[发明专利]一种土壤瞬时渗透特性测试仪及土壤渗透特性计算方法

权利要求书

1.一种土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：包括试样管(1)，所述试样管(1)下方通过底板(13)形成密封，所述底板(13)内开设至少一个排水口A(3)和排水口B(4)，所述排水口A(3)上方设有一层陶土板(5)，所述陶土板(5)外周设有透水孔(32)，所述透水孔(32)下方设置排水口B(4)；所述试样管(1)外周从上至下均匀布置至少五组采集传感器，每组采集传感器均包括含水率传感器、吸力传感器和水压传感器，且所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器沿圆周均匀布置；所述试样管(1)顶部通过法兰连接顶盖(7)，所述顶盖(7)设有对穿的进气口(8)和进水口(9)；

还包括支撑架(2)，所述支撑架(2)包括底座(21)、竖向立柱(22)、横梁(23)和水平放置支撑板(24)；所述底座(21)上设有定位盘(25)，通过定位盘(25)嵌入在底板(13)下方凹槽形成固定；

所述竖向立柱(22)之间通过横梁(23)连接，并在横梁(23)上固定轴向下压气缸(11)，所述轴向下压气缸(11)的活塞杆(12)下端与试样管(1)内的传压板(10)连接；所述轴向下压气缸(11)与活塞杆(12)之间设有荷载传感器(26)，并在荷载传感器(26)底部固定位移触板(27)，所述位移触板(27)上方的横梁(23)上固定位移传感器(28)，所述位移传感器(28)的探针与位移触板(27)接触。

2.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述活塞杆(12)外部套置活塞套(29)，活塞套(29)下方嵌入顶盖(7)内，所述活塞套(29)上方设有密封用压圈(30)和密封螺母(31)；所述活塞套(29)连段通过水平放置支撑板(24)与竖向立柱(22)连接。

3.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述传压板(10)底部设有透水板(35)。

4.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述试样管(1)为圆筒状有机玻璃管。

5.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述试样管(1)外设有若干道加强扎带(6)。

6.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述含水率传感器是MP406土壤水分传感器。

7.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述吸力传感器是TensiMark土壤水势温度传感器。

8.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述水压传感器为PWS弦式渗压计。

9.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器均通过传感器安装座(33)嵌入安装在试样管(1)侧壁，且在所述传感器安装座(33)内部空腔内搁置透水石(34)。

10.一种土壤渗透特性计算方法，其特征在于：包括以下步骤，

s1.假定，降雨发生时，雨水是从土柱顶部截面A往下流入到底部截面B，在t₁时刻，浸润峰运动至截面D处，而时间增加到t₂时刻，浸润峰又向下运动至截面E处；

s2.计算t₁到t₂时间段，流过截面C的水量；

Q_C＝ΔQ_C-B+Q_B (1-1)

式中：Q_C是流过传感器监测面C的流量，ΔQ_C-B是时间t₁到t₂时刻内试样C-B段水量的增加量，Q_B是t₁到t₂时刻内经底部截面B流出的水量；

s3.假定，试验从降雨开始，浸润峰刚好运动至底部截面B处，试验停止，即此时刚好没有水从底部流出时，认为Q_B＝0；则，

式中：Z_C，Z_B分别是C截面和B截面距离试样顶部的距离，A为试样的横截面积，θ(z，t)为沿试样渗流方向的体积含水率分布函数；

s4.假定土柱在Δt＝t₂-t₁时间段内，浸润峰从截面D到截面E运动了ΔZ＝Z₂-Z₁，并假定体积含水率在这时间段内，θ(z，t)为光滑的函数，

于是：

θ(z，t+Δt)＝θ(z-Δz，t) (1-3)

那么此时，

基于土柱试样渗透在Δt的时间段内，其体积含水率函数为光滑的函数的假定，便化简为：

同理有：

因为浸润峰未到土柱底部截向B，所以θ₀为土柱试样的初始体积含水率；

s5.根据s4，可得到，

s6.假定在时间段Δt内，非饱和土的渗透系数不发生改变，那么根据达西定律，有：

Q_c＝kiAΔt (1-8)

式中：k为非饱和土的渗透系数，i为水力梯度；

s7.基于在Δt时间段内体积含水率分布函数为光滑函数，同理假定，在Δt时间段内吸力分布函数ψ(z，t)也为光滑函数，则有：

ψ(z，t+Δt)＝ψ(z-Δz，t) (1-9)

式中：γ_w为水的重度，将式(1-7)、(1-10)代入式(1-8)，得到：