土石二元介质土柱的采集及水文参数测定的系统的制作方法

本实用新型涉及一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定的装置，属于土柱试验技术领域。

背景技术：

原状土柱是指未受外力破坏自身自然结构的非扰动土柱，在采样过程中土柱不产生扭转、压实等变形。原状土柱采集是地质学、土壤学、农学、林学等多个学科的重要采样方法之一，是测定容重等土壤物理性质、进行水盐渗透与穿透试验的重要前提。

太行山区是我国华北平原的重要水源地之一，山坡广泛分布土石二元混合介质。碎石极大的改变了土壤的基本物理性质与结构，导致土石山区土壤的水分特征参数与下渗、产汇流过程均异于均质土壤。对富含碎石的原状土柱的研究有利于更好的了解土石二元混合介质结构特点与土壤水分-溶质迁移规律。

目前，原状土柱的采集主要有土钻取土和环刀取土两种取样方式。这两种方式的取样原理均是对钻筒或环刀施加外力，使容器完全嵌入土壤后，将容器整体取出并修整。这两种方式的缺点是：仅适用于均质土壤样本的采集，若土壤中存在较粗根系或碎石，钻筒或土钻对阻碍物的施压过程极易破坏土柱的自然原始结构，且会大大增加人力劳动强度；另外，它们仅适用于直径与高度较小的原状土柱的采集，这为后续试验设计与操作添加了局限性；在进行原状土柱渗透试验的过程中，为得到土柱各层的水分、盐分监测数据，往往需要在土柱中钻孔以埋设水盐传感器，这会极大地破坏了土柱的原状结构。

技术实现要素：

针对上述现有方法的缺陷或不足，本实用新型公开的一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定的系统与方法要解决的技术问题是：实现对土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定，且具有如下优点：(1)对原状土柱的扰动较小，能够很好的保证原状土柱结构、物理性质、化学性质的完整性与稳定性，有效克服传统外力嵌入式取土方式因较多碎石而无法顺利、准确采集原状土柱的障碍；(2)尺寸设置灵活，操作便捷、省力，通过采样器周围的注射孔将填缝剂注入以填充缝隙，能够满足大尺寸原始土柱的采集要求；(3)借助注射孔能够满足较多传感器的提前埋设，减少土柱二次开发造成的破坏，提高土柱试验监测的准确性。所取的含碎石原状土柱更接近原始状态，为后续土石二元介质的研究提供更为科学准确的试验样品。

为达到以上目的，本实用新型的技术方案为：

一种土石二元介质土柱的采集及存储装置，即为原状土柱采集器1；

所述原状土柱采集器1包括：圆柱、将周身带有孔洞的中空圆柱体置于圆柱中，需保证带有孔洞的中空圆柱体与圆柱的侧壁保持距离；圆柱的圆周上设置有注射孔与传感探头安装孔、密封塞、圆形密封盖和固定螺丝；所述注射孔与传感探头安装孔均配有密封塞；所述密封在安装孔上的密封塞中心处开有通孔，用于穿过传感探头与导线；土柱放置在圆柱内，圆柱两端与圆形密封盖通过固定螺丝连接，用于土柱的存储与运输；

所述圆柱与圆形密封盖的材料均为有机玻璃；

一种土石二元介质土柱的水文参数测定装置，包括原状土柱采集器、供水装置、水样收集装置与传感器测定装置。所述原状土柱采集器与供水装置、水样收集装置通过螺丝连接用于土柱试验以测定其水文参数。

所述供水装置包括填装玻璃砂的滤水器，滤水器下底开设有圆形透水孔，所述滤水器与原状土柱采集器固定连接，以减少水流对土壤层的冲刷；所述滤水器上方架设降雨器、所述降雨器通过导管与马氏瓶连接；管路上设置有加压泵以及第一止水夹；马氏瓶通过导管与漏斗连接；导管上设置有第二止水夹和第三止水夹，用于进水与出水；

进一步的，所述马氏瓶的供水装置包括：封闭的圆筒形有机玻璃的瓶体，所述的瓶体下侧设置供水口，瓶体顶部设置插入瓶内水中并带有调节阀的导气管，和用于注水的导水管，所述的导水管上设有开关阀，所述瓶体上设有校准瓶体水平的水准泡。

所述水样收集装置包括漏斗，所述漏斗上方接有带圆形透水孔的圆形有机玻璃板，有机玻璃板四周带有用于与圆柱连接至一起的螺孔，漏斗下方配有取样烧杯，漏斗设置有活塞用以控制出水。

所述传感器测定装置包括提前埋设进土柱的传感探头，传感探头根据试验需求选择压力、水分、盐分监测探头；所述传感探头通过带孔密封塞固定在上述原状土柱采集器的传感探头安装孔中，并与外部数据接收器连接。

本实用新型开公一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数的测定方法，用于所述的一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定的系统，包括以下步骤：

步骤一：选取采样点。选取具有代表性的相对平坦的山坡作为取样点，清理地表腐殖质层，并对取样区域进行平整处理。

步骤二：制作裸土柱。制作直径略小于周身带有孔洞的中空圆柱体直径的、高度与原状土柱采集器一致的裸土柱。首先，在地表划取待取土柱范围，其直径与周身带有孔洞的中空圆柱体直径一致。在待取土柱范围外的区域将周围土体正常挖出，保留中央土柱，挖至要求深度后，用小铲和剪刀小心修整中央土柱至直径略小于周身带有孔洞的中空圆柱体，使周身带有孔洞的中空圆柱体能够轻松套入裸土柱。

步骤三：放置原状土柱采集器。将直径略大于裸土柱的周身带有孔洞的中空圆柱体小心地垂直套入已修整的裸土柱，套入过程避免周身带有孔洞的中空圆柱体碰触裸土柱，然后将原状土柱采集器的圆柱套入上述中空圆柱体。

步骤四：安装传感探头。先将传感探头穿过钻孔的密封塞，传感探头与密封塞之间的孔隙用玻璃胶密封，然后将上述配有传感探头的密封塞从传感探头安装孔小心插入土体中，密封塞将传感探头安装孔封闭，从而实现密封，也为后期的数据采集做好准备；

步骤五：填缝。将聚氨酯高发泡性防水填缝剂从原状土柱采集器周围的注射孔注入裸土柱与圆柱之间的缝隙，填缝剂通过周身带有孔洞的中空圆柱体后将裸土柱侧面完整包裹，填缝剂在填入缝隙后通过自身膨胀将土柱内的缝隙填充。填缝完毕后，用密封塞封住所有的注射孔，静置至填缝剂固化，并用保鲜膜与防水袋包裹原状土柱采集器。

步骤六：土柱的分离与密封。固化结束后去除多余的泡沫，修平土柱顶面后，用固定螺丝将圆形密封盖安装在圆柱顶部。然后，沿原状土柱采集器下沿将土柱锯断，修平底面再用固定螺丝将圆形密封盖安装在圆柱底部。

步骤七：土石二元介质原状土柱水文参数的测定。

1、土石二元介质土柱的水文参数测定装置的组装。

将上述安装在原状土柱采集器传感探头通过导线与外部数据接收器连接。将原状土柱采集器中的上下圆形密封盖拆下，然后用固定螺丝将水样收集装置通过圆形有机玻璃板上预留的螺孔与圆柱底部连接，用固定螺丝将供水装置通过滤水器上预留的螺孔与圆柱顶部连接。在圆柱与水样收集装置、供水装置连接时，在其连接处放置滤纸与尼龙网。

2、孔隙度、给水度、持水度及剖面水分含量分布曲线的测定。

漏斗通过导管与马氏瓶联通；需保证马氏瓶中的水面应高于土柱上表面。关闭活塞与第一止水夹，打开第二止水夹与第三止水夹，使马氏瓶中的水通过导管与漏斗从底部向原状土柱供水，使其从下部逐渐饱和，待土柱上表面出现水膜后立即停止进水，此时进水体积为Vin，即饱和原状土柱需水体积；充分饱水后，关闭第一止水夹、第二止水夹与第三止水夹，打开活塞，使土柱充分重力释水，用取样烧杯收集土柱排出的水，并记录饱和土柱充分释水体积为Vout；土柱充分释水后，用传感器测定装置读取各层土壤水分含量。

土柱平均孔隙度的计算公式如下：

n＝Vin/V；

V＝πr²H；

其中，n为土柱平均孔隙度；Vin为饱和原状土柱需水体积；V为土柱实际体积；r为土柱实际半径；H为土柱高度。

土柱给水度、持水度的计算公式如下：

μ＝Vout/V；

Sr＝(v-Vout)/V；

其中，μ为土柱给水度；Vout为饱和土柱充分释水体积；Sr为土柱持水度。

量取各传感探头与圆柱顶面的距离，作为纵坐标，以各传感探头通过外部数据接收器得到的土壤水分数据作为横坐标绘制图形，便可得到原状土柱剖面水分含量分布曲线。

3、土柱饱水渗透系数的测定。

漏斗通过导管与马氏瓶联通；需保证马氏瓶中的水面应高于土柱上表面。关闭活塞与第一止水夹，打开第二止水夹与第三止水夹，使马氏瓶中的水通过导管与漏斗从底部向原状土柱供水，使其从下部逐渐饱和，待土柱上表面出现水膜后立即停止进水。

关闭第二止水夹、第三止水夹，打开第一止水夹与活塞，此时马氏瓶中的水通过加压泵经过降雨器与滤水器向土柱供水。待到外部数据接收器中的数值稳定，然后记录各传感探头安装口处的压力水头及距离圆柱顶面的距离，由此计算得到各相邻传感探头之间的水头压力差△h与间距△l，同时测定出水管的出水流量。然后，重新调节马氏瓶水位高度，并重复上述步骤进行多次试验。

利用达西定律计算土柱饱水渗透系数的公式如下，以第一次试验所得数据为例：

Δh1，i＝h1，i-h1，i+1

ΔL1，i＝L1，i-L1，i+1

I1，i＝Δh1，i/ΔL1，i

K1，i＝Q/(AI1，i)

其中，h1,i为第一次试验中第i个传感探头处的压力水头，L1,i为第一次试验中第i个传感探头处距圆柱101顶面的距离，△h1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的压力水头差，△L1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的距离差，I1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的水力梯度，K1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的饱水渗透系数，m为安装在土柱中的传感探头总数量，Q为土柱下方的渗水流量，A为土柱横断面积，K1为第一次试验所测得的原状土柱饱水渗透系数。

调整进水水位高度，进行n次重复试验求平均进而求得原状土柱饱水渗透系数。

有益效果：

1、本实用新型公开的一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定的系统与方法，在取样点提前挖制裸土柱，然后以无压方式套入土柱采样器，能够在采集过程中有效避免因碰到碎石而对土柱原始结构造成的破坏；在土柱采样器周围设置注射孔，不仅可以通过注射孔在土柱中提前埋设传感装置以减少二次制作对土柱结构的扰动，而且可以将聚氨酯高发泡性防水填缝剂从注射孔注入土柱以充分填充裸土柱与采样器壁之间的孔隙，避免因土柱与容器壁贴合不紧密产生非原生大孔隙流而影响试验结果的科学性、准确性。进而具有如下优点：该方法对原状土柱的扰动较小，能够很好的保证原状土柱结构、物理性质、化学性质的完整性与稳定性，有效克服传统外力嵌入式取土方式因较多碎石而无法顺利、准确采集原状土柱的障碍。

2、本实用新型公开的一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定的系统与方法，尺寸设置灵活，操作便捷、省力，(方案与原因对应关系)，通过采样器周围的注射孔将填缝剂注入以填充缝隙，能够满足大尺寸原始土柱的采集要求。

附图说明

图1是原状土柱采集器的结构示意图；

图2是原状土柱采集器的俯视图；

图3是土石二元介质土柱的水文参数测定装置的结构示意图；

图4是供水装置2中填装玻璃砂的滤水器的主视图与俯视图；

图5是水样收集装置3中漏斗与圆形有机玻璃板组合的主视图与俯视图。

其中：1—原状土柱采集器、101—圆柱，102—注射孔、103—传感探头安装孔、104—密封塞、105—圆形密封盖、106—固定螺丝、107-周身带孔洞的中空圆柱体、2—供水装置、201—滤水器、202—降雨器、203—加压泵、204—马氏瓶、205—圆形透水孔、206-1—第一止水夹、206-2—第二止水夹、206-3—第三止水夹、207—导管、3—水样收集装置、301—漏斗、302—圆形有机玻璃板、303—取样烧杯、304—漏斗活塞、4—传感器测定装置、401—传感探头、402—外部数据接收器。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型进行进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

实施例1

一种土石二元介质土柱的采集及存储装置，即为原状土柱采集器1；

所述原状土柱采集器1包括：圆柱101、将周身带有孔洞的中空圆柱体107置于圆柱101中，需保证周身带有孔洞的中空圆柱体107与圆柱101的侧壁保持距离；圆柱101的圆周上设置有注射孔102与传感探头安装孔103、密封塞104、圆形密封盖105和固定螺丝106；所述注射孔102与传感探头安装孔103均配有密封塞104；所述密封在安装孔上的密封塞104中心处开有通孔，用于穿过传感探头与导线；土柱放置在圆柱101内，圆柱101两端与圆形密封盖105通过固定螺丝106连接，用于土柱的存储与运输；

所述圆柱101与圆形密封盖104的材料均为有机玻璃；

一种土石二元介质土柱的水文参数测定装置，包括原状土柱采集器1、供水装置2、水样收集装置3与传感器测定装置4。所述原状土柱采集器1与供水装置2、水样收集装置3通过螺丝连接用于土柱试验以测定其水文参数。

所述供水装置2包括填装玻璃砂的滤水器201，滤水器201下底开设有圆形透水孔205，所述滤水器201与原状土柱采集器1固定连接，以减少水流对土壤层的冲刷；所述滤水器201上方架设降雨器202、所述降雨器202通过导管207与马氏瓶204连接；管路上设置有加压泵203以及第一止水夹206-1；马氏瓶204通过导管207与漏斗301连接；导管207上设置有第二止水夹206-2和第三止水夹206-3，用于进水与出水；

进一步的，所述马氏瓶的供水装置包括：封闭的圆筒形有机玻璃的瓶体，所述的瓶体下侧设置供水口，瓶体顶部设置插入瓶内水中并带有调节阀的导气管，和用于注水的导水管，所述的导水管上设有开关阀，所述瓶体上设有校准瓶体水平的水准泡。

所述水样收集装置3包括漏斗301，所述漏斗上方接有带圆形透水孔的圆形有机玻璃板302，有机玻璃板四周带有用于与圆柱101连接至一起的螺孔，漏斗下方配有取样烧杯303，漏斗设置有活塞304用以控制出水。

所述传感器测定装置4包括提前埋设进土柱的传感探头401，传感探头401根据试验需求选择压力、水分、盐分监测探头；所述传感探头401通过带孔密封塞104固定在上述原状土柱采集器1的传感探头安装孔103中，并与外部数据接收器402连接。

本实用新型开公一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数的测定方法，用于所述的的一种土石二元介质土柱的采集及其水文参数测定的系统，包括以下步骤：

步骤一：选取采样点。选取具有代表性的相对平坦的山坡作为取样点，清理地表腐殖质层，并对取样区域进行平整处理。

步骤二：制作裸土柱。制作直径略小于周身带有孔洞的中空圆柱体107直径1～2cm、高度与原状土柱采集器1一致的裸土柱。首先，在地表划取待取土柱范围，其直径与周身带有孔洞的中空圆柱体107直径一致。在待取土柱范围3cm外的区域将周围土体正常挖出，保留中央土柱，挖至要求深度后，用小铲和剪刀小心修整中央土柱至直径略小于周身带有孔洞的中空圆柱体107直径1～2cm，使周身带有孔洞的中空圆柱体107能够轻松套入裸土柱。

步骤三：放置原状土柱采集器1。将直径略大于裸土柱的周身带有孔洞的中空圆柱体107小心地垂直套入已修整的裸土柱，套入过程避免周身带有孔洞的中空圆柱体107碰触裸土柱，然后将原状土柱采集器1的圆柱101套入上述周身带有孔洞的中空圆柱体107。

步骤四：安装传感探头401。先将压力水头、土壤水分集合传感探头401穿过钻孔的密封塞104，传感探头401与密封塞104之间的孔隙用玻璃胶密封，然后将上述配有传感探头401的密封塞104从传感探头安装孔103小心插入土体中，密封塞104将传感探头安装孔103封闭，从而实现密封，也为后期的数据采集做好准备。

步骤五：填缝。将聚氨酯高发泡性防水填缝剂从原状土柱采集器1周围的注射孔102注入裸土柱与圆柱101之间的缝隙，填缝剂通过周身带有孔洞的中空圆柱体107后将裸土柱侧面完整包裹，填缝剂在填入缝隙后通过自身膨胀将土柱内的缝隙填充。填缝完毕后，用密封塞104封住所有的注射孔102，静置24h至填缝剂固化，并用保鲜膜与防水袋包裹原状土柱采集器1。

步骤六：土柱的分离与密封。固化结束后去除多余的泡沫，修平土柱顶面后，用固定螺丝106将圆形密封盖105安装在圆柱101顶部。然后，沿原状土柱采集器1下沿将土柱锯断，修平底面再用固定螺丝106将圆形密封盖105安装在圆柱101底部。

步骤七：土石二元介质原状土柱水文参数的测定。

1、土石二元介质土柱的水文参数测定装置的组装。

2、将上述安装在原状土柱采集器1传感探头401通过导线与外部数据接收器402连接。将原状土柱采集器1中的上下圆形密封盖105拆下，然后用固定螺丝将水样收集装置3通过圆形有机玻璃板302上预留的螺孔与圆柱101底部连接，用固定螺丝将供水装置2通过滤水器201上预留的螺孔与圆柱101顶部连接。在圆柱101与水样收集装置3、供水装置2连接时，在其连接处放置直径与土柱直径相同的滤纸与尼龙网。

3、孔隙度、给水度、持水度及剖面水分含量分布曲线的测定。

漏斗301通过导管207与马氏瓶204联通；需保证马氏瓶204中的水面应高于土柱上表面。关闭活塞304与第一止水夹206-1，打开第二止水夹206-2与第三止水夹206-3，使马氏瓶中的水通过导管207与漏斗301从底部向原状土柱供水，使其从下部逐渐饱和，待土柱上表面出现水膜后立即停止进水，此时进水体积为Vin，即饱和原状土柱需水体积；充分饱水后，关闭第一止水夹206-1、第二止水夹206-2与第三止水夹206-3，打开活塞301，使土柱充分重力释水，用取样烧杯303收集土柱排出的水，并记录饱和土柱充分释水体积为Vout；土柱充分释水后，用传感器测定装置4读取各层土壤水分含量。

土柱平均孔隙度的计算公式如下：

n＝Vin/V;

V＝πr²H；

其中，n为土柱平均孔隙度；Vin为饱和原状土柱需水体积；V为土柱实际体积；r为土柱实际半径；H为土柱高度。

土柱给水度、持水度的计算公式如下：

μ＝Vout/V；

Sr＝(V-Vout)/V；

其中，μ为土柱给水度；Vout为饱和土柱充分释水体积；Sr为土柱持水度。

量取各传感探头401与圆柱101顶面的距离，作为纵坐标，以各传感探头401通过外部数据接收器402得到的土壤水分数据作为横坐标绘制图形，便可得到原状土柱剖面水分含量分布曲线。

4、土柱饱水渗透系数的测定。

漏斗301通过导管207与马氏瓶204联通；需保证马氏瓶204中的水面应高于土柱上表面。关闭活塞304与第一止水夹206-1，打开第二止水夹206-2与第三止水夹206-3，使马氏瓶中的水通过导管207与漏斗301从底部向原状土柱供水，使其从下部逐渐饱和，待土柱上表面出现水膜后立即停止进水。

关闭第二止水夹206-2和第三止水夹206-3，打开第一止水夹206-1与活塞304，此时马氏瓶中的水通过加压泵203经过降雨器202与滤水器201向土柱供水。待到外部数据接收器402中的数值稳定，然后记录各传感探头安装口处的压力水头及距离圆柱101顶面的距离，由此计算得到各相邻传感探头之间的水头压力差△h与间距△l，同时测定出水管的出水流量。然后，重新调节马氏瓶水位高度，并重复上述步骤进行多次试验。

利用达西定律计算土柱饱水渗透系数的公式如下，以第一次试验所得数据为例：

Δh1，i＝h1，i-h1，i+1

ΔL1，i＝L1，i-L1，i+1

I1，i＝Δh1，i/ΔL，i

K1，i＝Q/(AI1，i)

其中，h1,i为第一次试验中第i个传感探头处的压力水头，L1,i为第一次试验中第i个传感探头处距圆柱101顶面的距离，△h1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的压力水头差，△L1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的距离差，I1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的水力梯度，K1,i为第一次试验中第i个与第i+1个传感探头间的饱水渗透系数，m为安装在土柱中的传感探头总数量，Q为土柱下方的渗水流量，A为土柱横断面积，K1为第一次试验所测得的原状土柱饱水渗透系数。

调整进水水位高度，进行n次重复试验求平均进而求得原状土柱饱水渗透系数。

以上所述的具体描述，对实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。