CN108318664B - 坡面径流-土体渗透耦合测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡面径流‑土体渗透耦合测试方法，其特征在于，将待检测土体盛装到一个侧壁具有透明材料的检测容器中，然后将检测容器连接到一个导流槽中部下方的开设的检测口上，在导流槽内形成连续水流，在检测容器上游的导流槽内连续地加入有色液体，并使有色液体进入水流呈线状；调节控制导流槽内水流的流速和水深变化，观察有色液体在导流槽中的流动情况，测量检测容器上方水流区域内不同位置的流速变化情况，记录渗透作用对水流的影响；同时观察有色液体渗透进入检测容器后的情况，记录不同流速和水深情况下，对应的渗透变化情况。本发明具有实施简单，操作方便，调节快捷，结构可靠等优点。

Description

坡面径流-土体渗透耦合测试方法

技术领域

本发明涉及土体渗流试验研究领域，特别是涉及一种坡面径流-土体渗透耦合测试方法。

背景技术

饱和/非饱和土体的渗透是降雨诱发滑坡、农田水渠灌溉及河流渗流补给过程需要考虑的重要动态过程。以降雨诱发滑坡为例，滑坡是世界各地地质自然灾害最常见的形式，而其中降雨诱发滑坡是主要的因素，我国正在高速建设中，这导致滑坡灾害更为频繁，特别是西南山区受到降雨诱发滑坡的威胁，造成了许多生命及财产的损伤，限制了社会建设及生产的发展，因此对于边坡稳定性的影响的评价就显得特别重要；

通常对于边坡稳定性分析忽略了降雨入渗的过程的影响，对于降雨产流后的径流模式对入渗的影响进而分析边坡稳定性则显得更为少见，对降雨诱发失稳的原因，除了边坡形态、岩土性质和地质结构等内在因素，包括降雨入渗后基质吸力减小、孔隙水压力升高、边坡自重增加和渗流作用等也是非常重要的因素，而对于这些影响因素的研究就需要我们对降雨入渗的过程进行有效的分析；

对于降雨渗透的过程，已经有一些对于一维的入渗和二维入渗边坡降雨的数值模型及模型槽实验研究，其中一维入渗考虑了降雨的垂直入渗过程，二维入渗模型则可以考虑降雨侧向流动和垂直入渗。但一般的降雨模型忽略了降雨径流的影响，有考虑降雨径流的模型一般也只把径流当作坡面增加的水头来考虑，但径流的另外一个重要的物理量流速则没有考虑，而径流流速对降雨入渗有着重要的影响，需要我们在分析降雨入渗的过程中纳入，否则会导致我们对边坡稳定性分析产生误差。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够方便研究土体渗透对上方径流的干扰影响，以及径流流速和水深变化对土体渗透的影响规律的坡面径流-土体渗透耦合测试方法。且使其具有实施简单，操作方便，调节快捷，结构可靠等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，将待检测土体盛装到一个侧壁具有透明材料的检测容器中，然后将检测容器连接到一个导流槽中部下方的开设的检测口上，在导流槽内形成连续水流，在检测容器上游的导流槽内连续地加入有色液体，并使有色液体进入水流呈线状；调节控制导流槽内水流的流速和水深变化，观察有色液体在导流槽中的流动情况，测量检测容器上方水流区域内不同位置的流速变化情况，记录渗透作用对水流的影响；同时观察有色液体渗透进入检测容器后的情况，记录不同流速和水深情况下，对应的渗透变化情况。

这样，采用对有色液体在导流槽内扰动情况的观察和记录，可方便直观地获取渗透作用对水流的影响，同时依靠对有色液体进入到检测容器后的观察和记录，能够直观地获取不同流速和水深情况下，对应的渗透变化情况。故能够采用简单的操作，直观的获取到土壤渗透作用和水流之间的相互作用规律。以更好地实现对土体渗透作用的研究。

作为优化，本发明采用以下的试验装置实现，所述试验装置包括一个导流槽，导流槽一端为用于进水的上游端且另一端为用于出水的下游端，导流槽上游端设置有一个水压箱，水压箱下端出水口正对导流槽上游端入口设置，导流槽中部设置有检测段，检测段上游位置竖向设置有滴管，检测段内还设置有流速测量系统，检测段的槽底设置有检测口，检测口下方设置有检测容器，检测容器内腔用于盛装待检测土体且检测容器上端口和检测口可拆卸地对接相连，检测容器具有透明材料制得的观察壁；还包括用于控制导流槽内流速的流速控制系统，以及用于控制导流槽内径流深度的径流深度控制结构。

这样，该试验装置试验时，可以依靠水压箱提供水流，依靠流速控制系统控制和调节导流槽内水流速度，依靠径流深度控制结构控制和调节导流槽内水流深度，再依靠滴管连续滴入有色液体进入到水流呈线状，以观察有色液体在导流槽中的流动情况以及在检测容器中的渗透情况；同时可以根据流速测量系统检测流速，观察渗透作用对流速变化的影响，以及确认不同流速以及不同水深情况下对应的渗透变化情况，更好地实现对土体渗透作用的研究。

作为优化，所述径流深度控制结构包括位于导流槽下游端端口位置设置的一个下游水闸，下游水闸的闸门的伸缩控制机构位于下方且能够带动该闸门向下缩回到导流槽槽底，还包括位于导流槽上端端口和水压箱下端出口之间的上游水闸，上游水闸的闸门的伸缩控制机构位于上方且能够带动该闸门向上缩回。

这样，可以通过上下调节下游水闸的闸门和上游水闸的闸门高度位置，控制水压箱出水断面面积以及导流槽下游闸门拦截面积来控制检测段的径流深度，具有结构简单，控制方便快捷高效可靠等优点。具体水深控制时，可以控制上游水闸闸门开口高度与下游水闸闸门闭口高度相等，实现对导流槽水深的绝对控制。

作为优化，所述流速控制系统包括一个供水箱，供水箱通过水泵和供水管与水压箱相连并供水，所述水泵和供水管供水能力能够大于水压箱出水能力，流速控制系统还包括一个控制水闸，控制水闸对应设置在水压箱侧壁的一个控制闸口上，控制水闸的闸门的伸缩控制机构位于下方且能够带动该闸门向下缩回，使得控制水闸的闸门的上端面形成溢流水位控制线，控制水闸的闸门的上端固定连接有一个向外下方延伸的溢流槽，溢流槽外端正对设置在供水箱上端开口上方。

这样，试验时，通过水泵和供水管道向水压箱供水，然后打开水压箱出水口出水，控制供水管道供水量大于水压箱出水量，使得部分供水从出水口出水，其余部分供水从溢流槽回流到供水箱。这样保持水压箱水位始终处于溢流槽所在高度，水压箱内水压稳定，进而保持水压箱下端出水口的出水流速稳定，利于提供稳定的水流速度以供试验，提高试验精确度。同时，当需要调整水流速度的时候，只需上下调整控制水闸的闸门高度，进而即可方便快捷地调整流速到所需大小，实现流速的调整以更好地满足试验需求。

进一步地，所述导流槽下游端出口下方设置有收集槽，收集槽通过回流管道和供水箱相连。这样实现了水的循环利用，保证供水箱能够持续提供充足的供水，保证整个试验的持续稳定进行。

作为另一种优化，所述流速控制系统包括一个和水压箱间隔并列设置的蓄水箱，蓄水箱通过升降调节机构安装在一个水箱支架上，蓄水箱通过下方的管道和水压箱相连并构成连通器，蓄水箱内腔上部固定设置有进水管，进水管上安装有水位开关，进水管通过进水软管和水源相连；进水管进水能力能够大于水压箱出水能力。

这样，试验时，通过蓄水箱向水压箱供水，然后依靠进水管和水位开关对蓄水箱进水并保持蓄水箱内水位不变，依靠连通器原理，保证水压箱内水位高度不变，保持水压箱内水压稳定，进而保持水压箱下端出水口的出水流速稳定，利于提供稳定的水流速度以供试验，提高试验精确度。同时，当需要调整水流速度的时候，只需上下调整蓄水箱所在高度位置，即可依靠连通器原理方便快捷地调整水压箱内液面高度，进而即可方便快捷地调整流速到所需大小，实现流速的调整以更好地满足试验需求。

其中，升降调节机构可以采用现有技术中能够实现升降调节控制的已有机构，例如竖向设置且一端固定在水箱支架另一端固定在蓄水箱上的电动伸缩杆或液压伸缩缸，或者丝杠竖向设置的丝杠螺母传动机构，或者直接采用固定在蓄水箱上的抱箍沿水箱支架上竖向的安装杆调节固定位置等各种结构方式均可。

作为优化，所述流速测量系统包括上下连通且竖向设置的一根侧压管和一根正压管，侧压管和正压管顺水流方向正对且间隔设置，侧压管位于正压管上游端，正压管下端具有一段90度折向的折弯段且使得折弯段外端管口正对侧压管下端管口，侧压管和正压管均固定在一个安装支架上且使得正压管折弯段外端管口和侧压管下端管口均位于导流槽检测段内靠近槽底位置；侧压管和正压管均为透明材质制得且管壁沿竖向设置有刻度线；流速测量系统还包括一个镜头方向正对正压管和侧压管设置的摄像机，摄像机和计算机相连。

这样，试验时，侧压管由于和水流方向基本垂直，受水流侧向压力会在管内形成一段向上的水柱，正压管下端正对水流冲击受正向水压会在管内形成一段高于侧压管内水柱的水柱。摄像机拍摄图像后，传递到计算机，可以通过图分析软件获得水柱高度差。同时由于正压管折弯段管口和侧压管下端管口间距为已知固定距离，故结合伯努利方程，可以通过计算机计算出正压管管口流速大小，实现水流速度检测，确定不同试验情况下的水流速度大小。故具有结构简单，检测方便快捷可靠的优点。其中图像分析软件为计算机领域非常公知的现有技术，不在此详述。

进一步地，所述导流槽检测段的侧壁为透明材料制得。这样更加方便检测观察，也更加方便摄像机拍摄和记录试验图像。

作为优化，所述上游水闸前方的导流槽内竖向布置有60-100目纱网。这样，可以更好地稳定水流，保证试验精确。

进一步地，所述检测容器和侧压管以及正压管均位于摄像机镜头拍摄范围内。这样，摄像机的摄像还可以记录和观察滴管滴入的有色液体在导流槽中的流动情况以及在检测容器中的渗透情况，以图像和视频形式记录试验结果。

其中计算机计算正压管管口流速的具体过程为：根据伯努利方程

其中h’_w为水头损失；z_A和z_B分别是侧压管和正压管管口的位置水头；

和

为侧压管和正压管管口的压强水头(其中ρ为水的密度，g为重力加速度；p_A和p_B为侧压管下端管口以及正压管下端管口处的压强)；

和

为侧压管和正压管管口的流速水头，其中v_A和v_B为侧压管下端管口以及正压管下端管口处的流速；α为流速分布均匀系数。同时我们设置管口间距A＝1cm，所以认为h’_w＝0，取流速分布均匀系数α＝1.2。正压管和侧压管管口高度相同所以z_A＝z_B，所以正压管管口流速

h_A和h_B分别为侧压管和正压管水柱高度，根据皮托管构造我们取修正系数C＝1；即可计算得到正压管管口流速。

作为优化，所述安装支架包括一根竖向安装杆，竖向安装杆上端依靠活动栓固定有一根横向安装杆，横向安装杆上依靠活动栓连接有三个沿相同一侧水平向外延伸的管夹，所述滴管、侧压管和正压管依次固定在三个管夹上；所述竖向安装杆下端固定设置在一个活动底座上。

这样，结构简单，方便滴管、侧压管和正压管的安装固定，以及方便上下和前后位置的调节固定，以满足试验要求。活动底座能够灵活移动位置，方便检测不同的测量点的流速大小。

具体试验时，可以以检测口中点为坐标原点建立坐标系，流速测量点布置，x方向以原点对称布置X个观测点，间距5cm，y方向以原点对称布置Y个观测点，z方向若h≤3cm,以中点作为观测点，若h>3cm,观测点间距为h/3；流线观察布置在导流槽(1-2)的导流区和观察区分界边，y方向以原点对称布置3个观测点，z方向若h≤3cm,以中点作为观测点，若h>3cm,观测点间距为h/3；可以更好地研究渗透作用对土体上方不同区域位置水流流速的影响。

作为优化，所述检测口上插接设置有对应的开合板。这样试验时先装好检测容器，使其密封固定到检测口下方，然后再打开开合板，即可进行观察试验，试验完毕关闭开合板即可方便取下检测容器。

作为优化，检测容器下端底部设置有渗水孔，且渗水孔下方正对设置有量杯。这样试验时，检测容器中的渗透水最终能够从渗水孔渗出到量杯中，使其内土体能够更好地模拟实际土体情况，保证试验结果精确，并记录渗透量的变化结果来计算试样土的渗透系数变化。

作为优化，所述检测容器内腔上端靠近开口位置具有一段砾石层安装腔，砾石层安装腔下方到检测容器内腔底部为试样土安装腔。这样试验时，试样土装填到试样土安装腔内，然后再安装一层砾石层，使得砾石层和上端水流接触，这样可以避免由于试样土直接被水流冲走或冲软而影响试验效果，更好地提高试验精度。

作为优化，所述检测容器的一侧竖向间隔设置有多个渗压计安装孔，另一侧竖向间隔设置有多个张力计安装孔，渗压计安装孔内可拆卸地安装有用于检测空隙水压力的渗压计，所述张力计安装孔内可拆卸地安装有用于检测土壤水张力的张力计；所述渗压计和张力计的数据线均连接到计算机。

这样，试验时，可以依靠渗压计和张力计检测该位置的孔隙水压力和土壤水张力大小，以检测和记录不同流速作用，在不同时间下，对不同渗透高度的土壤渗透效果。将径流流速和水深变化对土体渗透的影响规律数据化，提高试验实用性。且装置自身具有结构简单，试验方便，检测可靠等优点。

作为优化，本方法中，还包括对盛装好待检测土体检测容器进行水饱和的步骤，所述水饱和的步骤采用检测容器饱和装置实现，所述检测容器饱和装置包括一个固定底板和一个固定顶板，固定底板上表面中部设置有和检测容器下端面对应一致的检测容器端部固定区域，固定顶板下表面中部设置有和检测容器上端面对应一致的检测容器端部固定区域，固定底板和固定顶板上各自位于检测容器端部固定区域的两侧位置竖向贯穿且正对设置有穿孔，还包括能够长度大于检测容器高度且两端能够对应贯穿固定底板和固定顶板上穿孔的固定螺杆，固定螺杆两端衔接有固定螺母；所述固定底板下端中部向外连通固定设置有一根进水管，进水管外端连接到一个水槽，固定底板上连接进水管位置和检测容器渗水孔位置对应一致，所述固定顶板上端中部向外连通固定设置有一根抽气管，抽气管外端和一个真空泵相连。

这样，可以依靠本检测容器饱和装置对检测容器中填装好的土壤试样做饱和处理，使其能够做饱和土壤的入渗模拟实验。饱和处理时，先将固定顶板和固定底板压接在检测容器的上下两端，然后再采用固定螺杆连接并依靠固定螺母压紧；保持检测容器两侧的渗压计安装孔以及渗压计安装孔为封堵密封状态；然后水槽内装满无气水。进水管位于水面下，开启真空泵，抽取检测容器中土壤内部空气，依靠大气压力，使得水槽内水逐渐进入到检测容器内并到达检测容器上方，使其内的土壤呈吸水饱和状态。即可用于饱和土壤的入渗模拟实验；检测饱和状态下土壤的入渗情况和数据。采用本检测容器饱和装置进行试样饱和处理，土壤是从下到上接受水的浸润并达到饱和，可以更加快速可靠地使试样达到饱和状态，且避免了采用浇淋的方式由于水流渗流对试样的影响。

综上所述，本发明能够方便研究土体渗透对上方径流的干扰影响，以及径流流速和水深变化对土体渗透的影响规律；同时还具有实施简单，操作方便，调节快捷，结构可靠等优点。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中，采用的试验装置中包括导流槽和检测容器部分的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中，采用的试验装置中检测容器饱和装置部分的结构示意图。

图3为图1中单独流速测量系统部分的结构示意图。图中未显示摄像机和计算机部分结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：一种坡面径流-土体渗透耦合测试方法，将待检测土体盛装到一个侧壁具有透明材料的检测容器中，然后将检测容器连接到一个导流槽中部下方的开设的检测口上，在导流槽内形成连续水流，在检测容器上游的导流槽内连续地加入有色液体，并使有色液体进入水流呈线状；调节控制导流槽内水流的流速和水深变化，观察有色液体在导流槽中的流动情况，测量检测容器上方水流区域内不同位置的流速变化情况，记录渗透作用对水流的影响；同时观察有色液体渗透进入检测容器后的情况，记录不同流速和水深情况下，对应的渗透变化情况。

这样，采用对有色液体在导流槽内扰动情况的观察和记录，可方便直观地获取渗透作用对水流的影响，同时依靠对有色液体进入到检测容器后的观察和记录，能够直观地获取不同流速和水深情况下，对应的渗透变化情况。故能够采用简单的操作，直观的获取到土壤渗透作用和水流之间的相互作用规律。以更好地实现对土体渗透作用的研究。

本实施方式中，本方法采用如图1～图3所示的试验装置进行，所述试验装置，包括一个导流槽1，导流槽1一端为用于进水的上游端且另一端为用于出水的下游端，导流槽上游端设置有一个水压箱2，水压箱2下端出水口正对导流槽1上游端入口设置，导流槽1中部设置有检测段3，检测段上游位置竖向设置有滴管4，检测段内还设置有流速测量系统，检测段的槽底设置有检测口，检测口下方设置有检测容器5，检测容器5内腔用于盛装待检测土体且检测容器上端口和检测口可拆卸地对接相连，检测容器5具有透明材料制得的观察壁；还包括用于控制导流槽内流速的流速控制系统，以及用于控制导流槽内径流深度的径流深度控制结构。

这样，该试验装置试验时，可以依靠水压箱提供水流，依靠流速控制系统控制和调节导流槽内水流速度，依靠径流深度控制结构控制和调节导流槽内水流深度，再依靠滴管连续滴入有色液体进入到水流呈线状，以观察有色液体在导流槽中的流动情况以及在检测容器中的渗透情况；同时可以根据流速测量系统检测流速，观察渗透作用对流速变化的影响，以及确认不同流速以及不同水深情况下对应的渗透变化情况，更好地实现对土体渗透作用的研究。

其中，所述径流深度控制结构包括位于导流槽下游端端口位置设置的一个下游水闸6，下游水闸6的闸门的伸缩控制机构位于下方且能够带动该闸门向下缩回到导流槽槽底，还包括位于导流槽1上端端口和水压箱下端出口之间的上游水闸7，上游水闸7的闸门的伸缩控制机构位于上方且能够带动该闸门向上缩回。

这样，可以通过上下调节下游水闸的闸门和上游水闸的闸门高度位置，控制水压箱出水断面面积以及导流槽下游闸门拦截面积来控制检测段的径流深度，具有结构简单，控制方便快捷高效可靠等优点。具体水深控制时，可以控制上游水闸闸门开口高度与下游水闸闸门闭口高度相等，实现对导流槽水深的绝对控制。

其中，所述流速控制系统包括一个供水箱8，供水箱8通过水泵9和供水管与水压箱2相连并供水，所述水泵9和供水管供水能力能够大于水压箱2出水能力，流速控制系统还包括一个控制水闸10，控制水闸10对应设置在水压箱2侧壁的一个控制闸口上，控制水闸10的闸门的伸缩控制机构位于下方且能够带动该闸门向下缩回，使得控制水闸的闸门的上端面形成溢流水位控制线，控制水闸10的闸门的上端固定连接有一个向外下方延伸的溢流槽11，溢流槽11外端正对设置在供水箱上端开口上方。

这样，试验时，通过水泵和供水管道向水压箱供水，然后打开水压箱出水口出水，控制供水管道供水量大于水压箱出水量，使得部分供水从出水口出水，其余部分供水从溢流槽回流到供水箱。这样保持水压箱水位始终处于溢流槽所在高度，水压箱内水压稳定，进而保持水压箱下端出水口的出水流速稳定，利于提供稳定的水流速度以供试验，提高试验精确度。同时，当需要调整水流速度的时候，只需上下调整控制水闸的闸门高度，进而即可方便快捷地调整流速到所需大小，实现流速的调整以更好地满足试验需求。

其中，所述导流槽1下游端出口下方设置有收集槽12，收集槽12通过回流管道和供水箱8相连。这样实现了水的循环利用，保证供水箱能够持续提供充足的供水，保证整个试验的持续稳定进行。

作为另一种实施方式(图中未显示)，所述流速控制系统包括一个和水压箱间隔并列设置的蓄水箱，蓄水箱通过升降调节机构安装在一个水箱支架上，蓄水箱通过下方的管道和水压箱相连并构成连通器，蓄水箱内腔上部固定设置有进水管，进水管上安装有水位开关，进水管通过进水软管和水源相连；进水管进水能力能够大于水压箱出水能力。

这样，试验时，通过蓄水箱向水压箱供水，然后依靠进水管和水位开关对蓄水箱进水并保持蓄水箱内水位不变，依靠连通器原理，保证水压箱内水位高度不变，保持水压箱内水压稳定，进而保持水压箱下端出水口的出水流速稳定，利于提供稳定的水流速度以供试验，提高试验精确度。同时，当需要调整水流速度的时候，只需上下调整蓄水箱所在高度位置，即可依靠连通器原理方便快捷地调整水压箱内液面高度，进而即可方便快捷地调整流速到所需大小，实现流速的调整以更好地满足试验需求。其中，升降调节机构可以采用现有技术中能够实现升降调节控制的已有机构，例如竖向设置且一端固定在水箱支架另一端固定在蓄水箱上的电动伸缩杆或液压伸缩缸，或者丝杠竖向设置的丝杠螺母传动机构，或者直接采用固定在蓄水箱上的抱箍沿水箱支架上竖向的安装杆调节固定位置等各种结构方式均可。

其中，所述流速测量系统包括上下连通且竖向设置的一根侧压管13和一根正压管14，侧压管13和正压管14顺水流方向正对且间隔设置，侧压管13位于正压管上游端，正压管14下端具有一段90度折向的折弯段且使得折弯段外端管口正对侧压管下端管口，侧压管13和正压管14均固定在一个安装支架15上且使得正压管折弯段外端管口和侧压管下端管口均位于导流槽检测段3内靠近槽底位置；侧压管13和正压管14均为透明材质制得且管壁沿竖向设置有刻度线；流速测量系统还包括一个镜头方向正对侧压管和正压管设置的摄像机16，摄像机和计算机相连。

这样，试验时，侧压管由于和水流方向基本垂直，受水流侧向压力会在管内形成一段向上的水柱，正压管下端正对水流冲击受正向水压会在管内形成一段高于侧压管内水柱的水柱。摄像机拍摄图像后，传递到计算机，可以通过图像分析软件获得水柱高度差。同时由于正压管折弯段管口和侧压管下端管口间距为已知固定距离，故结合伯努利方程，可以通过计算机计算出正压管管口流速大小，实现水流速度检测，确定不同试验情况下的水流速度大小。故具有结构简单，检测方便快捷可靠的优点。其中图像分析软件为计算机领域非常公知的现有技术，不在此详述。

其中，所述导流槽检测段3的侧壁为透明材料制得。这样更加方便检测观察，也更加方便摄像机拍摄和记录试验图像。

其中，所述上游水闸前方的导流槽1内竖向布置有60-100目纱网。这样，可以更好地稳定水流，保证试验精确。

其中，纱网到检测段之间还具有一段导流区。以更好地利于保证检测段的水流平稳，流速稳定。更好的选择是，导流区和检测段，长度分别为L₁、L₂，为了使径流稳定，两侧导流区长度L₁满足L₁＞2L₂且L₁＞1m，为便于观测，检测段的两侧挡板为有机玻璃。

其中，所述检测容器5和侧压管13以及正压管14均位于摄像机16镜头拍摄范围内。这样，摄像机的摄像还可以记录和观察滴管滴入的有色液体在导流槽中的流动情况以及在检测容器中的渗透情况，以图像和视频形式记录试验结果。

其中计算机计算正压管管口流速的具体过程为：根据伯努利方程

其中h’_w为水头损失；z_A和z_B分别是侧压管和正压管管口的位置水头；

和

为侧压管和正压管管口的压强水头(其中ρ为水的密度，g为重力加速度；p_A和p_B为侧压管下端管口以及正压管下端管口处的压强)；

和

为侧压管和正压管管口的流速水头，其中v_A和v_B为侧压管下端管口以及正压管下端管口处的流速；α为流速分布均匀系数。同时我们设置管口间距A＝1cm，所以认为h’_w＝0，取流速分布均匀系数α＝1.2。正压管和侧压管管口高度相同所以z_A＝z_B，所以正压管管口流速

h_A和h_B分别为侧压管和正压管水柱高度，根据皮托管构造我们取修正系数C＝1；即可计算得到正压管管口流速。

其中，所述安装支架15包括一根竖向安装杆，竖向安装杆上端依靠活动栓固定有一根横向安装杆，横向安装杆上依靠活动栓连接有三个沿相同一侧水平向外延伸的管夹，所述滴管4、侧压管13和正压管14依次固定在三个管夹上；所述竖向安装杆下端固定设置在一个活动底座上。

这样，结构简单，方便滴管、侧压管和正压管的安装固定，以及方便上下和前后位置的调节固定，以满足试验要求。活动底座能够灵活移动位置，方便检测不同的测量点的流速大小。

具体试验时，可以以检测口中点为坐标原点建立坐标系，流速测量点布置，x方向以原点对称布置X个观测点，间距5cm，y方向以原点对称布置Y个观测点，z方向若h≤3cm,以中点作为观测点，若h>3cm,观测点间距为h/3，流线观察布置在导流槽(1-2)的导流区和观察区分界边，y方向以原点对称布置3个观测点，z方向若h≤3cm,以中点作为观测点，若h>3cm,观测点间距为h/3；可以更好地研究渗透作用对土体上方不同区域位置水流流速的影响。

其中，所述检测口上插接设置有对应的开合板17。这样试验时先装好检测容器，使其密封固定到检测口下方，然后再打开开合板，即可进行观察试验，试验完毕关闭开合板即可方便取下检测容器。

其中，检测容器下端底部设置有渗水孔，且渗水孔下方正对设置有量杯18。这样试验时，检测容器中的渗透水最终能够从渗水孔渗出到量杯中，使其内土体能够更好地模拟实际土体情况，保证试验结果精确。

其中，所述检测容器5内腔上端靠近开口位置具有一段砾石层安装腔，砾石层安装腔下方到检测容器内腔底部为试样土安装腔。这样试验时，试样土装填到试样土安装腔内，然后再安装一层砾石层，使得砾石层和上端水流接触，这样可以避免由于试样土直接被水流冲走或冲软而影响试验效果，更好地提高试验精度，并记录渗透量的变化结果来计算试样土的渗透系数变化。

其中，所述检测容器5的一侧竖向间隔设置有多个渗压计安装孔，另一侧竖向间隔设置有多个张力计安装孔，渗压计安装孔内可拆卸地安装有用于检测空隙水压力的渗压计，所述张力计安装孔内可拆卸地安装有用于检测土壤水张力的张力计；所述渗压计和张力计的数据线均连接到计算机(所述渗压计和张力计以及计算机图中均未显示)。

这样，试验时，可以依靠渗压计和张力计检测该位置的空隙水压力和土壤水张力大小，以检测和记录不同流速作用，在不同时间下，对不同渗透高度的土壤渗透效果。将径流流速和水深变化对土体渗透的影响规律数据化，提高试验实用性。且装置自身具有结构简单，试验方便，检测可靠等优点。

本实施方式中，还包括对盛装好待检测土体检测容器进行水饱和的步骤，所述水饱和的步骤采用检测容器饱和装置实现，所述检测容器饱和装置参见图2，包括一个固定底板19和一个固定顶板20，固定底板19上表面中部设置有和检测容器5下端面对应一致的检测容器端部固定区域，固定顶板20下表面中部设置有和检测容器上端面对应一致的检测容器端部固定区域，固定底板和固定顶板上各自位于检测容器端部固定区域的两侧位置竖向贯穿且正对设置有穿孔，还包括能够长度大于检测容器高度且两端能够对应贯穿固定底板和固定顶板上穿孔的固定螺杆21，固定螺杆21两端衔接有固定螺母；所述固定底板下端中部向外连通固定设置有一根进水管22，进水管22外端连接到一个水槽，固定底板上连接进水管位置和检测容器渗水孔位置对应一致，所述固定顶板上端中部向外连通固定设置有一根抽气管23，抽气管23外端和一个真空泵24相连。

这样，可以依靠本检测容器饱和装置对检测容器中填装好的土壤试样做饱和处理，使其能够做饱和土壤的入渗模拟实验。饱和处理时，先将固定顶板和固定底板压接在检测容器的上下两端，然后再采用固定螺杆连接并依靠固定螺母压紧；保持检测容器两侧的渗压计安装孔以及张力计安装孔为封堵密封状态；然后水槽内装满无气水。进水管位于水面下，开启真空泵，抽取检测容器中土壤内部空气，依靠大气压力，使得水槽内水逐渐进入到检测容器内并到达检测容器上方，使其内的土壤呈吸水饱和状态。即可用于饱和土壤的入渗模拟实验；检测饱和状态下土壤的入渗情况和数据。采用本检测容器饱和装置进行试样饱和处理，土壤是从下到上接受水的浸润并达到饱和，可以更加快速可靠地使试样达到饱和状态，且避免了采用浇淋的方式由于水流渗流对试样的影响。

本具体实施方式的坡面径流-土体渗透耦合测试方法，可以实现非饱和土体渗透作用试验以及饱和土体渗透作用试验。包括以下具体操作步骤。

1.实验准备阶段：获取土样并测定土样基本物理参数，其中需要测定的土样基本物理参数包括：干密度、孔隙率、初始含水量及颗粒级配；测定土样的水土饱和曲线(SWCC)；

2.装填土样及埋设传感器：首先清洁干燥检测容器，然后在检测容器中装填土样，每层松铺厚度为6cm左右，压实厚度为5cm左右，装填土样的同时安装渗压计以及张力计，注意保护渗压计以及张力计在压实时不受损；在试样土上均匀铺设厚度为H₁的砾石层；

3.土样饱和：(在进行非饱和土的渗透时则省略该步骤)试样土装填完毕后，检测容器依靠检测容器饱和装置进行真空饱和，真空饱和时依靠真空泵维持检测容器内真空状态，并待土样中液面缓慢上升至土样顶面以上3cm后，关闭所有接口，保持真空12h，得到饱和试样土；

4.形成稳定径流模式：定义径流模式(h_i，v_j)，其中h_i表示水深，v_j表示流速，下角标i,j表示水深和流速在每种径流模式中相对独立；这样一种径流模式包括径流的水深(h_i)和流速(v_j)，通过调节确定水压箱中水位H_j，水的位置势能转化为动能，通过纱网使流速方向确定从而达成稳定流，由此确定稳定的径流流速(v_j)，通过径流深度控制结构调节并确定径流径流的水深为(h_i)；

5.测定计算径流流速(v_j)；具体计算过程参见上述内容；

6.开始试验：当径流稳定后，开合板开启，开始径流作用下的一维入渗；通过检测容器两侧的观察壁以及摄像机，监测并记录渗流量变化情况；渗压计和张力计自动检测孔隙水压力和基质吸力；根据流线观测点分布，选取观测点通过滴管向水流输入稳定流量墨水，用摄像机记录每个观察点形成流线的状态；

其中，观测点可以采用以下方式确定：以土槽顶面中点为坐标原点建立坐标系，流速测量点布置，x方向以原点对称布置X个观测点，间距5cm，y方向以原点对称布置Y个观测点，z方向若h≤3cm,以中点作为观测点，若h>3cm,观测点间距为h/3，流线观察布置在导流槽(1-2)的导流区和观察区分界边，y方向以原点对称布置3个观测点，z方向若h≤3cm,以中点作为观测点，若h>3cm,观测点间距为h/3；

7.依据设定的径流模式，调整稳定径流水深(hi)和流速(vi)，重复过程；获得不同水深和流速情况下，对土壤渗透作用的影响情况；

8.计算机数据处理。具体为，(1)饱和土渗透实验：①渗透系数计算：根据各渗压计安装孔间距，可以得到水头差Δh₁～Δh₅，渗压计安装孔间距为L，单位时间(10s)的流量为Q，通过Darcy公式：

(其中K为渗透系数，A为土样的横截面积，ΔL为监测孔间距，Δh为监测孔的水头差)可以得到各个渗压计安装孔间渗透系数K的差距以及渗透系数随时间的变化，最终可以得到平均渗透系数K，调整不同模式径流(h_i，v_j)可得对应的(K_ij)；②绘制图表并获取到饱和渗透系数(K_ij)与径流模式(h_i，v_j)的关系：K_ij＝K_sF(h_i，v_j)，其中K_s为饱和渗透系数，F(h_i，v_j)为与径流模式有关的函数；

(2)非饱和土渗透实验：①含水量θ_ij及渗透系数K_ij计算：我们使用Van Genuchten和Mualem的模型:

其中：θ为含水量；θ_s为饱和含水量；θ_r为残余含水量；n和α为水土特征曲线的经验拟合参数；K_s为饱和渗透系数，K为渗透系数(包含饱和及非饱和过程)；

②绘制图表并获取到含水量θ_ij及渗透系数K_ij与径流模式(h_i，v_j)的关系及随时间的变化趋势。

故本试验中是，饱和工况下达西公式

确定渗透系数K，此时流槽(1-2)内流速u、水深h，则K＝K_sF(v，h)；非饱和工况，总结组合(h_i，v_j)下对应孔隙水压力、基质吸力(u_a-u_w)及含水量θ_w随时间变化过程。

综上所述，径流作用下饱和/非饱和土体一维渗流装置，为我们研究不同径流模式下，饱和土体的饱和渗透系数的变化趋势及流线状态和非饱和状态土体含水量与非饱和渗透系数随时间变化趋势及流线状态，提供了一种简易、方便且有效的方式。

Claims (6)

1.一种坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，将待检测土体盛装到一个侧壁具有透明材料的检测容器中，然后将检测容器连接到一个导流槽中部下方的开设的检测口上，在导流槽内形成连续水流，在检测容器上游的导流槽内连续地加入有色液体，并使有色液体进入水流呈线状；调节控制导流槽内水流的流速和水深变化，观察有色液体在导流槽中的流动情况，测量检测容器上方水流区域内不同位置的流速变化情况，记录渗透作用对水流的影响；同时观察有色液体渗透进入检测容器后的情况，记录不同流速和水深情况下，对应的渗透变化情况；

采用了以下的试验装置实现，所述试验装置包括一个导流槽，导流槽一端为用于进水的上游端且另一端为用于出水的下游端，导流槽上游端设置有一个水压箱，水压箱下端出水口正对导流槽上游端入口设置，导流槽中部设置有检测段，检测段上游位置竖向设置有滴管，检测段内还设置有流速测量系统，检测段的槽底设置有检测口，检测口下方设置有检测容器，检测容器内腔用于盛装待检测土体且检测容器上端口和检测口可拆卸地对接相连，检测容器具有透明材料制得的观察壁；还包括用于控制导流槽内流速的流速控制系统，以及用于控制导流槽内径流深度的径流深度控制结构；

所述径流深度控制结构包括位于导流槽下游端端口位置设置的一个下游水闸，下游水闸的闸门的伸缩控制机构位于下方且能够带动下游水闸的闸门向下缩回到导流槽槽底，还包括位于导流槽上端端口和水压箱下端出口之间的上游水闸，上游水闸的闸门的伸缩控制机构位于上方且能够带动上游水闸的闸门向上缩回；

所述流速测量系统包括上下连通且竖向设置的一根侧压管和一根正压管，侧压管和正压管顺水流方向正对且间隔设置，侧压管位于正压管上游端，正压管下端具有一段90度折向的折弯段且使得折弯段外端管口正对侧压管下端管口，侧压管和正压管均固定在一个安装支架上且使得正压管折弯段外端管口和侧压管下端管口均位于导流槽检测段内靠近槽底位置；侧压管和正压管均为透明材质制得且管壁沿竖向设置有刻度线；流速测量系统还包括一个镜头方向正对侧压管和正压管设置的摄像机，摄像机和计算机相连；

所述安装支架包括一根竖向安装杆，竖向安装杆上端依靠活动栓固定有一根横向安装杆，横向安装杆上依靠活动栓连接有三个沿相同一侧水平向外延伸的管夹，所述滴管、侧压管和正压管依次固定在三个管夹上；所述竖向安装杆下端固定设置在一个活动底座上；

本方法中，还包括对盛装好待检测土体检测容器进行水饱和的步骤，所述水饱和的步骤采用检测容器饱和装置实现，所述检测容器饱和装置包括一个固定底板和一个固定顶板，固定底板上表面中部设置有和检测容器下端面对应一致的检测容器端部固定区域，固定顶板下表面中部设置有和检测容器上端面对应一致的检测容器端部固定区域，固定底板和固定顶板上各自位于检测容器端部固定区域的两侧位置竖向贯穿且正对设置有穿孔，还包括长度大于检测容器高度且两端能够对应贯穿固定底板和固定顶板上穿孔的固定螺杆，固定螺杆两端衔接有固定螺母；所述固定底板下端中部向外连通固定设置有一根进水管，进水管外端连接到一个水槽，固定底板上连接进水管位置和检测容器渗水孔位置对应一致，所述固定顶板上端中部向外连通固定设置有一根抽气管，抽气管外端和一个真空泵相连。

2.如权利要求1所述的坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，所述流速控制系统包括一个供水箱，供水箱通过水泵和供水管与水压箱相连并供水，所述水泵和供水管供水能力能够大于水压箱出水能力，流速控制系统还包括一个控制水闸，控制水闸对应设置在水压箱侧壁的一个控制闸口上，控制水闸的闸门的伸缩控制机构位于下方且能够带动控制水闸的闸门向下缩回，使得控制水闸的闸门的上端面形成溢流水位控制线，控制水闸的闸门的上端固定连接有一个向外下方延伸的溢流槽，溢流槽外端正对设置在供水箱上端开口上方。

3.如权利要求2所述的坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，所述导流槽下游端出口下方设置有收集槽，收集槽通过回流管道和供水箱相连。

4.如权利要求1所述的坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，所述流速控制系统包括一个和水压箱间隔并列设置的蓄水箱，蓄水箱通过升降调节机构安装在一个水箱支架上，蓄水箱通过下方的管道和水压箱相连并构成连通器，蓄水箱内腔上部固定设置有进水管，进水管上安装有水位开关，进水管通过进水软管和水源相连；进水管进水能力能够大于水压箱出水能力。

5.如权利要求1所述的坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，所述导流槽检测段的侧壁为透明材料制得；

所述上游水闸前方的导流槽内竖向布置有60-100目纱网。

6.如权利要求1所述的坡面径流-土体渗透耦合测试方法，其特征在于，所述检测口上插接设置有对应的开合板；

检测容器下端底部设置有渗水孔，且渗水孔下方正对设置有量杯；

所述检测容器内腔上端靠近开口位置具有一段砾石层安装腔，砾石层安装腔下方到检测容器内腔底部为试样土安装腔；

所述检测容器的一侧竖向间隔设置有多个渗压计安装孔，另一侧竖向间隔设置有多个张力计安装孔，渗压计安装孔内可拆卸地安装有用于检测空隙水压力的渗压计，所述张力计安装孔内可拆卸地安装有用于检测土壤水张力的张力计；所述渗压计和张力计的数据线均连接到计算机。

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