有压力控制电磁阀（17-5)和压力传感器(17-6)，所述降雨容器内的压力控制管（17-8)的尾部连接有空气压缩机(17-4);所述降雨容器（17-9)的顶部内壁上设置有用于对降雨 容器（17-9)的水位进行实时监测的水位传感器（17-11);所述圆柱构件（10)内的原状土样 (12)上表面外侧开有出水口（10-1)，出水口（10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯（13)， 所述塑料软管(2)上设置有第二流量传感器（13-1)，所述第二流量传感器（13-1)通过导线 (9)接入计算机(7)。
[0169] 本实施例是基于中强度降雨有径流模拟系统的非饱和渗透系数测定方法包括以 下步骤：
[0170] 步骤一、组装土柱实验标准构件
[0171] 具体步骤同实施例一 [0172]步骤二、安装原状土样
[0173] 具体步骤同实施例一
[0174] 步骤三、组装土柱实验仪器设备
[0175] 具体步骤同实施例一
[0176]步骤四、测定原状土样的初始状态
[0177] 具体步骤同实施例一
[0178] 步骤五、模拟中强度降雨有径流入渗边界条件
[0179] (1)、计算机(7)发出信号接通空气压缩机（17-4)的供电回路，然后驱动压力控制 电磁阀（17-5)打开，空气压缩机（17-4)启动，产生的压缩空气经过压力控制电磁阀（17-5) 调节压力后通过降雨容器内降雨压力控制管（17-8)进入降雨容器（17-9)内，将降雨容器 (17-9)内的水从圆形降雨孔(17-10)中喷出，之后到达圆柱构件（10)内的抗水压冲击板(A) 上，再到原状土样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样（12)不受降雨侵 蚀的作用，模拟出了中强度降雨有径流入渗边界条件；中强度降雨模拟过程中，压力传感器 (17-6)对经过降雨容器（17-9)内降雨压力控制管（17-8)的压缩空气压力进行实时监测并 将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的压力监测值与实验设定的压力 阈值进行比对，当压力监测值小于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀（17-5)打开 的开度增大，当压力监测值大于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀（17-5)打开的 开度减小，从而使经过降雨容器(17-9)内降雨压力控制管（17-8)的压缩空气压力维持在压 力阈值范围内；同时，所述水位传感器(17-11)对降雨容器(17-9)内的水位进行实时监测并 将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的水位监测值与实验设定的水位 设定值进行比对，当水位监测值小于水位设定值时，计算机(7)控制接通进水水栗（17-1)的 供电回路，并驱动进水电磁阀（17-2)打开，外部水源流出的水通过进水管（17-7)流入降雨 容器(17-9)内，当水位监测值大于水位设定值时，计算机(7)控制断开进水水栗（17-1)的供 电回路，并驱动进水电磁阀（17-2)关闭，停止往降雨容器（17-9)内注水，从而使降雨容器 (17-9)内水位维持稳定，保证了降雨过程的持续进行；
[0180] (2)、在模拟中强度降雨有径流入渗过程中，未渗入原状土样（12)内的水从出水口 (10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯（13)，渗出原状土样（12)内的水从通水 孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);模拟中强度降雨过程中，径流 量量杯（13)对未渗入原状土样（12)内的水的量进行监测并记录，当相邻的两个采样时刻的 未渗入原状土样（12)内的水的量的差值小于等于lcm 3时，说明达到了入渗稳定，关闭供水 系统，停止实验;此时，第一流量传感器(17-3)对降雨量进行实时监测并将监测到的信号实 时输出给计算机（7)并记录为总降雨量Q z;查看径流量测量量杯（13)内未渗入原状土样 (12)内的水的量，并将该读数记录为降雨径流量Qj;查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土 样(12)的水的量，并将该读数记录为降雨出渗量Q c;
[0181] 步骤六、模拟过程中的各参数监测
[0182] 具体步骤同实施例一；
[0183] 步骤七、模拟过程中监测结果分析
[0184] 具体步骤同实施例一；
[0185] 步骤八、降雨入渗系数计算
[0186] 具体步骤同实施例一；
[0187] 步骤九、非饱和渗透系数计算
[0188] 具体步骤同实施例一。
[0189] 实施例三
[0190] 本实施例中与本发明配套使用的多种强度降雨入渗模拟装置(C)是高强度降雨稳 定入渗模拟装置(14);
[0191] 参照图3,所述的高强度降雨稳定入渗模拟装置（14)包括外侧刻有刻度的输水水 桶（14-1)，输水水桶（14-1)的下方通过输水管（14-12)与降雨喷头（14-9)连通，降雨喷头 (14-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件（10)顶部，圆柱构件（10)内高出原状 土样（12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;U型 水头控制管（10-2)内的水面上设置有轻质塑料片（14-8)，所述轻质塑料片（14-8)形式为薄 圆片，所述轻质塑料片（14-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁（14-7)，永久磁铁（14-7) 的正上方设置有拉线（14-3)吊挂的电线圈（14-6)，电线圈（14-6)外接有导线(9)，拉线（14-3)的上端缠于转轮（14-2)上，转轮（14-2)上设置有把手（14-4)，转轮（14-2)上端用拉线 (14-3)通过着力构件（14-11)的小孔与止水阀（14-5)下部相连接，止水阀（14-5)下端设置 有轻质弹簧（14-10)，所述圆柱构件（10)与U型水头控制管（10-2)相连接，轻质塑料片（14-8 )、永久磁铁（14-7)和电线圈（14-6)都在U型水头控制管（10-2)的滑槽（14-13)内运动;所 述滑槽（14-13)嵌于U型水头控制管（10-2)内壁，所述电线圈（14-6)按照边沿处三等分设置 有滑轨（14-14)，所述滑轨（14-14)可在滑槽（14-13)内自由上下运动;所述的高强度降雨稳 定入渗模拟装置(14)控制原状土样(12)表面水位高度高于1 cm以上。
[0192] 本实施例是基于高强度降雨稳定模拟系统的非饱和渗透系数测定方法包括以下 步骤：
[0193] 步骤一、组装土柱实验标准构件
[0194] 具体步骤同实施例一；
[0195] 步骤二、安装原状土样
[0196] 具体步骤同实施例一；
[0197] 步骤三、组装土柱实验仪器设备
[0198] 具体步骤同实施例一；
[0199] 步骤四、测定原状土样(12)的初始状态
[0200] 具体步骤同实施例一；
[0201 ]步骤五、模拟高强度降雨稳定入渗边界条件
[0202] (1 )、向输水水桶（14-1)内加水（15)，此时使止水阀（14-5)处于关闭状态，然后打 开止水阀（14-5)，所述水（15)经输水管（14-12)从降雨喷头（14-9)流至圆柱构件（10)内的 抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状 土样（12)不受降雨侵蚀的作用;位于U型水头控制管（10-2)内的轻质塑料片（14-8)与其上 方的永久磁铁（14-7)在水（15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件（10)内水位高度相同， 当上部的圆柱构件（10)内水位上升到预设实验高度时，通过导线(9)给电线圈（14-6)供电 形成电磁铁，同时通过把手（14-4)带动转轮（14-2)转动，所述转轮（14-2)上缠有拉线（14-3)，所述电线圈（14-6)随着拉线（14-3)在滑槽(14-13)内垂直运动，转动把手（14-4)调整拉 线（14-3)长度使止水阀（14-5)在轻质弹簧（14-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调， 然后改变电线圈（14-6)的外部导线（9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀 (14-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管（10-2)内的水位随着上部的圆柱构件（10)内 的水位下降时，所述轻质塑料片（14-8)和永久磁铁（14-7)也随之下降，永久磁铁（14-7)与 电线圈（14-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(14-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于 轻质弹簧(14-10)上的止水阀（14-5)打开，水(15)继续经输水管（14-12)从降雨喷头（14-9) 流入圆柱构件（10)内进行补给；当补给的水位高度再次大于预设实验高度时，止水阀（14-5)就会处于关闭状态，当补给的水位高度再次小于预设实验高度时，止水阀（14-5)打开继 续补给，模拟出了高强度降雨稳定入渗边界条件；
[0203] (2)、在模拟高强度降雨稳定入渗过程中，渗出原状土样（12)内的水从通水孔（1- 5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);在高强度降雨稳定入渗过程中，观 测到输水水桶（14-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭供水系统，停止 实验;此时，输水水桶（14-1)内水（15)的损失量记录为总降雨量Q z，同时，将输水水桶（14-1)内水（15)的损失量与圆柱构件（10)内未渗入的水的量之差记录为降雨入渗量Qr，查看出 渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的水的量，并将该读数记录为降雨出渗量Q c;
[0204] 步骤六、模拟过程中的各参数监测
[0205] 具体步骤同实施例一；
[0206] 步骤七、模拟过程中监测结果分析
[0207] 具体步骤同实施例一；
[0208] 步骤八、降雨入渗系数计算
[0209] 具体步骤同实施例一；
[0210] 步骤九、非饱和渗透系数计算 [0211]具体步骤同实施例一。
【主权项】
1. 多状态原状±柱入渗模拟系统，其特征在于，包括底部构件（I)、连接在底部构件（I) 上的一个或多个串联的±柱实验标准构件(4)^及±柱实验标准构件(4)顶部的多种强度 降雨入渗模拟装置(C); 所述的底部构件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水点通过塑料软 管（2)接入出渗量量杯（3 )，塑料软管（2)上设置有第=流量传感器(3-1 )，第=流量传感器 (3-1)接入计算机(7);底座（1-1)的上方设置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部设置有高 进气值陶±板(1-3)，高进气值陶±板(1-3)的四周边沿均与底部构件（1)管件（1-7)的内壁 水平紧贴，高进气值陶±板(1-3)的顶部设置有滤纸（1-4)，滤纸（1-4)的上表面与原状±样 (12)接触;管件（1-7)的顶端设置有外螺纹连接段（1-6)，外螺纹连接段（1-6)通过法兰(6) 与±柱实验标准构件(4)连接； 所述±柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡髓(4-30)通过±柱实验标准构 件(4)管壁(4-1)的卡髓凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，±柱实验标准构件(4)的管壁(4- 1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞巧-7)配合使用；多个±柱实验标准构 件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接;插入件(5)通过橡胶塞（5-7)插 入原状±样（12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，±壤热传 导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状±样（12)内；±壤热传导吸力探头(4-7)内传 感器所采集的数据都实时传输给计算机(7) ;±柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管 (4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状±样（12)内，所述的插入 件（5)在±柱上按照同一列布置，±壤热传导吸力探头(4-7)在±柱上按照同一列布置，巧U 压管(4-9)在±柱上按照同一列布置； 所述的多种强度降雨入渗模拟装置(C)包括低强度降雨全入渗模拟装置（16)、中强度 降雨有径流入渗模拟装置(17)和高强度降雨稳定入渗模拟装置(14)。2. 根据权利要求1所述的多状态原状±柱入渗模拟系统，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体（1-21)，所述承力柱支座（1- 22)与底座（1-1)为一体成型，承力柱支座（1-22)在±柱竖向投影按照"一个圆屯、+W底座 (1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份"方式布置;承力柱主体（1-21)长度不同使得底座（1- 1)呈现坡度； 所述的±柱底部构件（1)、±柱实验标准构件(4)及圆柱构件（10)均由耐高溫玻璃钢制 成。3. 根据权利要求1所述的多状态原状±柱入渗模拟系统，其特征在于，所述的插入件 (5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片（5-1)， 内部管道中设置有弹出件(5-2 )，弹出件(5-2)包括溫湿度传感器探头(4-5 )，弹出件(5-2) 后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹黃(5-4)，轻质弹黃(5-4)的末 端设置有探针控制器(5-5 )，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)。4. 根据权利要求1所述的多状态原状±柱入渗模拟系统，其特征在于，所述圆形小孔 (4-4)形状大小与橡胶塞（5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上 密下疏原则，横向上绕±柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布。5. 根据权利要求1所述的多状态原状±柱入渗模拟系统，其特征在于，所述的卡髓(4- 30)由两半圆环钢圈（4-34)组成并通过一端的馴钉(4-35)馴接，卡髓(4-30)的另一端接头 (4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡髓(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧 密结合； 所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)。6. 根据权利要求1所述的多状态原状±柱入渗模拟系统，其特征在于，所述的计算机 (7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有溫湿度探测输出端(7- 2)、基质吸力探测输出端(7-3);溫湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接溫湿度传感器探头 (4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接±壤热传导吸力探头(4-7)。7. 根据权利要求1所述的多状态原状±柱入渗模拟系统，其特征在于： 所述的低强度降雨全入渗模拟装置(16)包括外侧刻有刻度的输水水桶（16-1)，输水水 桶（16-1)的下方通过输水管（16-12)与降雨喷头（16-9)连通，降雨喷头（16-9)设置于±柱 实验标准构件(4)上部的圆柱构件（10)顶部，圆柱构件（10)内高出原状±样(12)上表面2-5 厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;U型水头控制管（10-2)内 的水面上设置有轻质塑料片（16-8)，所述轻质塑料片（16-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料 片（16-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁（16-7)，永久磁铁（16-7)的正上方设置有拉线 (16-3)吊挂的电线圈（16-6)，电线圈（16-6)外接有导线(9)，拉线（16-3)的上端缠于转轮 (16-2)上，转轮（16-2)上设置有把手（16-4)，转轮（16-2)上端用拉线（16-3)通过着力构件 (16-11)的小孔与止水阀（16-5)下部相连接，止水阀（16-5)下端设置有轻质弹黃（16-10)， 所述圆柱构件（10)与U型水头控制管（10-2)相连接，轻质塑料片（16-8)、永久磁铁（16-7)和 电线圈（16-6)都在U型水头控制管（10-2)的滑槽（16-13)内运动;所述滑槽（16-13)嵌于U型 水头控制管（10-2)内壁，所述电线圈（16-6)按照边沿处S等分设置有滑轨（16-14)，所述滑 轨（16-14)可在滑槽（16-13)内自由上下运动;所述的低强度降雨全入渗模拟装置（16)控制 原状±样(12)表面水位高度低于Imm; 所述的中强度降雨有径流入渗模拟装置（17)包括设置在圆柱构件（10)内的降雨容器 (17-9)和设置在降雨容器（17-9)底部的圆形降雨孔（17-10)，圆柱构件（10)内高出原状± 样（12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;所述降 雨容器（17-9)的顶部设置有降雨容器内的压力控制管（17-8)和与外部水源连接的进水管 (17-7);所述进水管（17-7)上设置有进水电磁阀（17-2)、进水水累（17-1)和用于对降雨量 进行实时监测的第一流量传感器（17-3);所述降雨容器内压力控制管（17-8)上设置有压力 控制电磁阀（17-5)和压力传感器（17-6)，所述降雨容器内的压力控制管（17-8)的尾部连接 有空气压缩机（17-4);所述降雨容器（17-9)的顶部内壁上设置有用于对降雨容器（17-9)的 水位进行实时监测的水位传感器（17-11);所述圆柱构件（10)内的原状±样（12)上表面外 侧开有出水口（ 10-1 )，出水口（ 10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯（13 )，所述塑料软管 (2)上设置有第二流量传感器（13-1)，所述第二流量传感器（13-1)通过导线(9)接入计算机 (7); 所述的高强度降雨稳定入渗模拟装置（14)包括外侧刻有刻度的输水水桶（14-1)，输水 水桶（14-1)的下方通过输水管（14-12)与降雨喷头（14-9)连通，降雨喷头（14-9)设置于± 柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件（10)顶部，圆柱构件（10)内高出原状±样（12)上表面 2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔;U型水头控制管（10- 2)内的水面上设置有轻质塑料片（14-8)，所述轻质塑料片（14-8)形式为薄圆片，所述轻质 塑料片（14-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁（14-7)，永久磁铁（14-7)的正上方设置有 拉线（14-3)吊挂的电线圈（14-6)，电线圈（14-6)外接有导线(9)，拉线（14-3)的上端缠于转 轮（14-2)上，转轮（14-2)上设置有把手（14-4)，转轮（14-2)上端用拉线（14-3)通过着力构 件（14-11)的小孔与止水阀（14-5)下部相连接，止水阀（14-5)下端设置有轻质弹黃（14- 10)，所述圆柱构件（10)与U型水头控制管（10-2)相连接，轻质塑料片（14-8)、永久磁铁(14- 7)和电线圈（14-6)都在U型水头控制管（10-2)的滑槽（14-13)内运动;所述滑槽（14-13)嵌 于U型水头控制管（10-2)内壁，所述电线圈（14-6)按照边沿处S等分设置有滑轨（14-14)， 所述滑轨（14-14)可在滑槽（14-13)内自由上下运动;所述的高强度降雨稳定入渗模拟装置 (14)控制原状±样(12)表面水位高度高于IcmW上。8.基于上述任一权利要求所述的多状态原状±柱入渗模拟系统的非饱和渗透系数测 定方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤一、组装±柱实验标准构件 分别对±柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对±柱实验标准构 件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡髓(4-30)套在卡髓凹槽(4-3)上，并通过扳手 上紧套在螺丝杆件(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 后将多个±柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接； 步骤二、安装原状±样 选取预先准备好的原状±样（12)，将原状±样（12)竖立在地面上，将已经连接好的多 个±柱实验标准构件(4)套住原状±样(12)，将原状±样（12)与±柱实验标准构件(4)之间 的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下； 步骤=、组装±柱实验仪器设备 先将底座（1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体（1-21)套放在对应的承力柱支 座（1-22)上，将高进气值陶±板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶 ±板（1-3)上表面铺设有滤纸（1-4)，所述承力柱主体（1-21)、高进气值陶±板（1-3)、滤纸 (1-4)均位于管件（1-7)内部;在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将所述 塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3 )，其中所述塑料软管(2)上安装第=流量传感器 (3-1)，所述第=流量传感器(3-1)通过导线（9)接入计算机(7);将法兰(6)的法兰螺纹(6- 1)对准外螺纹连接段（1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件（1)上 方，然后将拼接组装而成的±柱实验标准构件(4)连同其套住的原状±样（12)通过±柱实 验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件（1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6- 1)进行组装，使拼接组装而成的±柱实验标准构件(4)连同其套住的原状±样（12)位于底 部构件（1)滤纸（1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件（10)进行连接； 步骤四、测定原状±样的初始状态 原状±样（12)的初始含水率：多个溫湿度传感器探头(4-5)分别对原状±样（12)的湿 度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过 串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状±样（12)的 湿度信号，并将各个测试点处原状±样（12)的湿度信号记录为各个测试点处原状±样（12) 的初始含水率0C; 原状±样（12)的初始溫度：多个溫湿度传感器探头(4-5)分别对原状±样（12)的溫度 进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串 口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状±样（12)的溫 度信号，并将各个测试点处原状±样（12)的溫度信号记录为各个测试点处原状±样（12)的 初始溫度Tc; 原状±样（12)的基质吸力：多个±壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状±样（12)的基 质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号 通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状±样 (12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状±样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点 处原状±样（12)的初始基质吸力Fac; 原状±样（12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状±样（12)的水头高度进行监 测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h。； 原状±样（12)的饱和含水率:将原状±样（12)的取样地点带回的其它±样进行饱和含 水率测定，作为原状±样（12)的饱和含水率;取±样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没 上样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将±样和盒放入烘箱内，进行烘 干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公J十算求 得原状±样(12)的饱和含水率0sat; 步骤五、模拟多种强度降雨入渗边界条件 根据测试要求，多种强度降雨入渗模拟装置(C)配合±柱实验标准构件(4)工作来模拟 =种强度降雨入渗边界条件，即低强度降雨全入渗边界条件、中强度降雨有径流入渗边界 条件、高强度降雨稳定入渗边界条件； 步骤六、模拟过程中的各参数监测 多个溫湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状±样（12)的湿度进行监测，并 将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传 输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状±样（12)的湿度信号，并将各个 测试点处原状±样（12)的湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的含水率01;多个±壤 热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状±样（12)的基质吸力进行监测，将监测到 的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传 输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状±样（12)的基质吸力信号，并将 各个测试点处原状±样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力 Fa;多个测压管(4-9)分别对原状±样（12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻 对应的水头高度hi; 上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：降雨入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒， 降雨入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，降雨入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒， 降雨入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，降雨入渗60分钟W后记录时间间隔为60秒， 直到实验达到稳定后2-4小时W上； 步骤屯、模拟过程中监测结果分析 对所记录的某一时刻的基质吸力Fa监测数据做插值处理，得到某一时刻原状±样（12) 所对应的基质吸力云图；同时对所记录的某一时刻原状±样（12)所对应的含水率01监测数 据做插值处理，得到某一时刻原状±样(12)对应的含水率云图； 依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋 的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连 线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律;根据含水率云图，依据含 水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率0sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述 完全饱和带定义是±柱上表面W下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完 全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率0sat等值线之间的区域被 定义为降雨入渗过渡带； 绘制基质吸力Fa和含水率01的关系图，从而分别得到各±层的的±-水特征曲线； 步骤八、降雨入渗系数计算 根据公式Qr = Qz-Qj，计算得到降雨入渗量Qr，单位为cm3;其中Qz为总降雨量，单位为cm3; Qj为降雨径流量，单位为cm3; 根据公式AS = Qr-Qc,计算得到降雨入渗的水分亏损量AS,单位为cm3;其中Qr为降雨入 渗量，单位为cm3; Qc为降雨出渗量，单位为cm3; 根据公式Vr = QrA计算得到降雨入渗率Vr，单位为cm^s;其中Qr为降雨入渗量，单位为 cm3; t为实验测试时间，单位为S; 根据公式Vc = QcA计算得到降雨出渗率Vc,单位为cm^s;其中Qc为降雨出渗量，单位为 cm3; t为实验测试时间，单位为S; 根据公式Q = QcA^z计算得到降雨入渗系数a,单位为无量纲;其中Qc为降雨出渗量，单位 为cm3; Qz为总降雨量，单位为cm3; 步骤九、非饱和渗透系数计算 基于±柱实验的降雨入渗，可W概化为一维垂向入渗，其数学模型如下幻） 将Darcy定t (2) 对于非饱巧 系，所W方程(2)可化为下式 獻 根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力（O-Ua)和基质吸力值 的变化将会引起体积含水率0W的变化，即 (4) 式中：〇--总H力;mi"一一与法向应力（O-Ua)变化有关的水的体积变化系数； <一一与基质吸力(Ua-Uw)变化有关的水的体积变化系数； 将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中±体单元上并没有外荷载作用，假 定在非饱和区气相连续不变，得巧) 其中：水特征曲线的斜率。 由（3)、巧)式可俱(6) 其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲;h为总水头高度，单位为(3111^为±柱测点高 度，单位为cm; T W为水的重度，单位为N/m3;喊为±-水特征曲线的斜率，单位为无量纲;t为 时间，单位为S ; 依据方程(6)求得任意时刻±柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分 布图。9.根据权利要求8所述的多状态原状±柱入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法， 其特征在于： 步骤五所述的模拟多种强度降雨入渗边界条件，其低强度降雨全入渗的具体模拟步骤 为： (1) 、向输水水桶（16-1)内加水（15)，此时使止水阀（16-5)处于关闭状态，然后打开止 水阀（16-5)，水（15)经输水管（16-12)从降雨喷头（16-9)流至圆柱构件（10)内的抗水压冲 击板(A)上，再到达原状±样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状±样（12) 不受降雨侵蚀的作用;位于U型水头控制管（10-2)内的轻质塑料片（16-8)与其上方的永久 磁铁（16-7)在水（15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件（10)内水位高度相同，当上部的 圆柱构件（10)内水位上升到高出原状±样（12)上表面Imm时，通过导线(9)给电线圈（16-6) 供电形成电磁铁，同时通过把手（16-4)带动转轮（16-2)转动，所述转轮（16-2)上缠有拉线 (16-3)，所述电线圈（16-6)随着拉线（16-3)在滑槽（16-13)内垂直运动，转动把手（16-4)调 整拉线（16-3)长度使止水阀（16-5)在轻质弹黃（16-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗 调，然后改变电线圈（16-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀 (16-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管（10-2)内的水位随着上部的圆柱构件（10)内 的水位下降时，所述轻质塑料片（16-8)和永久磁铁（16-7)也随之下降，永久磁铁（16-7)与 电线圈（16-6)之间的磁力减小，所述轻质弹黃（16-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于 轻质弹黃（16-10)上的止水阀（16-5)打开，水（15)继续经输水管（16-12)从降雨喷头（16-9) 流入圆柱构件（10)内进行补给；当补给的水位高度再次大于Imm时，止水阀（16-5)就会处于 关闭状态，当补给的水位高度再次小于Imm时，止水阀（16-5)打开继续补给，从而模拟出了 低强度降雨全入渗边界条件； (2) 、在模拟低强度降雨全入渗过程中，渗出原状±样（12)内的水从通水孔（1-5)内流 出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);在低强度降雨全入渗过程中，观测到输水 水桶（16-1)的补水间隔为2小时W上时，说明达到入渗稳定，关闭供水系统，停止实验;此 时，输水水桶（16-1)内水的损失量与圆柱构件（10)内未渗入的水量之差记录为总降雨量 Qz，在低强度降雨全入渗条件下，总降雨量Qz数值上等于入渗量Qr ;此时，查看出渗量巧慢量 杯(3)内渗出原状±样（12)水的量，并将该读数记录为低强度降雨全入渗条件下的出渗量 Qc; 步骤五所述的模拟多种强度降雨入渗边界条件，其中强度降雨有径流入渗的具体模拟 步骤为： (1) 、计算机(7)发出信号接通空气压缩机（17-4)的供电回路，然后驱动压力控制电磁 阀（17-5)打开，空气压缩机（17-4)启动，产生的压缩空气经过压力控制电磁阀（17-5)调节 压力后通过降雨容器内降雨压力控制管（17-8)进入降雨容器（17-9)内，将降雨容器（17-9) 内的水从圆形降雨孔（17-10)中喷出，之后到达圆柱构件（10)内的抗水压冲击板(A)上，再 到原状±样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状±样（12)不受降雨侵蚀的 作用，模拟出了中强度降雨有径流入渗边界条件；中强度降雨模拟过程中，压力传感器(17- 6)对经过降雨容器（17-9)内降雨压力控制管（17-8)的压缩空气压力进行实时监测并将监 测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的压力监测值与实验设定的压力阔值 进行比对，当压力监测值小于压力阔值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀（17-5)打开的开 度增大，当压力监测值大于压力阔值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀（17-5)打开的开度 减小，从而使经过降雨容器（17-9)内降雨压力控制管（17-8)的压缩空气压力维持在压力阔 值范围内；同时，所述水位传感器（17-11)对降雨容器（17-9)内的水位进行实时监测并将监 测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的水位监测值与实验设定的水位设定 值进行比对，当水位监测值小于水位设定值时，计算机(7)控制接通进水水累（17-1)的供电 回路，并驱动进水电磁阀（17-2)打开，外部水源流出的水通过进水管（17-7)流入降雨容器 (17-9)内，当水位监测值大于水位设定值时，计算机(7)控制断开进水水累（17-1)的供电回 路，并驱动进水电磁阀（17-2)关闭，停止往降雨容器（17-9)内注水，从而使降雨容器（17-9) 内水位维持稳定，保证了降雨过程的持续进行； (2) 、在模拟中强度降雨有径流入渗过程中，未渗入原状±样（12)内的水从出水口（10- 1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)，渗出原状±样（12)内的水从通水孔(1 - 5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);模拟中强度降雨过程中，径流量量 杯（13)对未渗入原状±样（12)内的水的量进行监测并记录，当相邻的两个采样时刻的未渗 入原状±样（12)内的水的量的差值小于等于Icm3时，说明达到了入渗稳定，关闭供水系统， 停止实验;此时，第一流量传感器（17-3)对降雨量进行实时监测并将监测到的信号实时输 出给计算机(7)并记录为总降雨量Qz;查看径流量测量量杯（13)内未渗入原状±样（12)内 的水的量，并将该读数记录为降雨径流量查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状±样（12) 的水的量，并将该读数记录为降雨出渗量Qc; 步骤五所述的模拟多种强度降雨入渗边界条件，其高强度降雨稳定入渗的具体模拟步 骤为： (1)、向输水水桶（14-1)内加水（15)，此时使止水阀（14-5)处于关闭状态，然后打开止 水阀（14-5)，所述水（15)经输水管（14-12)从降雨喷头（14-9)流至圆柱构件（10)内的抗水 压冲击板(A)上，再到达原状±样（12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状±样 (12)不受降雨侵蚀的作用;位于U型水头控制管（10-2)内的轻质塑料片（14-8)与其上方的 永久磁铁（14-7)在水（15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件（10)内水位高度相同，当上 部的圆柱构件（10)内水位上升到预设实验高度时，通过导线(9)给电线圈（14-6)供电形成 电磁铁，同时通过把手（14-4)带动转轮(14-2)转动，所述转轮(14-2)上缠有拉线（14-3)，所 述电线圈（14-6)随着拉线（14-3)在滑槽（14-13)内垂直运动，转动把手（14-4)调整拉线 (14-3)长度使止水阀（14-5)在轻质弹黃（14-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然 后改变电线圈（14-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀（14- 5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管（10-2)内的水位随着上部的圆柱构件（10)内的水 位下降时，所述轻质塑料片（14-8)和永久磁铁（14-7)也随之下降，永久磁铁（14-7)与电线 圈（14-6)之间的磁力减小，所述轻质弹黃(14-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质 弹黃(14-10)上的止水阀（14-5)打开，水(15)继续经输水管（14-12)从降雨喷头（14-9)流入 圆柱构件（10)内进行补给；当补给的水位高度再次大于预设实验高度时，止水阀（14-5)就 会处于关闭状态，当补给的水位高度再次小于预设实验高度时，止水阀（14-5)打开继续补 给，模拟出了高强度降雨稳定入渗边界条件； (2)、在模拟高强度降雨稳定入渗过程中，渗出原状±样（12)内的水从通水孔（1-5)内 流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3);在高强度降雨稳定入渗过程中，观测到 输水水桶（14-1)的补水间隔为2小时W上时，说明达到入渗稳定，关闭供水系统，停止实验； 此时，输水水桶（14-1)内水（15)的损失量记录为总降雨量Qz，同时，将输水水桶（14-1)内水 (15)的损失量与圆柱构件（10)内未渗入的水的量之差记录为降雨入渗量Qr，查看出渗量测 量量杯(3)内渗出原状±样(12)的水的量，并将该读数记录为降雨出渗量Q。。
【文档编号】G01D21/02GK105911257SQ201610479162
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月25日
【发明人】王双明, 王生全, 毛正君
【申请人】西安科技大学