CN103344538B - 一种非饱和土多功能渗透仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和土多功能渗透仪及其测试方法，其渗透仪包括支架一、支架二、固定在支架一上且安装位置能进行上下调整的补水装置和固定在支架二上且安装位置能进行上下调整的土样渗透装置；所述补水装置和土样渗透装置能组合成地下水位抬升模拟装置、漫灌模拟装置或降雨模拟装置；其测试方法包括以下步骤：一、地下水位抬升、漫灌及降雨模拟试验：采用地下水位抬升模拟装置、漫灌模拟装置和降雨模拟装置分别对同一种被测试土样进行地下水位抬升、漫灌与降雨模拟试验；二、试验数据整理，获得被测试土样的渗透特性测试结果。本发明设计合理、投入成本较低、操作简易且实现方便、使用效果好，能简便、快速完成非饱和土的渗透特性测试过程。

Description

一种非饱和土多功能渗透仪及其测试方法

技术领域

本发明属于非饱和土渗透特性测试技术领域，尤其是涉及一种非饱和土多功能渗透仪及其测试方法。

背景技术

一般认为土壤由固相（土壤颗粒）、液相（土壤水）和气相（土壤所含气体）三相构成，在土壤颗粒空隙完全由液相填充，即水占土壤空隙的比例为百分之百时该土壤称之为饱和土。反之，土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度小于100时但大于0时，该土壤为非饱和土，黄土是非饱和土。水与黄土相互作用机理的揭示，是解决水作用下黄土滑坡减灾问题的核心点，而非饱和土的复杂性和多变性决定了其渗流特性明显不同于饱和土，无法根据土壤的基本性质从理论上分析得出，并且试验难度也较大。目前，室内对于人类水事活动引起水文地质条件的变化对非饱和土渗流特性的模拟多局限于饱和土和重塑土，因而很大程度上制约了非饱和土力学的发展。

目前，用于土样渗透特征研究应用较广泛的为常水头渗流仪和变水头渗透仪，渗透仪是研究土与水相互作用过程中水分迁移转化规律的重要手段，是测定渗透系数等参数的重要方法。其中，常水头渗透仪是土样渗透特征最主要也最广泛的实验仪器；而达西渗透仪的实验对象大多为饱和砂土渗透系数的测定且给定条件比较单一和固定，测定的渗透参数只能代表长期渗透过程即稳态条件下开始的渗透性特点,并不能反映全部的渗透性变化过程，但对非饱和土的水入渗途径、入渗过程、入渗规律的研究基本不可能实现。现如今，对于非饱和土的渗流特性研究较为偏重于数值方法，且出现了很多重复的研究，然而对水在非饱和土体中的作用过程、作用方式的研究较少，且尚无统一的对非饱和土渗流参数进行测试的测试方法及其相应的测试装置，实验室多采用一维土柱和渗流槽进行测试，不仅使用操作不便，并且试样多采用重塑试样，无法进行原状土的渗流试验。同时，一经扰动土样的结构便被破坏，相应引起渗透性及强度等性质的变化，不能真实反映原状土的真实状况。因此，传统的渗流试验装置不能准确反映原状土的相关性质，也不能准确测定出原状土渗透系数等参数。总之，目前所采用的渗透特性测试方法及其相应的测试装置，均不同程度的地存在测试标准不统一、结合实际较差、操作不便、测试结果不可靠、自动化程度不高等多种缺陷和不足。

另外，现如今对于非饱和土渗流的研究偏重于原位试验、数值模拟和室内试验三个方面。其中，原位试验因测试精度不高、测试不便、花费高昂等特点，较少采用；通过数值模拟获得非饱和土渗透特性的经验公式，虽然具有很多优点，但其主要缺陷是物理意义不够明确，且得到的非饱和土渗透参数的精度对所用经验公式的依赖性很大，由不同经验公式得到的相同条件下土体的渗透参数差别也很大，应用起来有一定的难度；而室内对于非饱和土渗流特性的模拟多局限于饱和土和重塑土，且仪器操作复杂，精度低，且测试参数单一。因而，水在非饱和土体中的作用过程、作用方式的研究较少，并且测试结果均为稳态条件下的渗流曲线。

现如今在边坡稳定机制研究中，众多学者更着重对水的入渗方式和入渗机制进行研究，然而由于非饱和土的渗流理论尚不完善，水作用诱发下的边坡失稳机理较为复杂，不同条件下垫面、降雨历时、降雨强度以及作用方式等都会造成边坡变形破坏特征的差异，因此水作用下边坡失稳体系庞大且复杂，然而目前非饱和原状土渗透特征研究的实验仪器几乎为零，对于水入渗特征及机理研究也仅限于计算机模拟或单项指标（如渗透系数）的研究，因此，针对水文地质条件变化的多元化，结合非饱和土的渗透特性，急需一套设计合理、操作简易且实现方便、使用效果好的非饱和土多功能渗透仪及相应的测试方法，以填补原状土渗透规律研究的空白，同时还能为今后更多的水入渗模式及作用特征奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、加工制作及安装布设方便且使用操作简便、使用效果好、功能全面的非饱和土多功能渗透仪。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非饱和土多功能渗透仪，其特征在于：包括支架一、支架二、固定在支架一上且安装位置能进行上下调整的补水装置和固定在支架二上且安装位置能进行上下调整的土样渗透装置；所述补水装置为马氏瓶，所述马氏瓶包括上下部均密封的补水瓶和由上至下竖向插入补水瓶内的导管，所述补水瓶的上部侧壁上开有进水口一，所述补水瓶的底部侧壁上开有排气口和供水口；所述导管的底端高度低于补水瓶内的水位；所述土样渗透装置包括土壤取样器和同轴安装在所述土壤取样器底部的漏斗，所述土壤取样器包括内部装有被测试土样且上下均开口的透明筒体，所述透明筒体呈竖直向布设且其底部装有水平支撑网；当所述导管的底端高度低于所述被测试土样的顶端高度且不低于所述被测试土样的底端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成地下水位抬升模拟装置，所述地下水位抬升模拟装置中补水瓶的供水口通过供水管一与所述漏斗底部的漏斗口相接；所述进水口一、所述排气口和所述供水口上均安装有水路控制阀；当所述导管的底端高度高于所述被测试土样的顶端高度且所述供水口的高度低于透明筒体的顶端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成漫灌模拟装置，所述漫灌模拟装置中补水瓶的侧壁上部开有进水口二，所述漫灌模拟装置中补水瓶的供水口通过供水管二与所述进水口二相接，所述漫灌模拟装置中所述被测试土样的顶端高度低于所述进水口二的高度；当所述供水口的高度高于透明筒体的顶端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成降雨模拟装置，所述降雨模拟装置中透明筒体的正上方设置有喷头，所述降雨模拟装置中补水瓶的供水口通过供水管三与喷头的进水口相接，所述降雨模拟装置中所述供水口的高度高于喷头的进水口高度，所述供水管三上安装有对其内部水流量进行实时检测的流量检测单元；所述漫灌模拟装置和所述降雨模拟装置中所述漏斗下方均设置有一个富集装置。

上述一种非饱和土多功能渗透仪，其特征是：还包括数据处理器，所述流量检测单元与数据处理器相接；所述进水口一、所述排气口和所述供水口上所安装的水路控制阀均为由数据处理器进行控制的电动控制阀。

上述一种非饱和土多功能渗透仪，其特征是：所述地下水位抬升模拟装置中所述供水口的高度低于所述漏斗底部的漏斗口高度，所述供水管一呈水平向布设；所述漫灌模拟装置中所述供水口的高度与所述进水口二的高度相同，且所述供水管二呈水平向布设。

上述一种非饱和土多功能渗透仪，其特征是：所述水平支撑网上装有透水板，所述透水板上平铺有一层纱布。

上述一种非饱和土多功能渗透仪，其特征是：所述降雨模拟装置中透明筒体的侧壁上开有径流口，所述径流口的底部与所述被测试土样的顶端相平齐，所述径流口通过连接管道与径流收集装置相接。

上述一种非饱和土多功能渗透仪，其特征是：所述导管为玻璃管，所述补水瓶为有机玻璃瓶，所述透明筒体为有机玻璃筒。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、投入成本较低且模拟试验效果好、能对非饱和土的渗透特性进行快速准确测试的非饱和土渗透特性测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、地下水位抬升、漫灌及降雨模拟试验：采用所述地下水位抬升模拟装置、所述漫灌模拟装置和所述降雨模拟装置分别对同一种被测试土样进行地下水位抬升、漫灌与降雨模拟试验；

其中，采用所述地下水位抬升模拟装置对被测试土样进行地下水位抬升模拟试验时，过程如下：

步骤1011、土样更换及水头差调整：对所述地下水位抬升模拟装置中的透明筒体进行更换，更换后的透明筒体内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整透明筒体内所述导管的底端高度，对地下水位抬升模拟试验过程中的水头差进行调整；其中，所述水头差为所述导管底端与所述被测试土样底端的竖向间距；

步骤1012、地下水位抬升模拟试验：打开所述供水口对被测试土样进行常水头地下水位抬升模拟试验或无水头地下水位抬升模拟试验，本步骤中打开所述供水口后被测试土样的渗流过程开始；其中，进行常水头地下水位抬升模拟试验时，所述导管的底端高度高于所述被测试土样底端高度，且试验过程中步骤1011中所述水头差保持不变；进行无水头地下水位抬升模拟试验时，所述导管的底端高度始终与所述被测试土样底端高度相平齐，此时步骤1011中所述水头差为零；

步骤1012中进行进行常水头地下水位抬升模拟试验或无水头地下水位抬升模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1011中所述水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；其中，被测试土样的渗流锋面为所述被测试土样内水分的入渗锋面；

步骤1013、多次重复步骤1011至步骤1012，获得多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；

采用所述漫灌模拟装置对被测试土样进行漫灌模拟试验时，过程如下：

步骤1021、土样更换及水头差调整：对所述漫灌模拟装置中的透明筒体进行更换，更换后的透明筒体内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整透明筒体内所述导管的底端高度，对漫灌模拟试验过程中的水头差进行调整；其中，所述水头差为所述导管底端与所述被测试土样顶端的竖向间距；

步骤1022、漫灌模拟试验：打开所述供水口对被测试土样进行常水头漫灌模拟试验，试验过程中步骤1021中所述水头差保持不变；本步骤中，打开所述供水口后被测试土样的渗流过程开始；

步骤1022中进行漫灌模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1021中所述水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；同时，漫灌模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，待富集开始后被测试土样的渗流时间过程结束，之后进入富集过程；待富集开始后，每隔时间t对富集装置内的水量进行记录，获得步骤1021中所述水头差条件下富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1023、多次重复步骤1021至步骤1022，获得多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；

采用所述降雨模拟装置对被测试土样进行降雨模拟试验时，过程如下：

步骤1031、土样更换及供水流量调整：对所述降雨模拟装置中的透明筒体进行更换，更换后的透明筒体内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整所述供水口上所装水路控制阀的开度对所述供水管三的供水流量进行调整；

步骤1032、降雨模拟试验：打开所述供水口对被测试土样进行降雨模拟试验，试验过程中所述导管底端与所述被测试土样顶端的竖向间距保持不变；本步骤中，打开所述供水口后被测试土样的渗流过程开始；

步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；同时，降雨模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，待富集开始后被测试土样的渗流时间过程结束，之后进入富集过程；待富集开始后，每隔时间t对富集装置内的水量进行记录，获得调整后的供水流量所对应降雨强度下富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1033、多次重复步骤1031至步骤1032，获得多种不同降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1012、步骤1022和步骤1032中，t=5min～25min；

步骤二、试验数据整理：对步骤1013中所获得的地下水位模拟试验结果、步骤1023中所获得的漫灌模拟试验结果和步骤1033中所获得的降雨模拟试验结果分别进行整理，且所述地下水位模拟试验结果、漫灌模拟试验结果和降雨模拟试验结果组成被测试土样的渗透特性测试结果。

上述方法，其特征是：步骤二中对所述地下水位模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器绘制出多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；对所述漫灌模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器绘制出多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；对所述降雨模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器绘制出多种不同降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；同时，采用与数据处理器相接的显示单元对所述地下水位模拟试验结果、漫灌模拟试验结果和降雨模拟试验结果进行同步显示。

上述方法，其特征是：所述降雨模拟装置中透明筒体的侧壁上开有径流口，所述径流口的底部与所述被测试土样的顶端相平齐，所述径流口通过连接管道与径流收集装置相接；步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，对水开始在所述被测试土样的上表面上进行径流的时间进行记录且该时刻为径流开始时刻，待径流开始后，每隔时间t对径流收集装置内的水量进行记录，获得步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下径流量随径流时间变化的曲线；其中，t=5min～25min。

上述方法，其特征是：步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，还需对步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下所述被测试土样在各供水时刻的水分吸附量进行计算；

其中，对所述被测试土样在任一供水时刻的水分吸附量进行计算时，根据公式Q5=Q1-Q2-Q3-Q4进行计算，式中Q1为供水量且Q1=c1×Δt，式中c1为流量检测单元测试得出的水流量，Δt为截止当前所计算时刻的供水时间；Q2为蒸发量且Q2=c2×Δt，c2为预先设定的蒸发率；Q3为当前所计算时刻富集装置内的水量；Q4为当前所计算时刻径流收集装置内的水量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、仪器结构简单、轻便、加工制作及安装方便且投入成本低，使用操作简便，使用效果好。

2、采用试样为原状非饱和土样，贴近实际，操作方便且测试结果可靠、自动化程度高。

3、三种试验模式组合可实现三种渗流试验，同时可测定渗透系数。其中，渗透系数=渗透锋面距渗透表面的深度÷渗透时间。

4、功能完善，能模拟多种水作用方式下土样的渗透特征及渗透规律，直观再现水入渗过程。在降雨渗透试验中，通过流量检测单元检测水流量大小，提供多种降雨强度条件。采用土壤取样器与渗透容器一体化概念，将土壤取样的透明筒体取回的试样直接用于试验中，有效防止了水沿容器壁直接滑下，避免了取样和试验过程中对原状土样的扰动，使测试数据更接近真实。另外，透明筒体的透明性提供了直接观察渗透锋面下渗过程的视觉通道，并相应获得渗透锋面（具体是渗透锋面距渗透表面的深度）随降水时间变化的信息。当渗透试验满足一定降雨强度、土样含水率也达到某个范围时，土样表面开始产生径流，采用本发明也能直观体现各降雨强度径流开始的时间，并相应获得所对应的径流量随降水时间变化的信息；水渗流过程完成，水开始从试样底部渗出，渗出的水通过漏斗进入量筒，此时可记录富集开始时间，并获得富集量与时间之间的对应关系。漫灌渗透试验中，通过控制试样上方的水头差来改变灌溉强度，同时也可清楚地记录下渗过程和富集过程的试验数据，获得不同灌溉强度条件下水的下渗规律。而在模拟地下水位抬升试验（即地下水渗透试验）中，能直观看见水位上升高度，并获得渗透机理。

5、使用效果好、实用价值高且实现方便，通过补水装置和土样渗透装置的不同组合模式能实现地下水位抬升模拟、漫灌模拟和降雨模拟试验，是一种能简便、快速且高质量完成非饱和土渗流原理、探索原状土渗流特征和规律的基础试验，并且测试结果直观，试验条件接近于真实情况。对于降雨和漫灌模拟试验，试验原理满足质量守恒定律，待渗透试验结束，试样饱和，满足达西定律；而地下水位抬升模拟试验，其试验原理满足毛细作用和连通器原理。综上，本发明能完成地下水位抬升模拟、漫灌模拟和降雨模拟试验，具有操作方便、测试结果可靠、自动化程度高、结合实际性好等优点。地下水位抬升模拟试验中通过调整水头差能简便提供多种不同的地下水水头，操作简便，控制精确且自动化程度高；同时补水装置的体积能提供足够的供于渗流试验所需的水量，调整至试验所需水头差时，补水装置内的静水压恒定，即可实现水的流速恒定，保证了试验的真实性。漫灌模拟试验中，通过调整水头差能简便提供多种不同的漫灌水头；操作简便，控制精确且自动化程度高；同时补水装置内的静水压恒定，即可实现水的流速恒定，保证了试验的真实性。所述降雨模拟试验中补水装置利用马氏瓶原理设计而成，试验过程中，使玻璃管的位置固定，则补水装置内的静水压恒定，即实现了对降雨流速的控制，实现了稳定的降雨速率；同时调整供水流量，实现多种降雨强度，操作简便，控制精确且自动化程度高。另外，三种模拟试验装置进行取样时，所采用的透明玻璃筒体强度大，不易变形，避免了对试样的扰动，达到原状试样标准，且其透明性易于观察水在土体中的渗流过程，测试结果准确、可靠。

综上所述，本发明设计合理、投入成本较低、操作简易且实现方便、使用效果好，能简便、快速完成非饱和土的渗透特性测试过程，能有效解决现有土体渗透特性测试装置存在的测试参数单一化、测试标准不统一、与实际结合度较差、操作不便、测试结果不可靠、自动化程度不高等多种缺陷和不足，能对水在非饱和土体中的作用过程、作用方式和多种非稳态渗流曲线进行有效测试。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明地下水位抬升模拟装置的使用状态参考图。

图2为本发明漫灌模拟装置的使用状态参考图。

图3为本发明降雨模拟装置的使用状态参考图。

图4为本发明多功能渗透仪的电路原理框图。

附图标记说明:

1—玻璃管；2—补水瓶；3—进水口一；

4—排气口；5—供水口；6—硅胶漏斗；

7-1—支架一；7-2—支架二；8—铁丝网；

9—流量检测单元；10—富集装置；11—透明筒体；

12—数据处理器；13—喷头；14—连接管道；

15—径流收集装置；16—显示单元。

具体实施方式

如图1、图2、图3及图4所示，本发明所述的非饱和土多功能渗透仪，包括支架一7-1、支架二7-2、固定在支架一7-1上且安装位置能进行上下调整的补水装置和固定在支架二7-2上且安装位置能进行上下调整的土样渗透装置。所述补水装置为马氏瓶，所述马氏瓶包括上下部均密封的补水瓶2和由上至下竖向插入补水瓶2内的导管，所述补水瓶2的上部侧壁上开有进水口一3，所述补水瓶2的底部侧壁上开有排气口4和供水口5。所述导管的底端高度低于补水瓶2内的水位。所述土样渗透装置包括土壤取样器和同轴安装在所述土壤取样器底部的漏斗，所述土壤取样器包括内部装有被测试土样且上下均开口的透明筒体11，所述透明筒体11呈竖直向布设且其底部装有水平支撑网。当所述导管的底端高度低于所述被测试土样的顶端高度且不低于所述被测试土样的底端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成地下水位抬升模拟装置，所述地下水位抬升模拟装置中补水瓶2的供水口5通过供水管一与所述漏斗底部的漏斗口相接。所述进水口一3、所述排气口4和所述供水口5上均安装有水路控制阀。当所述导管的底端高度高于所述被测试土样的顶端高度且所述供水口5的高度低于透明筒体11的顶端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成漫灌模拟装置，所述漫灌模拟装置中补水瓶2的侧壁上部开有进水口二，所述漫灌模拟装置中补水瓶2的供水口5通过供水管二与所述进水口二相接，所述漫灌模拟装置中所述被测试土样的顶端高度低于所述进水口二的高度。当所述供水口5的高度高于透明筒体11的顶端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成降雨模拟装置，所述降雨模拟装置中透明筒体11的正上方设置有喷头13，所述降雨模拟装置中补水瓶2的供水口5通过供水管三与喷头13的进水口相接，所述降雨模拟装置中所述供水口5的高度高于喷头13的进水口高度，所述供水管三上安装有对其内部水流量进行实时检测的流量检测单元9。所述漫灌模拟装置和所述降雨模拟装置中所述漏斗下方均设置有一个富集装置10。

本实施例中，所述支架一7-1和支架二7-2的结构相同，且二者布设在同一竖直面上。所述支架一7-1和支架二7-2均呈竖直向布设且二者均布设同一水平试验台上。

本实施例中，本发明所述的非饱和土多功能渗透仪还包括数据处理器12，所述流量检测单元9与数据处理器12相接。所述进水口一3、所述排气口4和所述供水口5上所安装的水路控制阀均为由数据处理器12进行控制的电动控制阀。

本实施例中，所述富集装置10为量筒。

实际使用时，所述富集装置10也可以其它采用带刻度的容器。

本实施例中，所述地下水位抬升模拟装置中所述供水口5的高度低于所述漏斗底部的漏斗口高度，所述供水管一呈水平向布设。所述漫灌模拟装置中所述供水口5的高度与所述进水口二的高度相同，且所述供水管二呈水平向布设。

实际使用时，所述水平支撑网上装有透水板8。所述透水板8上平铺有一层纱布。

实际安装时，所述水平支撑网通过铁箍固定在透明筒体11底部。

本实施例中，所述水平支撑网为铁丝网。实际使用时，所述水平支撑网也可以采用其它金属材质的硬质金属网。

本实施例中，所述补水瓶2为有机玻璃瓶，所述透明筒体11为有机玻璃筒。

实际加工时，所述补水瓶2和透明筒体11也可以其它的透明材质加工制作。

本实施例中，所述导管为玻璃管1。所述漏斗为硅胶漏斗6。

实际加工时，所述导管也可以采用其它材质管体。所述漏斗也可以采用其它材质的漏斗。

本实施例中，所述降雨模拟装置中透明筒体11的侧壁上开有径流口，所述径流口的底部与所述被测试土样的顶端相平齐，所述径流口通过连接管道14与径流收集装置15相接。

本实施例中，所述径流口为圆形通孔。

本实施例中，所述径流收集装置15为量筒。

实际使用时，所述径流收集装置15也可以采用其它带刻度的容器。

本发明所述的非饱和土渗透特性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、地下水位抬升、漫灌及降雨模拟试验：采用所述地下水位抬升模拟装置、所述漫灌模拟装置和所述降雨模拟装置分别对同一种被测试土样进行地下水位抬升、漫灌与降雨模拟试验。

其中，采用所述地下水位抬升模拟装置对被测试土样进行地下水位抬升模拟试验时，过程如下：

步骤1011、土样更换及水头差调整：对所述地下水位抬升模拟装置中的透明筒体11进行更换，更换后的透明筒体11内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整透明筒体11内所述导管的底端高度，对地下水位抬升模拟试验过程中的水头差进行调整；其中，所述水头差为所述导管底端与所述被测试土样底端的竖向间距；

步骤1012、地下水位抬升模拟试验：打开所述供水口5对被测试土样进行常水头地下水位抬升模拟试验或无水头地下水位抬升模拟试验，本步骤中打开所述供水口5后被测试土样的渗流过程开始；其中，进行常水头地下水位抬升模拟试验时，所述导管的底端高度高于所述被测试土样底端高度，且试验过程中步骤1011中所述水头差保持不变；进行无水头地下水位抬升模拟试验时，所述导管的底端高度始终与所述被测试土样底端高度相平齐，此时步骤1011中所述水头差为零；

步骤1012中进行常水头地下水位抬升模拟试验或无水头地下水位抬升模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体11内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1011中所述水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；其中，被测试土样的渗流锋面为所述被测试土样内水分的入渗锋面。

步骤1013、多次重复步骤1011至步骤1012，获得多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线。

采用所述漫灌模拟装置对被测试土样进行漫灌模拟试验时，过程如下：

步骤1021、土样更换及水头差调整：对所述漫灌模拟装置中的透明筒体11进行更换，更换后的透明筒体11内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整透明筒体11内所述导管的底端高度，对漫灌模拟试验过程中的水头差进行调整；其中，所述水头差为所述导管底端与所述被测试土样顶端的竖向间距；

步骤1022、漫灌模拟试验：打开所述供水口5对被测试土样进行常水头漫灌模拟试验，试验过程中步骤1021中所述水头差保持不变；本步骤中，打开所述供水口5后被测试土样的渗流过程开始；

步骤1022中进行漫灌模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体11内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1021中所述水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；同时，漫灌模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，待富集开始后被测试土样的渗流时间过程结束，之后进入富集过程；待富集开始后，每隔时间t对富集装置10内的水量进行记录，获得步骤1021中所述水头差条件下富集量随富集时间变化的曲线；

其中，被测试土样的渗流锋面为所述被测试土样内水分的入渗锋面。漫灌模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，此时富集时间为零。

步骤1023、多次重复步骤1021至步骤1022，获得多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线。

采用所述降雨模拟装置对被测试土样进行降雨模拟试验时，过程如下：

步骤1031、土样更换及供水流量调整：对所述降雨模拟装置中的透明筒体11进行更换，更换后的透明筒体11内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整所述供水口5上所装水路控制阀的开度对所述供水管三的供水流量进行调整；

步骤1032、降雨模拟试验：打开所述供水口5对被测试土样进行降雨模拟试验，试验过程中所述导管底端与所述被测试土样顶端的竖向间距保持不变；本步骤中，打开所述供水口5后被测试土样的渗流过程开始；

步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体11内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；同时，降雨模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，待富集开始后被测试土样的渗流时间过程结束，之后进入富集过程；待富集开始后，每隔时间t对富集装置10内的水量进行记录，获得调整后的供水流量所对应降雨强度下富集量随富集时间变化的曲线；

其中，被测试土样的渗流锋面为所述被测试土样内水分的入渗锋面。进行降雨模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，此时富集时间为零。

步骤1033、多次重复步骤1031至步骤1032，获得多种不同降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1012、步骤1022和步骤1032中，t=5min～25min。

步骤二、试验数据整理：对步骤1013中所获得的地下水位模拟试验结果、步骤1023中所获得的漫灌模拟试验结果和步骤1033中所获得的降雨模拟试验结果分别进行整理，且所述地下水位模拟试验结果、漫灌模拟试验结果和降雨模拟试验结果组成被测试土样的渗透特性测试结果。

本实施例中，步骤二中对所述地下水位模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器12绘制出多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；对所述漫灌模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器12绘制出多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；对所述降雨模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器12绘制出多种不同降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；同时，采用与数据处理器12相接的显示单元16对所述地下水位模拟试验结果、漫灌模拟试验结果和降雨模拟试验结果进行同步显示。

本实施例中，步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，对水开始在所述被测试土样的上表面上进行径流的时间进行记录且该时刻为径流开始时刻，待径流开始后，每隔时间t对径流收集装置15内的水量进行记录，获得步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下径流量随径流时间变化的曲线；其中，t=5min～25min。

实际测试过程中，根据步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下径流量随径流时间变化的曲线，能获得径流开始后各时刻所述径流收集装置15内的水量。

降雨模拟试验过程中，对水开始在所述被测试土样的上表面上进行径流的时间进行记录且该时刻为径流开始时刻，此时径流时间为零。

本实施例中，步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，还需对步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下所述被测试土样在各供水时刻的水分吸附量进行计算。

其中，对所述被测试土样在任一供水时刻的水分吸附量进行计算时，根据公式Q5=Q1-Q2-Q3-Q4进行计算，式中Q1为供水量且Q1=c1×Δt，式中c1为流量检测单元9测试得出的水流量，Δt为截止当前所计算时刻的供水时间；Q2为蒸发量且Q2=c2×Δt，c2为预先设定的蒸发率；Q3为当前所计算时刻富集装置10内的水量；Q4为当前所计算时刻径流收集装置15内的水量。其中，所述被测试土样的水分吸附量为下渗遗失量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种非饱和土多功能渗透仪，其特征在于：包括支架一(7-1)、支架二(7-2)、固定在支架一(7-1)上且安装位置能进行上下调整的补水装置和固定在支架二(7-2)上且安装位置能进行上下调整的土样渗透装置；所述补水装置为马氏瓶，所述马氏瓶包括上下部均密封的补水瓶(2)和由上至下竖向插入补水瓶(2)内的导管，所述补水瓶(2)的上部侧壁上开有进水口一(3)，所述补水瓶(2)的底部侧壁上开有排气口(4)和供水口(5)；所述导管的底端高度低于补水瓶(2)内的水位；所述土样渗透装置包括土壤取样器和同轴安装在所述土壤取样器底部的漏斗，所述土壤取样器包括内部装有被测试土样且上下均开口的透明筒体(11)，所述透明筒体(11)呈竖直向布设且其底部装有水平支撑网；当所述导管的底端高度低于所述被测试土样的顶端高度且不低于所述被测试土样的底端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成地下水位抬升模拟装置，所述地下水位抬升模拟装置中补水瓶(2)的供水口(5)通过供水管一与所述漏斗底部的漏斗口相接；所述进水口一(3)、所述排气口(4)和所述供水口(5)上均安装有水路控制阀；当所述导管的底端高度高于所述被测试土样的顶端高度且所述供水口(5)的高度低于透明筒体(11)的顶端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成漫灌模拟装置，所述漫灌模拟装置中透明筒体(11)的侧壁上部开有进水口二，所述漫灌模拟装置中补水瓶(2)的供水口(5)通过供水管二与所述进水口二相接，所述漫灌模拟装置中所述被测试土样的顶端高度低于所述进水口二的高度；当所述供水口(5)的高度高于透明筒体(11)的顶端高度时，所述补水装置和所述土样渗透装置组成降雨模拟装置，所述降雨模拟装置中透明筒体(11)的正上方设置有喷头(13)，所述降雨模拟装置中补水瓶(2)的供水口(5)通过供水管三与喷头(13)的进水口相接，所述降雨模拟装置中所述供水口(5)的高度高于喷头(13)的进水口高度，所述供水管三上安装有对其内部水流量进行实时检测的流量检测单元(9)；所述漫灌模拟装置和所述降雨模拟装置中所述漏斗下方均设置有一个富集装置(10)；所述地下水位抬升模拟装置中所述供水口(5)的高度低于所述漏斗底部的漏斗口高度，所述供水管一呈水平向布设；所述漫灌模拟装置中所述供水口(5)的高度与所述进水口二的高度相同，且所述供水管二呈水平向布设。

2.按照权利要求1所述的一种非饱和土多功能渗透仪，其特征在于：还包括数据处理器(12)，所述流量检测单元(9)与数据处理器(12)相接；所述进水口一(3)、所述排气口(4)和所述供水口(5)上所安装的水路控制阀均为由数据处理器(12)进行控制的电动控制阀。

3.按照权利要求1或2所述的一种非饱和土多功能渗透仪，其特征在于：所述水平支撑网上装有透水板(8)，所述透水板(8)上平铺有一层纱布。

4.按照权利要求1或2所述的一种非饱和土多功能渗透仪，其特征在于：所述降雨模拟装置中透明筒体(11)的侧壁上开有径流口，所述径流口的底部与所述被测试土样的顶端相平齐，所述径流口通过连接管道(14)与径流收集装置(15)相接。

5.按照权利要求1或2所述的一种非饱和土多功能渗透仪，其特征在于：所述导管为玻璃管(1)，所述补水瓶(2)为有机玻璃瓶，所述透明筒体(11)为有机玻璃筒。

6.一种利用如权利要求1所述渗透仪对非饱和土渗透特性进行测试的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、地下水位抬升、漫灌及降雨模拟试验：采用所述地下水位抬升模拟装置、所述漫灌模拟装置和所述降雨模拟装置分别对同一种被测试土样进行地下水位抬升、漫灌与降雨模拟试验；

其中，采用所述地下水位抬升模拟装置对被测试土样进行地下水位抬升模拟试验时，过程如下：

步骤1011、土样更换及水头差调整：对所述地下水位抬升模拟装置中的透明筒体(11)进行更换，更换后的透明筒体(11)内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整透明筒体(11)内所述导管的底端高度，对地下水位抬升模拟试验过程中的水头差进行调整；其中，所述水头差为所述导管底端与所述被测试土样底端的竖向间距；

步骤1012、地下水位抬升模拟试验：打开所述供水口(5)对被测试土样进行常水头地下水位抬升模拟试验或无水头地下水位抬升模拟试验，本步骤中打开所述供水口(5)后被测试土样的渗流过程开始；其中，进行常水头地下水位抬升模拟试验时，所述导管的底端高度高于所述被测试土样底端高度，且试验过程中步骤1011中所述水头差保持不变；进行无水头地下水位抬升模拟试验时，所述导管的底端高度始终与所述被测试土样底端高度相平齐，此时步骤1011中所述水头差为零；

步骤1012中进行常水头地下水位抬升模拟试验或无水头地下水位抬升模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体(11)内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1011中所述水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；其中，被测试土样的渗流锋面为所述被测试土样内水分的入渗锋面；

步骤1013、多次重复步骤1011至步骤1012，获得多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；

采用所述漫灌模拟装置对被测试土样进行漫灌模拟试验时，过程如下：

步骤1021、土样更换及水头差调整：对所述漫灌模拟装置中的透明筒体(11)进行更换，更换后的透明筒体(11)内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整透明筒体(11)内所述导管的底端高度，对漫灌模拟试验过程中的水头差进行调整；其中，所述水头差为所述导管底端与所述被测试土样顶端的竖向间距；

步骤1022、漫灌模拟试验：打开所述供水口(5)对被测试土样进行常水头漫灌模拟试验，试验过程中步骤1021中所述水头差保持不变；本步骤中，打开所述供水口(5)后被测试土样的渗流过程开始；

步骤1022中进行漫灌模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体(11)内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1021中所述水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；同时，漫灌模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，待富集开始后被测试土样的渗流时间过程结束，之后进入富集过程；待富集开始后，每隔时间t对富集装置(10)内的水量进行记录，获得步骤1021中所述水头差条件下富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1023、多次重复步骤1021至步骤1022，获得多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；

采用所述降雨模拟装置对被测试土样进行降雨模拟试验时，过程如下：

步骤1031、土样更换及供水流量调整：对所述降雨模拟装置中的透明筒体(11)进行更换，更换后的透明筒体(11)内所装被测试土样为原状土样；同时，通过调整所述供水口(5)上所装水路控制阀的开度对所述供水管三的供水流量进行调整；

步骤1032、降雨模拟试验：打开所述供水口(5)对被测试土样进行降雨模拟试验，试验过程中所述导管底端与所述被测试土样顶端的竖向间距保持不变；本步骤中，打开所述供水口(5)后被测试土样的渗流过程开始；

步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，每隔时间t对透明筒体(11)内被测试土样的渗流锋面进行观测，并对各观测时刻被测试土样的渗流锋面位置进行记录，获得步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；同时，降雨模拟试验过程中，对水开始从被测试土样底部渗出的时刻进行记录且该时刻为富集开始时刻，待富集开始后被测试土样的渗流时间过程结束，之后进入富集过程；待富集开始后，每隔时间t对富集装置(10)内的水量进行记录，获得调整后的供水流量所对应降雨强度下富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1033、多次重复步骤1031至步骤1032，获得多种不同降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；

步骤1012、步骤1022和步骤1032中，t＝5min～25min；

步骤二、试验数据整理：对步骤1013中所获得的地下水位模拟试验结果、步骤1023中所获得的漫灌模拟试验结果和步骤1033中所获得的降雨模拟试验结果分别进行整理，且所述地下水位模拟试验结果、漫灌模拟试验结果和降雨模拟试验结果组成被测试土样的渗透特性测试结果。

7.按照权利要求6所述的对非饱和土渗透特性进行测试的方法，其特征在于：步骤二中对所述地下水位模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器(12)绘制出多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线；对所述漫灌模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器(12)绘制出多种不同水头差条件下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；对所述降雨模拟试验结果进行整理时，采用数据处理器(12)绘制出多种不同降雨强度下被测试土样的渗流锋面随渗流时间变化的变化曲线和富集量随富集时间变化的曲线；同时，采用与数据处理器(12)相接的显示单元(16)对所述地下水位模拟试验结果、漫灌模拟试验结果和降雨模拟试验结果进行同步显示。

8.按照权利要求6或7所述的对非饱和土渗透特性进行测试的方法，其特征在于：所述降雨模拟装置中透明筒体(11)的侧壁上开有径流口，所述径流口的底部与所述被测试土样的顶端相平齐，所述径流口通过连接管道(14)与径流收集装置(15)相接；步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，对水开始在所述被测试土样的上表面上进行径流的时间进行记录且该时刻为径流开始时刻，待径流开始后，每隔时间t对径流收集装置(15)内的水量进行记录，获得步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下径流量随径流时间变化的曲线；其中，t＝5min～25min。

9.按照权利要求8所述的对非饱和土渗透特性进行测试的方法，其特征在于：步骤1032中进行降雨模拟试验过程中，还需对步骤1031中调整后的供水流量所对应降雨强度下所述被测试土样在各供水时刻的水分吸附量进行计算；

其中，对所述被测试土样在任一供水时刻的水分吸附量进行计算时，根据公式Q5＝Q1-Q2-Q3-Q4进行计算，式中Q1为供水量且Q1＝c1×Δt，式中c1为流量检测单元(9)测试得出的水流量，Δt为截止当前所计算时刻的供水时间；Q2为蒸发量且Q2＝c2×Δt，c2为预先设定的蒸发率；Q3为当前所计算时刻富集装置(10)内的水量；Q4为当前所计算时刻径流收集装置(15)内的水量。