垂直土柱的入滲實(shí)驗(yàn)操作說明

1、. 一維垂直非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作說明西安理工大學(xué)水資源研究所西安碧水環(huán)境新技術(shù)有限公司1 試驗(yàn)原理做一個(gè)直徑為10cm的垂直土柱，長度為100cm左右，使密度均一，且有均勻的初始含水率。在土柱進(jìn)水端維持一個(gè)接近飽和的穩(wěn)定邊界含水率，并使水分在土柱中作垂直吸滲運(yùn)動(dòng)，作為一維垂直流動(dòng)其微分方程和定解條件為 (b)(c) 基本方程（1）可改寫為以為未知函數(shù)的方程式中，Z坐標(biāo)向下為正。垂直入滲的解取為級(jí)數(shù)形式，即= = （6）根據(jù)邊界條件（3）可知， i=1，2，3， （7）由初始條件（2）可以得到 （8）當(dāng)式（5）中的各項(xiàng)系數(shù)確定后，則可求得任一時(shí)刻T不同含水率在土壤剖面上的位置Z，亦即得

2、到垂直入滲的解?？捎纱ㄏ禂?shù)法求得，為此，可以將方程（5）的右端按分式求導(dǎo)展開，整理得， （9）式中，D，K及z分別為D（），K（）及的簡寫。對式（6）取，分別如下：式中 分別為的簡寫，將上式代入（9）中，并按t的次方合并同類項(xiàng)，則式（9）可表示為 （10）式中前四項(xiàng)的系數(shù)為式（10）右端恒為零，而t可以取任意數(shù)，因此，各項(xiàng)系數(shù)必然均為0，即Yi=0（i=1,2,）,由此條件可求得各項(xiàng)系數(shù)。2 儀器設(shè)備2.1 馬氏瓶：H1=70cm，D1=5.0cm；2.2 土桶：H277cm，D2=8.86cm，為便于觀測濕潤鋒，土桶利用有機(jī)玻璃制作；2.3 其它：沙網(wǎng)、秒表、尺子，橡膠軟管等。2.4 馬氏

3、瓶原理：如圖01中的所示.,即在封閉的馬氏瓶的管口上部設(shè)一進(jìn)水口，以便容易給馬氏瓶裝水，下端側(cè)壁上設(shè)一進(jìn)氣孔及閥門，以控制馬氏瓶內(nèi)的氣壓。當(dāng)馬氏瓶中的水與土柱水室中的水連通為一個(gè)供水系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)平衡后各點(diǎn)的壓力關(guān)系為：式中：Pa大氣壓（Pa/cm2）； Pc、Pbc、b位置高度的大氣壓值（Pa/cm2）； P1封閉容器內(nèi)上部的空氣壓力（Pa/cm2）； h1馬氏瓶容器內(nèi)b點(diǎn)以上的水柱高（cm）。 開始工作后，當(dāng)土桶中的水因入滲而有微小減低時(shí)，馬氏瓶中的水在勢能的作用下流向土桶，使土桶中的水穩(wěn)定在原來的位置，土桶中的水仍保持原來的水位。由于土桶中水的入滲，馬氏瓶中的水補(bǔ)充了土桶中的水，使馬氏瓶

4、中的水位下降，即引起了的減小， ，此時(shí)馬氏瓶內(nèi)的氣壓比大氣壓小，外界空氣將通過馬氏瓶側(cè)壁上的進(jìn)氣孔進(jìn)入馬氏瓶中使得增大，以達(dá)到新的平衡，當(dāng)土桶中的水連續(xù)向土柱入滲時(shí)，平衡過程就是上述的重復(fù)，這樣可以根據(jù)馬氏瓶的讀數(shù)測記出的值，即是垂直土柱的入滲水量。 試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置示意圖見圖01：圖01 垂直土柱入滲試驗(yàn)裝置示意圖3 試驗(yàn)準(zhǔn)備3.1 馬氏瓶的準(zhǔn)備 打開馬氏瓶的進(jìn)氣孔和進(jìn)水口，用漏斗向馬氏瓶內(nèi)裝水，直至馬氏瓶內(nèi)裝滿水，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)水口和進(jìn)氣孔，并且檢查它是否漏水，確保馬氏瓶不漏水。在調(diào)整馬氏瓶位置時(shí)要使馬氏瓶的進(jìn)氣孔與土桶中設(shè)計(jì)好的的水面相平齊，以保證零水頭供水，馬氏瓶可以較準(zhǔn)確的測出土體的入滲水

5、量。3.2 土樣的填裝為了保證土柱初始含水率均勻和密度均一，擾動(dòng)土樣要經(jīng)過風(fēng)干、破碎和過篩（孔徑2mm）。在準(zhǔn)備好土樣后，要先測定土的初始含水率（若實(shí)驗(yàn)要求按一定的含水率裝土，則須先對土樣進(jìn)行制備）。然后按照一定的容重和初始含水率分層填裝土樣（要求按照合理的含水率和容重計(jì)算每層所要填裝的土量）。開始裝土?xí)r首先要稱取該層所要填土的重量，每層裝入土后都要先整平，然后用擊石器擊實(shí)，使得裝入的土與該層事先標(biāo)定好的線相平齊，然后用適當(dāng)?shù)墓ぞ邟伱ㄒ员ＷC土體密度的均一性），然后進(jìn)行下一層土的填裝，裝土?xí)r須保證層與層之間的良好接觸，不能出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。3.3 系統(tǒng)連接土樣填裝完畢后，在土樣的上部放置一石

6、棉網(wǎng)或者定性濾紙，以防止裝水時(shí)，水沖刷土樣表面。然后用橡膠軟管將馬氏瓶的出水口與土桶進(jìn)水口相連。實(shí)驗(yàn)要求整個(gè)系統(tǒng)密封性能良好，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，一定要檢查整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。4 試驗(yàn)步驟4.1 安裝供水裝置為了使土柱進(jìn)水端的水位保持不變，進(jìn)水端采用馬氏瓶供水裝置，即圖中，該裝置能自動(dòng)補(bǔ)水，使水位保持不變（基本穩(wěn)定在馬氏瓶進(jìn)氣口的位置處），同時(shí)可以測出補(bǔ)水量。土桶中的水在開始試驗(yàn)時(shí)，通過其它向土桶中供水，水的體積可根據(jù)土桶的直徑與事先設(shè)計(jì)好的水的高度提前算出，從而可定量加入所需的水量。安裝馬氏瓶時(shí)須將馬氏瓶進(jìn)氣口與土桶中水面上邊緣相平齊。 4.2 檢查試驗(yàn)裝置并打開各個(gè)閥門將馬氏瓶出水口與土柱進(jìn)水口用橡膠

7、軟管相連接，并保證不漏水。土桶所加的水量要高于土桶進(jìn)水口，給土桶加水時(shí)，同時(shí)打開馬氏瓶的出水口的閥門及馬氏瓶進(jìn)氣口的閥門, 此時(shí)馬氏瓶的進(jìn)水口的閥門也是關(guān)閉的，同時(shí)啟動(dòng)秒表記錄試驗(yàn)開始的時(shí)間，4.3 觀測、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)等到土桶中裝完水后，記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間，相應(yīng)的讀取馬氏瓶中的初始水位讀數(shù)，即開始記錄數(shù)據(jù)，此實(shí)驗(yàn)中一般每隔30分鐘讀取一次馬氏瓶的水位和土柱濕潤鋒的值，并且記錄相應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間。待土柱中的濕潤鋒到達(dá)整個(gè)土柱的2/34/5時(shí)，關(guān)閉閥門，停止計(jì)時(shí)并讀取馬氏瓶中的水位，試驗(yàn)供水結(jié)束。4.4 資料整理 試驗(yàn)停止供水，量測馬氏瓶中放出的水量，將土桶中剩余水量放出，并用量杯計(jì)量，以確定它與開始裝

8、入中的水量是否相同，如水量減少，則說明土桶中的水量也有一部分進(jìn)入了土柱入滲，土柱的入滲水量是馬氏瓶所供水量與所少水量之和。此時(shí)從濕潤鋒附近開始迅速取土（取土孔的位置是事先標(biāo)定過的），測出土柱的含水率分布。5 試驗(yàn)應(yīng)注意的問題（1）選擇試驗(yàn)土樣時(shí)，一般認(rèn)為偏壤性的土壤用來試驗(yàn)效果較好。（2）裝土?xí)r，試樣干容重的選取必須符合實(shí)際，并且在裝土?xí)r保證層與層之間的良好接觸，否則在入滲時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響最終的試驗(yàn)結(jié)果。（3）安裝土柱時(shí)，要在土柱與水室的螺絲處涂抹凡士林，保證整個(gè)土桶不漏水。（4）試驗(yàn)開始供水時(shí)，利用其它供水裝置向水室提供定量的水量，以保證馬氏瓶中的水量全部用來土柱的垂直入滲，否則試驗(yàn)過程中馬氏瓶中的水量可能不夠用，最終造