一种膨胀性土壤饱和导水系数的测定系统和方法

摘要

本发明涉及一种膨胀性土壤饱和导水系数的测定系统和方法，包括：马氏瓶下端出口处通过导水管与有机玻璃土柱的底部连接，土柱中填入吸水后能够自由膨胀的风干土样，有机玻璃土柱顶部通过导水管与带有刻度的量筒连接，以及记录时间的秒表，有机玻璃土柱为多个不同高度的有机玻璃土柱，每个有机玻璃土柱中的土样用不同土质的土样分层填充，形成多个土层。本发明根据膨胀性土壤饱和导水系数随土壤厚度的增大而变化的原理，选择一系列不同高度的有机玻璃土柱，装填不同厚度的土壤样品，逐个进行水量饱和的测定，通过对各个有机玻璃土柱所测定的出水量及出流时间等参数的计算，最终精确的计算确定膨胀性土壤剖面不同深度处的饱和导水系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种膨胀性土壤饱和导水系数的测定系统和方法，是一种实验系统和方法，是一种水文实验系统和方法。

背景技术

土壤饱和导水系数是指当土壤被水分充分饱和后，在单位水头作用下单位时间单位面积上渗透的水量。土壤饱和导水系数是土壤重要的物理性质之一，反映了土壤的入渗和渗漏性能，与土壤孔隙度、土壤质地、土壤膨胀性等有关。它是计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要参数，也是水文模型中的重要参数。它的准确与否严重影响着模型的精度。当前，非膨胀性土壤饱和导水系数测定方法已经成熟，测定的方法有定水头法和变水头法等。但是，非膨胀土壤饱和导水系数测定方法均很难满足对膨胀性土壤饱和导水系数的准确测定。受土壤膨胀力、土体自身重力及上层土壤对下层土壤压力的影响，膨胀性土壤导水系数随土壤厚度的增大而变化。土壤膨胀变形主要受土壤膨胀力和自重应力影响，导致土壤饱和导水系数随土壤深度的变化而变形。测定不同深度每一点处导水系数费时费力，也很难办到。当前，膨胀性土壤厚度对饱和导水系数影响效应研究还处于探索期，相关测定系统和方法尚未报道。因此，需要研制一种膨胀性土壤饱和导水系数测定系统和方法，以便准确确定膨胀性土壤在不同深度处的饱和导水系数。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种膨胀性土壤饱和导水系数的测定系统和方法。所述的系统和方法通过土壤分层的方式，分别对多个不同厚度的土壤土样进行土壤饱和测试，通过测定得到的一系列不同厚度土壤的饱和导水系数，能够较准确地确定膨胀性土壤剖面不同深度处饱和导水系数。

本发明的目的是这样实现的：一种膨胀性土壤饱和导水系数的测定系统，包括：马氏瓶，所述的马氏瓶下端出口处通过导水管与便于更换的有机玻璃土柱的底部连接，所述的有机玻璃土柱中装填吸水后能够自由膨胀变形的土样，所述的有机玻璃土柱顶部通过导水管与带有刻度的量筒连接，以及记录时间的秒表，所述的有机玻璃土柱为多个不同高度的有机玻璃土柱，每个有机玻璃土柱中的土样厚度不同。

一种使用上述系统的膨胀性土壤饱和导水系数的测定方法，假设需要确定厚度为L的膨胀性土壤不同深度的导水系数，方法包括如下步骤：

制作有机玻璃土柱的步骤：用于制作多个有机玻璃土柱，制作过程如下：将厚度为L的土样分为m层，第j层（j=1，2，……，m）土样的厚度为l_j；

在每个有机玻璃土柱中装填土样：根据土层的厚度l_j（j=1，2，……，m）选择制作一系列不同厚度的土样，分别填入相应不同高度的有机玻璃土柱中，并从最短有机玻璃土柱开始编制有机玻璃土柱编号为i=1，2，……，m，其中：第i个有机玻璃土柱中土样厚度为L_i：

；

使土样饱和的步骤：取第j个土样厚度为L_j的有机玻璃土柱与马氏瓶和导水管连接；

调控马氏瓶向有机玻璃土柱中的土样缓慢供水，使机玻璃土柱中的土样从下向上逐渐达到饱和，土样吸水自由膨胀，待土壤膨胀变形稳定后进入下一步骤；

测试并记录参数的步骤：当土样饱和且土样膨胀量达到最大值后开始用秒表记录观测时间，用量筒测定对应时间的土样出渗水量；记录各项试验参数：横截面积A_j、水头高差Dh_j、出流时间Dt_j、出流量Q_j；

计算的步骤：通过公式：

K_e，j为利用编号为j的有机玻璃土柱进行测定土样厚度为L_j（l₁+l₂+…+>_j）时的有效导水系数；

计算第j层（j=2，…，m）土样的土壤饱和导水系数：

从编号为1的有机玻璃土柱开始重复“使有机玻璃土柱饱和的步骤”至“计算的步骤”，直到编号为m的有机玻璃土柱，完成各层土样的土壤饱和导水系数的计算。

本发明产生的有益效果是：本发明根据膨胀性土壤饱和导水系数随土壤厚度的增大而变化的特性，根据试验目的和要求，选择一系列不同高度的有机玻璃土柱，装填不同厚度的土壤样品，逐个进行水量饱和的测定，通过对各个有机玻璃土柱所测定的出水量及出流时间等参数的计算，最终精确的计算确定一定厚度膨胀性土壤剖面不同深度处的饱和导水系数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述测定系统的结构示意图，土样的厚度为L₁=l₁；

图2是本发明的实施例一所述测定系统的结构示意图，土样的厚度为L₂=l₁+l₂；

图3是本发明的实施例一所述测定系统的结构示意图，土样的厚度为L₃=l₁+l₂+l₃。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种膨胀性土壤饱和导水系数的测定系统，如图1~3所示。本实施例包括：马氏瓶1，所述的马氏瓶下端出口处通过导水管与便于更换的有机玻璃土柱2的底部连接，所述的有机玻璃土柱中装填吸水后能够自由膨胀变形的土样201，土样可以采用室内扰动土，也可以采用野外原状土，所述的有机玻璃土柱顶部通过导水管与带有刻度的量筒3连接，以及记录时间的秒表，所述的有机玻璃土柱为多个不同高度的有机玻璃土柱，每个有机玻璃土柱中装填对应厚度的土壤，每个有机玻璃土柱中的土样厚度不同。

本实施例所述马氏瓶出口处通过所述导水管连接到所述有机玻璃土柱底部，向所述有机玻璃土柱中的土样缓慢供水，使其从下向上逐渐达到饱和。所述有机玻璃土柱顶部连接所述导水管，所述导水管出口正下方放一所述量筒。当所述有机玻璃土柱中的土样由下到上全部达到饱和后，水分就会从所述有机玻璃土柱的上方渗出，通过所述导水管将渗出土样的水导入所述量筒。通过所述秒表计算一定时段内从土样中渗出流入到量筒中的水量。膨胀性土壤饱和导水系数随土壤厚度的增大而变化，根据试验目的和要求，选择一系列不同高度的所述有机玻璃土柱，装填不同厚度的土壤样品，逐个进行试验，通过一定方法最终计算确定膨胀性土壤剖面不同深度处的饱和导水系数。

根据试验目的和要求，设计m个不同高度的所述有机玻璃土柱，让其高度略高于装填土壤厚度（防止因土壤膨胀而致土壤溢出土柱），根据装填土壤厚度由小到大、从1~>对所述有机玻璃土柱进行编号。将土壤装入所述有机玻璃土柱，设编号i的所述有机玻璃土柱中土壤厚度为L_i（i=1，2……，m）；

从编号1的所述有机玻璃土柱开始试验。所述马氏瓶出口处通过所述导水管与所述有机玻璃土柱的底部相连接，向所述有机玻璃土柱中的风干土壤缓慢供水，使土样从下向上逐渐达到饱和，土样自由膨胀。从有机玻璃土柱顶端连接的导水管出口正下方放一所述量筒。当所述有机玻璃土柱中的土样从下到上全部达到饱和时，水分就会从土样中渗出，通过所述导水管流入所述量筒中。当土壤吸水膨胀变形稳定后，开始实验，使用秒表记录时间，使用量筒记录渗出水量等。

按照上述操作过程，依次对编号2~m个所述有机玻璃土柱进行试验，做好每次试验的数据记录工作，包括土壤的厚度（在此等于所述有机玻璃土柱内土体的膨胀量达到最大值后的土壤厚度）L、土壤横截面积A、水头高差Dh、一定时段Dt内渗出土壤的水量Q。

本实施例管路连接十分简单，关键在于多层土壤的填充。有机玻璃土柱是由圆筒形的有机玻璃壳和两端的端盖构成。有机玻璃壳可以使用圆筒的有机玻璃圆筒型材，两端的端盖也可以是有机玻璃的。端盖将圆筒两端封闭，端盖上设置连通管路的通孔。

有机玻璃土柱的高度与内部填充的土样厚度有关，土样厚度越厚，有机玻璃土柱的高度越高。

为精确的获得各个深度的土壤饱和导水系数，需要设置多个不同高度的有机玻璃土柱，并从低到高对有机玻璃土柱开始编号，形成一系列不同高度的有机玻璃土柱。

如图1~3所示，为3个有机玻璃土柱。编号分别为1、2、3：

图1中的有机玻璃土柱填充了土壤厚度为l₁的膨胀性土样，形成了编号为1的有机玻璃土柱。

图2中的有机玻璃土柱填充了土壤厚度为L₂=l₁+l₂的膨胀性土样，形成了编号为2的有机玻璃土柱。

图3中的有机玻璃土柱填充了土壤厚度为L₃=l₁+l₂+l₃的膨胀性土样，形成了编号为3的有机玻璃土柱。

实施例二：

本实施例是一种使用上所系统的膨胀性土壤饱和导水系数的测定方法，其原理是：

对于饱和土壤样品，若以固定水头给其供水，则水流稳定后，根据达西定律可知：

（1）

（2）

式中，q为水流通量，cm/s；K_s为土壤饱和导水系数，cm/s；Dt为出流时间，s；Q为出流量，cm³；A为土壤横截面积，cm²；Dh为水头高差，cm；L为土壤厚度，cm。

联立式（1）和（2）可得：

（3）

由公式（3）计算得到厚度为L的土壤的饱和导水系数K_s，也就是厚度为L的土壤的有效导水系数K_e，即：

（4）

对于膨胀性土壤来说，其饱和导水系数随土壤厚度的增大而变化。厚度为L_i的土壤，整个土层达到饱和时的有效导水系数为K_e。若将该土壤分为n层，则第j层（j=>n）土层的饱和导水系数K_j与K_e存在如下关系（假设j层土壤厚度很小，j层内土壤膨胀量相同，导水系数不随深度变化）：

（5）

当整体土壤厚度很小时，上层土壤对下层土壤的压力和土体自身重力均很小，土壤在膨胀力的作用下可以自由膨胀，土壤膨胀量可以达到最大值，此时，可将整层土壤看作一层，则：

（6）

当整层土壤厚度较大时，需要将整层土壤进一步细分为厚度为L_i的j（i=2，3，……，n）层土壤，当L_j足够小时，可以将L_j层内的土体看作均质层（土层内土壤饱和导水系数不随深度变化而变化）。

那么，利用公式（4）~（6），基于上述测定系统，通过下述测定方法可以实现对膨胀性土壤剖面不同深度处的土壤饱和导水系数准确测定。步骤如下：

1）将厚度为L的土壤分为n层，令第j层（j=1，2，……，n）土壤的厚度为l_j（注意：各分层土壤厚度要足够小）；

2）根据土层的厚度和分层数，确定所述有机玻璃土柱的个数m，制作m个不同厚度的土样。对一系列所述有机玻璃土柱从1~>进行编号，设编号i的所述有机玻璃土柱中的土壤厚度为L_i（i=1，2，……，m）：

（7）

3）利用编号1的所述有机玻璃土柱进行试验，土层厚度为L₁=l₁。测定土壤的横截面积A₁、水头高差Dh₁、出流时间、出流量Q₁。利用公式（4）计算土层厚度为L₁（l₁）时的土壤有效导水系数K_e,1。由于编号为1的土柱内土层总厚度较小，可以将整层土壤看作一层，则其导水系数=K_e,1。

4）编号2所述有机玻璃土柱，土层厚度为L₂=l₁+l₂。测定土壤的横截面积A₂、水头高差Dh₂、出流时间、出流量Q₂。利用公式（4）计算L₂=（l₁+l₂）的土壤有效导水系数K_e,2。进一步结合计算得到的第1层土壤的导水系数为，利用公式（5）计算得到。

5）重复上述步骤，则对于原m层土壤，得到第1、2、……、m-1层土壤的导水系数、、K_(m-1)，便可得到K_m。

本实施例进行检测试验的过程是：首先通过马氏瓶向有机玻璃土柱中的土样缓慢供水，使其从下向上逐渐达到饱和，土壤吸水自由膨胀。当有机玻璃土柱中的土样全部达到饱和后，水分就会从有机玻璃土柱的上方渗出，通过导水管将渗出土样的水量导入量筒。当土壤饱和且土壤膨胀量达到最大值（即：变形稳定）后开始试验，用秒表记录观测时间，用量筒测定对应时间出水量。充分考虑膨胀性土壤饱和导水系数随土壤厚度的增大而变化，在此测定系统中需要根据土壤的厚度和分层情况，设置一系列不同高度的有机玻璃土柱，逐个进行重复试验测定计算。

本实施例中，测定厚度为l、层数为m的土壤，其在第1~m层中各层的导水系数（图1、2、3分别是以m=1、m=2、m=3作为示意）。测定过程的计算如下：

1）将厚度为l的土壤分为m层，第j层（j=1，2，……，m）土壤的厚度为l_j；

2）根据土层的厚度l_j（j=1，2……，m）选择制作一系列不同厚度的土样，填入相应高度的有机玻璃土柱中。设编号为i的有机玻璃土柱中土壤厚度为L_i（i=1，2，……，m）：

（7）

在每个有机玻璃土柱中按一定容重装填土壤，逐一对各个有机玻璃土柱展开测试。

3）首先对编号1的有机玻璃土柱进行试验，土层厚度为L₁=l₁。测定土壤的横截面积A₁、水头高差Dh₁、出流时间、出流量Q₁。可得到土层厚度为L₁（l₁）时的土壤有效导水系数K_e,1：

（8）

此土层土壤厚度足够小，将其看作一层土层，导水系数=K_e,1。

4）对编号2有机玻璃土柱进行试验，土层厚度为L₂=l₁+l₂。测定土壤的横截面积A₂、水头高差Dh₂、出流时间、出流量Q₂。可得到土层厚度为L₂（l₁+l₂）时的土壤有效导水系数K_e,2：

（9）

结合公式（6）~（8），可得：

（10）

此时，、L₂、l₁、l₂、已知，可求得：

（11）

则对于原m层土壤来说，测定其第1、2层土壤的导水率、；

5）按步骤3）和步骤4）依次对编号为3~n（n=m）的有机玻璃土柱进行试验测定。对于原m层土壤来说，其第j层（j=2，……，m）土壤的导水率为：

（j=2，……，m）（12）

式中，为土壤厚度为（l₁+l₂+…+>_j）时的有效导水系数，利用编号为j的有机玻璃土柱进行测定。

（13）

综上所述，对于原m层土壤来说，可测定计算得到其第j层土壤的导水率（j=1，2，……，m）。

本实施例所述的方法的具体步骤如下：

制作有机玻璃土柱的步骤：用于制作多个有机玻璃土柱，制作过程如下：

将厚度为l的土样分为m层，第j层（j=1，2，……，m）土样的厚度为l_j。m大小由膨胀性土壤物理性质决定，一般变形较大的土壤分层较多，变形较小的分层较少，但分层越多，测定更准确。

在每个有机玻璃土柱中装填土样：根据土层的厚度l_j选择制作一系列不同厚度的土样，分别填入相应不同高度的有机玻璃土柱中，并从最短有机玻璃土柱开始编号，为i=1，2，……，m，其中：第i个有机玻璃土柱中土样厚度为L_i：

；

使土样饱和的步骤：取第j个土样厚度为L_j的有机玻璃土柱与马氏瓶和导水管连接。

调控马氏瓶向有机玻璃土柱中的土样缓慢供水，使机玻璃土柱中的土样从下向上逐渐达到饱和，土样吸水自由膨胀，待土壤膨胀变形稳定后进入下一步骤。

测试并记录参数的步骤：当土样饱和且土样膨胀量达到最大值后开始用秒表记录观测时间，用量筒测定对应时间的土样出渗水量；记录各项试验参数：横截面积A_j、水头高差Dh_j、出流时间Dt_j、出流量Q_j；

计算的步骤：通过公式：

>_e，j为利用编号为j的有机玻璃土柱进行测定土样厚度为L_j（l₁+l₂+…+>_j）时的有效导水系数。

计算第j层（j=2，…，m）土样的土壤饱和导水系数：

。

从编号为1的有机玻璃土柱开始重复“使有机玻璃土柱饱和的步骤”至“计算的步骤”，直到编号为m的有机玻璃土柱，完成各层土样的土壤饱和导水系数的计算。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如系统所使用的测量器具、各个器具之间的连接方式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

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