融雪入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法
【專利摘要】融雪入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法，模擬系統(tǒng)包括底部構(gòu)件、連接在底部構(gòu)件上的一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件以及土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件頂部的融雪入滲模擬裝置；模擬系統(tǒng)裝土構(gòu)件為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件且由計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，并且基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四種形態(tài)的待融雪源融雪入滲系數(shù)和非飽和滲透系數(shù)的測(cè)定，測(cè)定時(shí)采用大直徑的原狀土柱進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并給出了測(cè)試步驟及計(jì)算方法；融雪入滲模擬裝置通過(guò)調(diào)溫元件和冷熱一體金屬元件實(shí)現(xiàn)融雪低溫入滲模擬過(guò)程；具有實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，便于推廣使用的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
融雪入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于非飽和土技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種融雪入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系 數(shù)測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 降水主要是指降雨和降雪，水分以各種形式從大氣到達(dá)地面，其它形式的降水還 包括露、霜、雹等。降水是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是人類用水的基本來(lái)源。降水資料是分析 合理洪枯水情、流域旱情的基礎(chǔ)，也是水資源的開(kāi)發(fā)利用如防洪、發(fā)電、灌溉等的規(guī)劃設(shè)計(jì) 與管理運(yùn)用的基礎(chǔ)。降水入滲補(bǔ)給地下水的過(guò)程是大氣水到土壤水到地下水"三水"相互轉(zhuǎn) 換關(guān)系中最基本的環(huán)節(jié)之一，降水入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給量即為降水補(bǔ)給量，它是地下水的 主要補(bǔ)給方式，同時(shí)，也是區(qū)域水均衡計(jì)算中的一個(gè)重要均衡要素。
[0003] 土柱實(shí)驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、土木和環(huán)境等研究領(lǐng)域。應(yīng)用土柱實(shí)驗(yàn) 可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬土壤水分和污染物迀移規(guī)律。土柱通常分為原狀土柱和擾動(dòng)土柱兩 種。原狀土柱能夠用來(lái)測(cè)試土體本身的結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)；當(dāng)前土柱實(shí)驗(yàn)一般采用擾動(dòng)土 柱，擾動(dòng)土柱是經(jīng)過(guò)篩分形成，或者按照一定比例混合填裝所形成的，其不能用來(lái)測(cè)試土體 本身的結(jié)構(gòu)特性。不管采用哪種土柱進(jìn)行試驗(yàn)，都存在以下問(wèn)題:①土柱實(shí)驗(yàn)裝土構(gòu)件單節(jié) 長(zhǎng)度大，便捷性差，以至于土柱安裝困難，對(duì)儀器的清洗造成不便;②監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝繁瑣，需 要對(duì)土柱進(jìn)行鉆孔，破壞其結(jié)構(gòu)性;③監(jiān)測(cè)設(shè)備一般為人工觀測(cè)，使得實(shí)驗(yàn)精度低、人為性 強(qiáng)。
[0004] 非飽和滲透系數(shù)與含水量或基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系是描述非飽和土壤中水分運(yùn)移和溶質(zhì) 輸送的重要函數(shù)關(guān)系之一，是分析降水條件下土坡穩(wěn)定性、固體廢物填埋場(chǎng)、地下污水的迀 移和填土工程等問(wèn)題的重要參數(shù)。由于在非飽和土中有基質(zhì)吸力的存在，不能用常規(guī)的飽 和滲透實(shí)驗(yàn)方法確定其滲透系數(shù)，使得非飽和土滲透系數(shù)的確定具有較大的難度。非飽和 滲透系數(shù)的測(cè)定既可在實(shí)驗(yàn)室，也可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可在設(shè)定的水力邊界 條件下測(cè)試原狀試樣和重塑試樣的非飽和滲透性能，同時(shí)與原位實(shí)測(cè)相比，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)周期 短、經(jīng)濟(jì)且更成熟。但通常由于非飽和土的成分、結(jié)構(gòu)以及賦存環(huán)境的差異，導(dǎo)致了室內(nèi)實(shí) 驗(yàn)所用小試件難以代表真正土體的實(shí)際情況。
[0005] 冬季的降雪在地面形成一定厚度的積雪層。積雪融化后形成的淡水是春季非常緊 要的水資源，對(duì)人們的生活、耕種具有極其重要的意義。然而，隨著春季到來(lái)，積雪開(kāi)始大面 積融化，形成融雪徑流，甚至個(gè)別年份的冰雪融水徑流量很大，引發(fā)較大洪水，影響著人們 的平日的生活和生命財(cái)產(chǎn)安全。掌握氣象變化在其春季冰雪融雪洪水變化中的影響機(jī)制， 了解冰雪融水在入滲方面的變化，改進(jìn)和完善冰雪融水入滲計(jì)算方法，提高春季冰雪融水 再分配的計(jì)算方法，提高春季積雪的消融對(duì)高寒積雪區(qū)土壤墑情影響方面的分析能力，對(duì) 提高農(nóng)田的春耕生產(chǎn)的保墑，以及合理灌溉具有重要的意義。根據(jù)己往的研究資料及文獻(xiàn) 可以看出，雖然國(guó)內(nèi)外早己對(duì)土壤水的入滲現(xiàn)象及相關(guān)規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)與探究，但是關(guān)于寒 區(qū)的融雪入滲相關(guān)方面的研究還相對(duì)較少。在融雪入滲的進(jìn)程中，白晝溫度升高，此時(shí)積雪 開(kāi)始融化成液體，隨著入滲階段的不斷深入，融雪水開(kāi)始持續(xù)向土壤中入滲，而當(dāng)夜間氣溫 低于融點(diǎn)時(shí)，融雪水轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)，由此延緩了融雪水的入滲，從而使得對(duì)融雪入滲的過(guò) 程及規(guī)律的研究變得極其繁雜。此外，地形、地勢(shì)、太陽(yáng)輻射、植被、海拔、土壤等要素使得對(duì) 融雪入滲過(guò)程及規(guī)律的研究變得更加繁雜，這是寒區(qū)融雪水文過(guò)程有別于其他非寒區(qū)融雪 入滲過(guò)程的一大特色。對(duì)寒區(qū)融雪入滲的探究可以豐富寒區(qū)水文的研究，從而為以后的相 關(guān)研究提供研究思路及相關(guān)資料。
[0006] CN103344538A公開(kāi)了 一種非飽和土多功能滲透儀及其測(cè)試方法，其補(bǔ)水裝置為馬 氏瓶，所述馬氏瓶包括上下部均密封的補(bǔ)水瓶和由上至下豎向插入補(bǔ)水瓶?jī)?nèi)的導(dǎo)管，所述 補(bǔ)水瓶的上部側(cè)壁上開(kāi)有進(jìn)水口，補(bǔ)水瓶的底部側(cè)壁上開(kāi)有排氣口和供水口，本專利只能 進(jìn)行簡(jiǎn)單的降水滲透模擬，對(duì)于更為復(fù)雜的融雪模擬該專利不能實(shí)現(xiàn)也沒(méi)有給出這樣的啟 不。
[0007] CN105181531A公開(kāi)了一種黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)及特征參數(shù)測(cè)定方法， 其降雨模擬系統(tǒng)包括嵌入安裝在室內(nèi)模擬系統(tǒng)箱體頂部的降雨槽和設(shè)置在降雨槽底部的 圓形降雨孔，所述降雨槽的頂部設(shè)置有降雨槽內(nèi)壓力控制管和與外部水源連接的進(jìn)水管， 所述進(jìn)水管上設(shè)置有進(jìn)水電磁閥、進(jìn)水水栗和用于對(duì)降雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的第一流量傳感 器，所述降雨槽內(nèi)壓力控制管上設(shè)置有壓力控制電磁閥和壓力傳感器，所述降雨槽內(nèi)壓力 控制管的端部連接有空氣壓縮機(jī)，所述降雨槽的頂部?jī)?nèi)壁上設(shè)置有用于對(duì)降雨槽的水位進(jìn) 行實(shí)時(shí)檢測(cè)的水位傳感器，所述降雨孔的直徑為〇.5_~1mm;本專利也只能進(jìn)行降水滲透 模擬，對(duì)于融雪情況下的模擬本專利也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
[0008] CN103604734A公開(kāi)了一種雨強(qiáng)可控的非飽和土雨水入滲模擬系統(tǒng)，其雨強(qiáng)可控實(shí) 現(xiàn)的設(shè)備是這樣的：所述的供水水箱中設(shè)置有供水水栗，供水水栗用供水水管連接溢流水 箱，所述的溢流水箱用溢流水管連接供水水箱，在溢流水箱底部還連接有一個(gè)雨滴發(fā)生器， 所述的雨滴發(fā)生器包括若干個(gè)與溢流水箱底部連通的導(dǎo)管，所述的導(dǎo)管上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥， 導(dǎo)管的頂端設(shè)置有針頭，針頭固定在固定板上，固定板的下表面還設(shè)置有一個(gè)漏斗，所述的 漏斗的出料口位于模型箱頂部的開(kāi)口上方，本專利也只能實(shí)現(xiàn)降雨時(shí)的雨強(qiáng)可控滲透模 擬，對(duì)于融雪情況下的模擬本專利也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種融雪入滲模擬系統(tǒng)及 非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法，基于大直徑的原狀土柱進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用融雪入滲模擬系統(tǒng)， 能夠?qū)崿F(xiàn)整冰塊型待融雪源、粒徑為0.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑為小于0.5cm的 冰粉型待融雪源、以及由不同粒徑組合而成的混合型待融雪源的消融入滲模擬過(guò)程;模擬 系統(tǒng)裝土構(gòu)件為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件且由計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，并且基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非飽和滲透系 數(shù)的測(cè)定，并給出了測(cè)試步驟及計(jì)算方法，具有實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，便于推廣使用的特 點(diǎn)。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0011] 融雪入滲模擬系統(tǒng)，包括底部構(gòu)件（1)、連接在底部構(gòu)件（1)上的一個(gè)或多個(gè)串聯(lián) 的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)以及土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)頂部的融雪入滲模擬裝置(8);
[0012] 所述的底部構(gòu)件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水點(diǎn)通過(guò)塑 料軟管(2)接入出滲量量杯(3 )，塑料軟管(2)上設(shè)置有第三流量傳感器(3-1 )，第三流量傳 感器(3-1)接入計(jì)算機(jī)(7);底座（1-1)的上方設(shè)置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的上部設(shè)置 有高進(jìn)氣值陶土板(1-3)，高進(jìn)氣值陶土板(1-3)的四周邊沿均與底部構(gòu)件（1)管件（1-7)的 內(nèi)壁水平緊貼，高進(jìn)氣值陶土板(1-3)的頂部設(shè)置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上表面與原狀 土樣（12)接觸;管件（1-7)的頂端設(shè)置有外螺紋連接段（1-6)，外螺紋連接段（1-6)通過(guò)法蘭 (6)與土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連接；
[0013] 所述土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)由兩個(gè)相同的半圓柱體經(jīng)卡箍(4-30)通過(guò)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)構(gòu)件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個(gè)圓柱體，土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的管壁 (4-1)上設(shè)置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個(gè)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)構(gòu)件(4)通過(guò)法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進(jìn)行連接;插入件(5)通過(guò)橡膠塞(5-7)插入原狀土樣（12)內(nèi)，插入件(5)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，土壤 熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內(nèi)；土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7) 內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)上固定有多個(gè)測(cè)壓 管(4-9)，多個(gè)測(cè)壓管(4-9)的每個(gè)入水口經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣(12)內(nèi)；所述的插 入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)在土柱上按照同一列布置， 測(cè)壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0014]所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力柱主體（1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱豎向投影 按照"一個(gè)圓心+以底座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱主體（1-21)長(zhǎng)度不同使得底座(1 -1)呈現(xiàn)坡度；
[0015]所述的土柱底部構(gòu)件（1)、土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)及圓柱構(gòu)件（10)均由耐高溫玻璃 鋼制成；
[0016] 所述的插入件(5)的最前端設(shè)置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內(nèi)部管道的轉(zhuǎn)角處 設(shè)置有橡膠墊片(5-1)，內(nèi)部管道中設(shè)置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫濕度傳感器探 頭(4-5)或冷熱一體金屬元件(4-6)，彈出件(5-2)后端與導(dǎo)線(9)進(jìn)行連接，彈出件(5-2)的 尾部套設(shè)有輕質(zhì)彈簧(5-4)，輕質(zhì)彈簧(5-4)的末端設(shè)置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的 外側(cè)中段設(shè)置有擋板(5-3);
[0017] 所述圓形小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結(jié)合緊密，排布方式為:縱 向上相隔排列且遵循上密下疏原則，橫向上繞土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)外圓周長(zhǎng)8等分排布；
[0018] 所述的卡箍(4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過(guò)一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡 箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過(guò)螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來(lái)調(diào)節(jié)卡箍(4-30)的松緊 程度，使標(biāo)準(zhǔn)圓柱構(gòu)件緊密結(jié)合；
[0019]所述的法蘭(6)內(nèi)側(cè)設(shè)有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)把手(6-2);
[0020] 所述的計(jì)算機(jī)(7)的信號(hào)端與微控制器(7-0)的信號(hào)端相連，微控制器(7-0)設(shè)置 有溫度探測(cè)輸入端(7-1)、溫濕度探測(cè)輸出端(7-2)和基質(zhì)吸力探測(cè)輸出端(7-3);溫度探測(cè) 輸入端(7-1)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接冷熱一體金屬元件(4-6)，溫濕度探測(cè)輸出端(7-2)經(jīng)導(dǎo)線(9) 連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質(zhì)吸力探測(cè)輸出端(7-3)經(jīng)導(dǎo)線（9)連接土壤熱傳導(dǎo)吸力 探頭(4-7);
[0021] 所述的融雪入滲模擬裝置(8)包括設(shè)置在土柱外側(cè)的溫度控制器(8-1)以及通過(guò) 導(dǎo)線(9)與其所連接的調(diào)溫元件(8-3)，所述調(diào)溫元件(8-3)位于頂蓋(8-2)下方，頂蓋(8-2) 的頂部設(shè)置有超聲波測(cè)距傳感器(8-4)，頂蓋(8-2)位于土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)上部的圓柱 構(gòu)件（10)的上方且緊密接觸，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的原狀土樣（12)上表面外側(cè)開(kāi)有出水口（10-1)，所述出水口（10-1)通過(guò)塑料軟管（2)接入徑流量量杯（13)，塑料軟管(2)上設(shè)置有第二 流量傳感器（13-1)，所述第二流量傳感器（13-1)通過(guò)導(dǎo)線（9)接入計(jì)算機(jī)(7)，原狀土樣 (12)上設(shè)置有待融雪源（11);
[0022] 所述的待融雪源（11)包括四種形態(tài)，整冰塊型待融雪源、粒徑為0.5cm-5cm的小冰 塊型待融雪源、粒徑為小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒徑組合而成的混合型待 融雪源;在圓柱構(gòu)件（10)與待融雪源（11)上表面所處的水平面相交的圓柱構(gòu)件（10)外壁上 周向六等分設(shè)置有六個(gè)紅外對(duì)射報(bào)警找平裝置(J);融雪入滲模擬裝置(8)的一側(cè)設(shè)置有攪 碎機(jī)(H)，攪碎機(jī)(H)的出口連通伸縮式傳送裝置(Q)，伸縮式傳送裝置(Q)的輸送段連通至 圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)，在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)且伸縮式傳送裝置(Q)下方設(shè)置有振動(dòng)篩(R)，振動(dòng)篩 (R)的下方通過(guò)風(fēng)扇固定結(jié)構(gòu)B安裝有由軟質(zhì)塑料制成的三葉風(fēng)扇(C)，振動(dòng)篩(R)為可活動(dòng) 的百葉窗形式。
[0023] 基于融雪入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法，包括以下步驟：
[0024] 步驟一、組裝土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件
[0025]分別對(duì)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進(jìn)行拼接，對(duì)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)構(gòu)件(4)的接縫進(jìn)行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過(guò) 扳手上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后將多個(gè)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)通過(guò)法蘭(6)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)縱向拼接；
[0026]步驟二、安裝原狀土樣
[0027]選取預(yù)先準(zhǔn)備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經(jīng)連接好 的多個(gè)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)套住原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)與土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4) 之間的縫隙采用密封及防水處理保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)水不從縫隙直接流下；
[0028]步驟三、組裝土柱實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備
[0029]先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對(duì)應(yīng)的承力 柱支座（1-22)上，將高進(jìn)氣值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進(jìn)氣 值陶土板（1-3)上表面鋪設(shè)有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進(jìn)氣值陶土板（1-3)、 濾紙（1-4)均位于管件（1-7)內(nèi)部;在集水處最低位置設(shè)置一個(gè)出水孔外接塑料軟管(2)，將 所述塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳 感器(3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過(guò)導(dǎo)線(9)接入計(jì)算機(jī)(7);然后將法蘭(6)的法蘭 螺紋(6-1)對(duì)準(zhǔn)外螺紋連接段(1-6)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構(gòu)件 (1)上方，然后將拼接組裝而成的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)通過(guò)土 柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構(gòu)件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺 紋(6-1)進(jìn)行組裝，使拼接組裝而成的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)位 于底部構(gòu)件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過(guò)法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進(jìn)行連接；
[0030] 步驟四、測(cè)定原狀土樣的初始狀態(tài)
[0031] 原狀土樣（12)的初始含水率：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)原狀土樣（12) 的濕度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào) 通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的濕度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土 樣(12)的初始含水率0。；
[0032]原狀土樣（12)的初始溫度：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)原狀土樣（12)的 溫度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通 過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12) 的溫度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的初始溫度T c;
[0033]原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力：多個(gè)土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對(duì)原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè) 信號(hào)通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土 樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試 點(diǎn)處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％;
[0034]原狀土樣（12)的水頭高度：多個(gè)測(cè)壓管(4-9)分別對(duì)原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn) 行監(jiān)測(cè)得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)初始階段對(duì)應(yīng)的水頭高度h。；
[0035]原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點(diǎn)帶回的其它土樣進(jìn)行飽 和含水率測(cè)定，作為原狀土樣(12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內(nèi)，為其注水直至水面 浸沒(méi)土樣，浸沒(méi)10分鐘之后將多余的水清除，稱質(zhì)量為m，之后將土樣和稱量盒放入烘箱內(nèi)，
進(jìn)行烘干，之后將其置于天平上進(jìn)行稱重得質(zhì)量為ms，之后利用公式 計(jì) 算求得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat;
[0036]步驟五、模擬融雪入滲邊界條件：
[0037] (1 )、當(dāng)需要模擬整冰塊型待融雪源的消融入滲模擬過(guò)程時(shí)，只需要將整冰塊型待 融雪源（11)放在原狀土樣（12)上；當(dāng)需要模擬粒徑為0.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑 為小于0.5cm的冰粉型待融雪源以及由不同粒徑組合而成的混合型待融雪源的消融入滲模 擬過(guò)程時(shí)，啟動(dòng)攪碎機(jī)(H)，待融雪源（11)在攪碎機(jī)(H)中攪碎后通過(guò)伸縮式傳送裝置(Q)輸 送到振動(dòng)篩(R)上，伸縮式傳送裝置(Q)在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)，伴隨著振動(dòng)篩自 轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)將攪碎的待融雪源（11)均勻地灑落在振動(dòng)篩(R)的上表面，保證攪碎后的待融 雪源（11)不成堆聚集在振動(dòng)篩(R);振動(dòng)篩(R)設(shè)置為可活動(dòng)的百葉窗形式，能夠隨著待融 雪源（11)的粒徑大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)行融雪時(shí)，百葉窗的開(kāi)口設(shè)置為最大，以便調(diào)溫元 件(8-3)更好地進(jìn)行融雪加熱;三葉風(fēng)扇(C)扇葉轉(zhuǎn)速較慢，從而使降下的待融雪源（11)平 整;六個(gè)紅外對(duì)射報(bào)警找平裝置(J)兩兩成對(duì)構(gòu)成一組實(shí)現(xiàn)對(duì)射找平，可全面掃描監(jiān)測(cè)原狀 土樣（12)上的待融雪源（11)上表面是否水平；
[0038] (2)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號(hào)接通溫度控制器(8-1)的供電回路，從而控制調(diào)溫元件 (8-3)加熱到預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度h，溫度控制器(8-1)對(duì)調(diào)溫元件(8-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè) 到的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)將其接收到的監(jiān)測(cè)值與調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí) 驗(yàn)溫度Ti相比對(duì)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)向溫度控制器 (8-1)發(fā)出信號(hào)斷開(kāi)調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)停止加熱，當(dāng)監(jiān)測(cè)值低于調(diào) 溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度控制器(8-1)發(fā)出信號(hào) 接通調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)開(kāi)始加熱，從而使調(diào)溫元件(8-3)保持為預(yù) 設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Ti;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度1\的范圍為0°C~80°C ;
[0039] (3)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號(hào)經(jīng)微控制器(7-0)從溫度探測(cè)輸入端(7-1)經(jīng)導(dǎo)線(9)到 達(dá)冷熱一體金屬元件(4-6)，控制冷熱一體金屬元件(4-6)開(kāi)始工作，使原狀土樣（12)達(dá)到 預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2;融雪入滲模擬過(guò)程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感器探頭(4-5)對(duì) 附近土壤的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線（9)通過(guò)微控制器(7-0)的溫濕度 輸出端(7-2)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)將其接收到的溫度監(jiān)測(cè)值與冷熱一體金屬 元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2相比對(duì)，當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫 度!^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測(cè)輸入端(7-1)發(fā)出信號(hào)控制冷熱一體金屬 元件(4-6)開(kāi)始制冷，當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)值低于冷熱一體金屬元件(4-6)實(shí)驗(yàn)溫度!^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7) 經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測(cè)輸入端(7-1)發(fā)出信號(hào)控制冷熱一體金屬元件(4-6)開(kāi)始加 熱，從而使冷熱一體金屬元件(4-6)的溫度保持為預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2，模擬出了融雪低溫入滲 條件;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度1~2的范圍為-20°C~20°C ;
[0040] (4)、在模擬融雪入滲的過(guò)程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水從所述出水口（10-1) 內(nèi)流出并經(jīng)過(guò)塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從所述通水孔 (1-5)內(nèi)流出并經(jīng)過(guò)塑料軟管(2)流入出滲量測(cè)量量杯(3);在融雪入滲過(guò)程中，當(dāng)相鄰的兩 個(gè)采樣時(shí)刻的未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量的差值小于等于lcm 3時(shí)，說(shuō)明達(dá)到了融雪入 滲穩(wěn)定，停止實(shí)驗(yàn);此時(shí)，查看徑流量測(cè)量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量，并 將該讀數(shù)記錄為融雪徑流量Qj;查看出滲量測(cè)量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣（12)的水的量，并 將該讀數(shù)記錄為融雪出滲量Q。;根據(jù)原狀土樣（12)入滲穩(wěn)定時(shí)上表層處的含水率0，結(jié)合原 狀土樣（12)上表層處的初始含水率0。，從而換算出融雪入滲量Q r;融雪入滲量Qr與融雪徑流 量^的和即為總?cè)谘┝縌z;對(duì)于整冰塊型待融雪源總量Q、，可將其換算為對(duì)應(yīng)的4°C下水的 體積求得;對(duì)于由攪碎機(jī)(H)產(chǎn)生的待融雪源總量Q、，可由投入攪碎機(jī)(H)的冰塊所對(duì)應(yīng)的 4°C下水的體積化與攪碎機(jī)(H)內(nèi)所有的剩余冰塊所對(duì)應(yīng)的4°C下水的體積V 2之差來(lái)確定，所 述的冰塊是邊長(zhǎng)為lcm的立方體冰塊；
[0041 ]步驟六、模擬過(guò)程中的各參數(shù)監(jiān)測(cè)
[0042]多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)模擬過(guò)程中的原狀土樣（12)的溫濕度進(jìn)行監(jiān) 測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)串口通信電路 實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信 號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的 溫度h、含水率0 1;多個(gè)土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對(duì)模擬過(guò)程中的原狀土樣（12)的基 質(zhì)吸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的基質(zhì)吸力信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信 號(hào)通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的基質(zhì)吸力信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn) 記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力F a;多個(gè)測(cè)壓管(4-9)分別對(duì)原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān)測(cè) 得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的水頭高度lu;
[0043]上述所有的監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)時(shí)間頻率設(shè)置如下：融雪入滲5分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為5 秒，融雪入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為10秒，融雪入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為15 秒，融雪入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為20秒，融雪入滲60分鐘以后記錄時(shí)間間隔為60 秒，直到實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后2-4小時(shí)以上；
[0044] 步驟七、模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
[0045] 對(duì)所記錄的某一時(shí)刻的溫度h、基質(zhì)吸力Fa監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí)刻原 狀土樣（12)所對(duì)應(yīng)的溫度云圖和基質(zhì)吸力云圖；同時(shí)對(duì)所記錄的某一時(shí)刻原狀土樣（12)所 對(duì)應(yīng)的含水率0:監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí)刻原狀土樣(12)對(duì)應(yīng)的含水率云圖；
[0046] 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，畫出每個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)前鋒的位置，所述濕潤(rùn) 前鋒的位置指的是濕潤(rùn)帶的邊緣，與下部未濕潤(rùn)帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤(rùn)前鋒線，從而觀察濕潤(rùn)前鋒位置隨時(shí)間t的變化規(guī)律;根據(jù)含水率云圖，依 據(jù)含水率的大小，找出每個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的飽和含水率0 sat的等值線，從而確定完全飽和帶， 所述完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內(nèi)出現(xiàn)水分完全飽和的部分；當(dāng)濕潤(rùn)前鋒 與完全飽和帶在同一監(jiān)測(cè)時(shí)刻出現(xiàn)時(shí)，所述濕潤(rùn)前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區(qū) 域被定義為融雪入滲過(guò)渡帶；
[0047]繪制基質(zhì)吸力F4P含水率0:的關(guān)系圖，從而分別得到各土層的的土-水特征曲線； [0048]步驟八、融雪入滲系數(shù)及消融率計(jì)算：
[0049] 根據(jù)公式Qr = Qz-Gb，計(jì)算得到融雪入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為總?cè)谘┝?，單?為cm3; Qj為融雪徑流量，單位為cm3;
[0050] 根據(jù)公式AS = Qr_Qc，計(jì)算得到融雪入滲的水分虧損量AS，單位為cm3;其中Q r為 融雪入滲量，單位為cm3; Qc為融雪出滲量，單位為cm3;
[0051] 根據(jù)公式Vr = Qr/t計(jì)算得到融雪入滲率Vr，單位為cm3/s;其中Qr為融雪入滲量，單 位為cm 3; t為實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，單位為S;
[0052] 根據(jù)公式Vc = Qc/t計(jì)算得到融雪出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為融雪出滲量，單 位為cm 3; t為實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，單位為s;
[0053] 根據(jù)公式a = Qc/Qz計(jì)算得到融雪入滲系數(shù)a，單位為無(wú)量綱;其中Qc為融雪出滲量， 單位為cm3; Qz為總?cè)谘┝?，單位為cm3;
[0054]根據(jù)公式V =〇2/〇、計(jì)算得到消融率V，單位為無(wú)量綱；其中Qz為總?cè)谘┝?，單?為cm3; Q' z為待融雪源總量，單位為cm3;
[0055]步驟九、非飽和滲透系數(shù)計(jì)算
[0056]基于土柱實(shí)驗(yàn)的融雪入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下
(1)
[0058]將Darcy定律代入以上方程(1)得
(2)
[0060]對(duì)于非飽和土，滲透系數(shù)k與含水率存在函數(shù)關(guān)系，所以方程(2)可化為下式
(3)
[0062] 根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（o-Ua)和基質(zhì)吸 力值的變化將會(huì)引起體積含水率^的變化，BP
[0063] dB^ = -nij'' d{a - ua) - (ua - uw) (4)
[0064] 式中：〇--總應(yīng)力；
[0065] m；--與法向應(yīng)力（〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0066] --與基質(zhì)吸力(ua_uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0067] 將方程(4)對(duì)時(shí)間微分，同時(shí)，在非穩(wěn)定滲流過(guò)程中土體單元上并沒(méi)有外荷載作 用，假定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得
[0070]由（3)、（5)式可得 (5) 即土-水特征曲線的斜率；
(6) L〇〇72」其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無(wú)量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測(cè) 點(diǎn)高度，單位為cm; y w為水的重度，單位為N/m3 為土-水特征曲線的斜率，單位為無(wú)量 綱;t為時(shí)間，單位為s;
[0073]依據(jù)方程(6)求得任意時(shí)刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數(shù)k，利用插值法繪制 其分布圖。
[0074]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0075] 1.本發(fā)明的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)由兩個(gè)相同的半圓柱體連接成一個(gè)圓柱體，可 以方便地進(jìn)行原狀樣和重塑樣的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)方便實(shí)驗(yàn)儀器的清洗工作，克服目前土柱實(shí)驗(yàn) 難以采用原狀樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及后期清洗工作復(fù)雜的缺陷。
[0076] 2.橡膠塞(5-7)與插入件(5)的配合使用，克服現(xiàn)有土柱實(shí)驗(yàn)測(cè)試元件插入時(shí)溢水 及水分虧損的缺陷，具有測(cè)試結(jié)果精確、可靠性高、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。
[0077] 3. 土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求多個(gè)串聯(lián)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中土柱實(shí)驗(yàn) 中裝土部件單節(jié)長(zhǎng)度大、操作不便的缺陷;且整個(gè)系統(tǒng)的各部件采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，使得實(shí)驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)化，實(shí)驗(yàn)效率大大提尚。
[0078] 4.將模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，具有精確性、標(biāo)準(zhǔn)性高的特點(diǎn)，克 服了現(xiàn)階段大部分的儀器設(shè)備人工操作容易出現(xiàn)誤差的缺陷。
[0079] 5、本發(fā)明基于大直徑(不小于50cm)的原狀土柱進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 小試件相比，能夠更好地代表真正土體的實(shí)際情況;與原位實(shí)測(cè)相比，本發(fā)明的大直徑原狀 土柱實(shí)驗(yàn)也具備周期短、花費(fèi)少、技術(shù)手段成熟的特點(diǎn)。
[0080] 6、本發(fā)明首次提出四種形態(tài)下的待融雪源，即整冰塊型待融雪源、粒徑為0.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑為小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒徑組合而成 的混合型待融雪源;較好的模擬了自然界實(shí)際狀態(tài)，為合理研究融雪入滲提供了可行的途 徑。
[0081] 7、本發(fā)明首次提出融雪條件下土柱入滲模擬系統(tǒng)及非飽和滲透系數(shù)的測(cè)定，融雪 入滲模擬裝置(8)通過(guò)調(diào)溫元件(8-3)和冷熱一體金屬元件(4-6)實(shí)現(xiàn)融雪低溫入滲模擬過(guò) 程，并給出了測(cè)試步驟及計(jì)算方法;具有實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，便于推廣使用的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0082]圖1A是基于融雪入滲模擬裝置的系統(tǒng)總圖。
[0083]圖1B是融雪入滲模擬裝置(8)的示意圖。
[0084]圖1C是紅外對(duì)射報(bào)警找平裝置(J)示意圖。
[0085]圖2是土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)與底部構(gòu)件(1)的裝配圖。
[0086]圖3是土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)中管壁(4-1)示意圖，其中圖3A是主視圖，圖3B是后視 圖。
[0087]圖4是圖2中A處的放大圖。
[0088]圖5是底座（1-1)的俯視圖。
[0089]圖6是插入件(5)的示意圖。
[0090]圖7是插入件(5)與橡膠塞(5-7)的配合示意圖。
[0091 ]圖8是本發(fā)明的卡箍(4-30)的拆分示意圖。
[0092]圖9是法蘭(6)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0093] 下面參照附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)敘述。
[0094] 參照?qǐng)D1，融雪入滲模擬系統(tǒng)，包括底部構(gòu)件（1)、連接在底部構(gòu)件（1)上的一個(gè)或 多個(gè)串聯(lián)的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（4)以及土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（4)頂部的融雪入滲模擬裝置 (8)；
[0095] 參照?qǐng)D2,所述的底部構(gòu)件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水 點(diǎn)通過(guò)塑料軟管（2)接入出滲量量杯(3)，塑料軟管(2)上設(shè)置有第三流量傳感器(3-1)，第 三流量傳感器(3-1)接入計(jì)算機(jī)(7);底座（1-1)的上方設(shè)置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的 上部設(shè)置有高進(jìn)氣值陶土板（1-3)，高進(jìn)氣值陶土板（1-3)的四周邊沿均與底部構(gòu)件（1)管 件（1-7)的內(nèi)壁水平緊貼，高進(jìn)氣值陶土板（1-3)的頂部設(shè)置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上 表面與原狀土樣(12)接觸;管件（1-7)的頂端設(shè)置有外螺紋連接段(1-6)，外螺紋連接段(1- 6)通過(guò)法蘭(6)與土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連接；
[0096] 參照?qǐng)D3,所述土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)由兩個(gè)相同的半圓柱體經(jīng)卡箍(4-30)通過(guò)土 柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個(gè)圓柱體，土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 (4)的管壁(4-1)上設(shè)置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個(gè)土 柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)通過(guò)法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進(jìn)行連接;插入件(5)通過(guò)橡 膠塞（5-7)插入原狀土樣（12)內(nèi)，插入件（5)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī) (7)，土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內(nèi)；土壤熱傳導(dǎo)吸力探 頭(4-7)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)上固定有 多個(gè)測(cè)壓管(4-9)，多個(gè)測(cè)壓管(4-9)的每個(gè)入水口經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣(12)內(nèi)； [0097]參照?qǐng)D4、圖5,所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力 柱主體(1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱 豎向投影按照"一個(gè)圓心+以底座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱 主體(1-21)長(zhǎng)度不同使得底座(1-1)呈現(xiàn)坡度；
[0098] 所述的土柱底部構(gòu)件（1)、土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)及圓柱構(gòu)件（10)均由耐高溫玻璃 鋼制成；
[0099] 參照?qǐng)D6、圖7,所述的插入件(5)的最前端設(shè)置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內(nèi)部 管道的轉(zhuǎn)角處設(shè)置有橡膠墊片(5-1)，內(nèi)部管道中設(shè)置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫 濕度傳感器探頭(4-5)或冷熱一體金屬元件(4-6)，彈出件(5-2)后端與導(dǎo)線(9)進(jìn)行連接， 彈出件(5-2)的尾部套設(shè)有輕質(zhì)彈簧(5-4)，輕質(zhì)彈簧(5-4)的末端設(shè)置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的外側(cè)中段設(shè)置有擋板(5-3);
[0100] 所述圓形小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結(jié)合緊密，排布方式為:縱 向上相隔排列且遵循上密下疏原則，橫向上繞土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)外圓周長(zhǎng)8等分排布；
[0101] 參照?qǐng)D8,所述的卡箍（4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過(guò)一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過(guò)螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來(lái)調(diào)節(jié)卡箍(4-30)的松緊程度，使標(biāo)準(zhǔn)圓柱構(gòu)件緊密結(jié)合；
[0102] 參照?qǐng)D9,所述的法蘭(6)內(nèi)側(cè)設(shè)有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)把 手(6-2);
[0103]所述的計(jì)算機(jī)(7)的信號(hào)端與微控制器(7-0)的信號(hào)端相連，微控制器(7-0)設(shè)置 有溫度探測(cè)輸入端(7-1)、溫濕度探測(cè)輸出端(7-2)和基質(zhì)吸力探測(cè)輸出端(7-3);溫度探測(cè) 輸入端(7-1)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接冷熱一體金屬元件(4-6)，溫濕度探測(cè)輸出端(7-2)經(jīng)導(dǎo)線(9) 連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質(zhì)吸力探測(cè)輸出端(7-3)經(jīng)導(dǎo)線（9)連接土壤熱傳導(dǎo)吸力 探頭(4-7);
[0104] 參照?qǐng)D1B，所述的融雪入滲模擬裝置(8)包括設(shè)置在土柱外側(cè)的溫度控制器(8-1) 以及通過(guò)導(dǎo)線(9)與其所連接的調(diào)溫元件(8-3)，所述調(diào)溫元件(8-3)位于頂蓋(8-2)下方， 頂蓋(8-2)的頂部設(shè)置有超聲波測(cè)距傳感器(8-4)，頂蓋(8-2)位于土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)上 部的圓柱構(gòu)件（10)的上方且緊密接觸，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的原狀土樣（12)上表面外側(cè)開(kāi)有出 水口（10-1)，所述出水口（10-1)通過(guò)塑料軟管(2)接入徑流量量杯（13)，塑料軟管(2)上設(shè) 置有第二流量傳感器（13-1)，所述第二流量傳感器（13-1)通過(guò)導(dǎo)線(9)接入計(jì)算機(jī)(7)，原 狀土樣（12)上設(shè)置有待融雪源（11);
[0105] 參照?qǐng)D1B、圖1C，所述的待融雪源（11)包括四種形態(tài)，整冰塊型待融雪源、粒徑為 0.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑為小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒徑組 合而成的混合型待融雪源;在圓柱構(gòu)件（10)與待融雪源（11)上表面所處的水平面相交的圓 柱構(gòu)件（10)外壁上周向六等分設(shè)置有六個(gè)紅外對(duì)射報(bào)警找平裝置(J);融雪入滲模擬裝置 (8)的一側(cè)設(shè)置有攪碎機(jī)(H)，攪碎機(jī)(H)的出口連通伸縮式傳送裝置(Q)，伸縮式傳送裝置 (Q)的輸送段連通至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)，在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)且伸縮式傳送裝置(Q)下方設(shè)置有 振動(dòng)篩(R)，振動(dòng)篩(R)的下方通過(guò)風(fēng)扇固定結(jié)構(gòu)B安裝有由軟質(zhì)塑料制成的三葉風(fēng)扇(C)， 振動(dòng)篩(R)為可活動(dòng)的百葉窗形式。
[0106] 基于融雪入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法，包括以下步驟：
[0107] 步驟一、組裝土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件
[0108] 分別對(duì)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進(jìn)行拼接，對(duì)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)構(gòu)件(4)的接縫進(jìn)行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過(guò) 扳手上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后將多個(gè)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)通過(guò)法蘭(6)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)縱向拼接；
[0109]步驟二、安裝原狀土樣
[0110] 選取預(yù)先準(zhǔn)備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經(jīng)連接好 的多個(gè)土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)套住原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)與土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4) 之間的縫隙采用密封及防水處理保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)水不從縫隙直接流下；
[0111] 步驟三、組裝土柱實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備
[0112]先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對(duì)應(yīng)的承力 柱支座（1-22)上，將高進(jìn)氣值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進(jìn)氣 值陶土板（1-3)上表面鋪設(shè)有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進(jìn)氣值陶土板（1-3)、 濾紙（1-4)均位于管件（1-7)內(nèi)部;在集水處最低位置設(shè)置一個(gè)出水孔外接塑料軟管(2)，將 所述塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳 感器(3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過(guò)導(dǎo)線(9)接入計(jì)算機(jī)(7);然后將法蘭(6)的法蘭 螺紋(6-1)對(duì)準(zhǔn)外螺紋連接段(1-6)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構(gòu)件 (1)上方，然后將拼接組裝而成的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)通過(guò)土 柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構(gòu)件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺 紋(6-1)進(jìn)行組裝，使拼接組裝而成的土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連同其套住的原狀土樣（12)位 于底部構(gòu)件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過(guò)法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進(jìn)行連接；
[0113]步驟四、測(cè)定原狀土樣的初始狀態(tài)
[0114]原狀土樣（12)的初始含水率:多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)原狀土樣（12) 的濕度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào) 通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的濕度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土 樣(12)的初始含水率0。；
[0115] 原狀土樣（12)的初始溫度：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)原狀土樣（12)的 溫度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通 過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12) 的溫度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的初始溫度T c;
[0116] 原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力：多個(gè)土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對(duì)原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè) 信號(hào)通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土 樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試 點(diǎn)處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％;
[0117] 原狀土樣（12)的水頭高度：多個(gè)測(cè)壓管(4-9)分別對(duì)原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn) 行監(jiān)測(cè)得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)初始階段對(duì)應(yīng)的水頭高度h。；
[0118]原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點(diǎn)帶回的其它土樣進(jìn)行飽 和含水率測(cè)定，作為原狀土樣(12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內(nèi)，為其注水直至水面 浸沒(méi)土樣，浸沒(méi)10分鐘之后將多余的水清除，稱質(zhì)量為m，之后將土樣和稱量盒放入烘箱內(nèi)， 進(jìn)行烘干，之后將其置于天平上進(jìn)行稱重得質(zhì)量為ms，之后利用公式
汁 算求得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat;
[0119] 步驟五、模擬融雪入滲邊界條件：
[0120] (1 )、當(dāng)需要模擬整冰塊型待融雪源的消融入滲模擬過(guò)程時(shí)，只需要將整冰塊型待 融雪源（11)放在原狀土樣（12)上；當(dāng)需要模擬粒徑為0.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑 為小于0.5cm的冰粉型待融雪源以及由不同粒徑組合而成的混合型待融雪源的消融入滲模 擬過(guò)程時(shí)，啟動(dòng)攪碎機(jī)(H)，待融雪源（11)在攪碎機(jī)(H)中攪碎后通過(guò)伸縮式傳送裝置(Q)輸 送到振動(dòng)篩(R)上，伸縮式傳送裝置(Q)在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)，伴隨著振動(dòng)篩自 轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)將攪碎的待融雪源（11)均勻地灑落在振動(dòng)篩(R)的上表面，保證攪碎后的待融 雪源（11)不成堆聚集在振動(dòng)篩(R);振動(dòng)篩(R)設(shè)置為可活動(dòng)的百葉窗形式，能夠隨著待融 雪源（11)的粒徑大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)行融雪時(shí)，百葉窗的開(kāi)口設(shè)置為最大，以便調(diào)溫元 件(8-3)更好地進(jìn)行融雪加熱;三葉風(fēng)扇(C)扇葉轉(zhuǎn)速較慢，從而使降下的待融雪源（11)平 整;六個(gè)紅外對(duì)射報(bào)警找平裝置(J)兩兩成對(duì)構(gòu)成一組實(shí)現(xiàn)對(duì)射找平，可全面掃描監(jiān)測(cè)原狀 土樣（12)上的待融雪源（11)上表面是否水平；
[0121] (2)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號(hào)接通溫度控制器(8-1)的供電回路，從而控制調(diào)溫元件 (8-3)加熱到預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度h，溫度控制器(8-1)對(duì)調(diào)溫元件(8-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè) 到的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)將其接收到的監(jiān)測(cè)值與調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí) 驗(yàn)溫度Ti相比對(duì)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)向溫度控制器 (8-1)發(fā)出信號(hào)斷開(kāi)調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)停止加熱，當(dāng)監(jiān)測(cè)值低于調(diào) 溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度控制器(8-1)發(fā)出信號(hào) 接通調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)開(kāi)始加熱，從而使調(diào)溫元件(8-3)保持為預(yù) 設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Ti;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度1\的范圍為0°C~80°C ;
[0122] (3)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號(hào)經(jīng)微控制器(7-0)從溫度探測(cè)輸入端(7-1)經(jīng)導(dǎo)線(9)到 達(dá)冷熱一體金屬元件(4-6)，控制冷熱一體金屬元件(4-6)開(kāi)始工作，使原狀土樣（12)達(dá)到 預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2;融雪入滲模擬過(guò)程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感器探頭(4-5)對(duì) 附近土壤的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線（9)通過(guò)微控制器(7-0)的溫濕度 輸出端(7-2)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)將其接收到的溫度監(jiān)測(cè)值與冷熱一體金屬 元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2相比對(duì)，當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫 度!^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測(cè)輸入端(7-1)發(fā)出信號(hào)控制冷熱一體金屬 元件(4-6)開(kāi)始制冷，當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)值低于冷熱一體金屬元件(4-6)實(shí)驗(yàn)溫度!^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7) 經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測(cè)輸入端(7-1)發(fā)出信號(hào)控制冷熱一體金屬元件(4-6)開(kāi)始加 熱，從而使冷熱一體金屬元件(4-6)的溫度保持為預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2，模擬出了融雪低溫入滲 條件;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度1~2的范圍為-20°C~20°C ;
[0123] (4)、在模擬融雪入滲的過(guò)程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水從所述出水口（10-1) 內(nèi)流出并經(jīng)過(guò)塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣（12)內(nèi)的水從所述通水孔 (1-5)內(nèi)流出并經(jīng)過(guò)塑料軟管(2)流入出滲量測(cè)量量杯(3);在融雪入滲過(guò)程中，當(dāng)相鄰的兩 個(gè)采樣時(shí)刻的未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量的差值小于等于lcm 3時(shí)，說(shuō)明達(dá)到了融雪入 滲穩(wěn)定，停止實(shí)驗(yàn);此時(shí)，查看徑流量測(cè)量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的水的量，并 將該讀數(shù)記錄為融雪徑流量Qj;查看出滲量測(cè)量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣（12)的水的量，并 將該讀數(shù)記錄為融雪出滲量Q。;根據(jù)原狀土樣（12)入滲穩(wěn)定時(shí)上表層處的含水率0，結(jié)合原 狀土樣（12)上表層處的初始含水率0。，從而換算出融雪入滲量Q r;融雪入滲量Qr與融雪徑流 量^的和即為總?cè)谘┝縌z;對(duì)于整冰塊型待融雪源總量Q、，可將其換算為對(duì)應(yīng)的4°C下水的 體積求得;對(duì)于由攪碎機(jī)(H)產(chǎn)生的待融雪源總量Q、，可由投入攪碎機(jī)(H)的冰塊所對(duì)應(yīng)的 4°C下水的體積化與攪碎機(jī)(H)內(nèi)所有的剩余冰塊所對(duì)應(yīng)的4°C下水的體積V 2之差來(lái)確定，所 述的冰塊是邊長(zhǎng)為lcm的立方體冰塊；
[0124] 步驟六、模擬過(guò)程中的各參數(shù)監(jiān)測(cè)
[0125] 多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)模擬過(guò)程中的原狀土樣（12)的溫濕度進(jìn)行監(jiān) 測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)串口通信電路 實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信 號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的 溫度h、含水率0 1;多個(gè)土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對(duì)模擬過(guò)程中的原狀土樣（12)的基 質(zhì)吸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的基質(zhì)吸力信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信 號(hào)通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的基質(zhì)吸力信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn) 記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力F a;多個(gè)測(cè)壓管(4-9)分別對(duì)原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān)測(cè) 得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的水頭高度lu;
[0126] 上述所有的監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)時(shí)間頻率設(shè)置如下：融雪入滲5分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為5 秒，融雪入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為10秒，融雪入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為15 秒，融雪入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為20秒，融雪入滲60分鐘以后記錄時(shí)間間隔為60 秒，直到實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后2-4小時(shí)以上；
[0127] 步驟七、模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
[0128] 對(duì)所記錄的某一時(shí)刻的溫度h、基質(zhì)吸力Fa監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí)刻原 狀土樣（12)所對(duì)應(yīng)的溫度云圖和基質(zhì)吸力云圖；同時(shí)對(duì)所記錄的某一時(shí)刻原狀土樣（12)所 對(duì)應(yīng)的含水率0:監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí)刻原狀土樣(12)對(duì)應(yīng)的含水率云圖；
[0129] 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，畫出每個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)前鋒的位置，所述濕潤(rùn) 前鋒的位置指的是濕潤(rùn)帶的邊緣，與下部未濕潤(rùn)帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤(rùn)前鋒線，從而觀察濕潤(rùn)前鋒位置隨時(shí)間t的變化規(guī)律;根據(jù)含水率云圖，依 據(jù)含水率的大小，找出每個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的飽和含水率0 sat的等值線，從而確定完全飽和帶， 所述完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內(nèi)出現(xiàn)水分完全飽和的部分；當(dāng)濕潤(rùn)前鋒 與完全飽和帶在同一監(jiān)測(cè)時(shí)刻出現(xiàn)時(shí)，所述濕潤(rùn)前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區(qū) 域被定義為融雪入滲過(guò)渡帶；
[0130]繪制基質(zhì)吸力F4P含水率0:的關(guān)系圖，從而分別得到各土層的的土-水特征曲線；
[0131] 步驟八、融雪入滲系數(shù)及消融率計(jì)算：
[0132] 根據(jù)公式Qr = Qz-Gb，計(jì)算得到融雪入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為總?cè)谘┝浚瑔挝?為cm 3; Qj為融雪徑流量，單位為cm3;
[0133] 根據(jù)公式AS = Qr-Qc，計(jì)算得到融雪入滲的水分虧損量AS，單位為cm3;其中Q r為 融雪入滲量，單位為cm3; Qc為融雪出滲量，單位為cm3;
[0134] 根據(jù)公式Vr = Qr/t計(jì)算得到融雪入滲率Vr，單位為cm3/s;其中Qr為融雪入滲量，單 位為cm 3; t為實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，單位為S;
[0135] 根據(jù)公式Vc^Qc/t計(jì)算得到融雪出滲率V。，單位為cm3/s;其中Q。為融雪出滲量，單 位為cm 3; t為實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，單位為s;
[0136] 根據(jù)公式a = Qc/Qz計(jì)算得到融雪入滲系數(shù)a，單位為無(wú)量綱;其中Qc為融雪出滲量， 單位為cm 3; Qz為總?cè)谘┝?，單位為cm3;
[0137] 根據(jù)公式V =QZ/Q、計(jì)算得到消融率V，單位為無(wú)量綱；其中Qz為總?cè)谘┝?，單?為cm 3; Q' z為待融雪源總量，單位為cm3;
[0138] 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計(jì)算
[0139] 基于土柱實(shí)驗(yàn)的融雪入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下
(1)
[0141]將Darcy定律代入以上方程(1)得
(2)
[0143]對(duì)于非飽和土，滲透系數(shù)k與含水率存在函數(shù)關(guān)系，所以方程(2)可化為下式
(3)
[0145] 根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（o-Ua)和基質(zhì)吸 力值的變化將會(huì)引起體積含水率^的變化，BP
[0146] df)M = -nijvd{a - ua) - nu (?a ~ ) (4).
[0147] 式中：〇--總應(yīng)力；
[0148] --與法向應(yīng)力(〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0149] <--與基質(zhì)吸力(ua_uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0150] 將方程(4)對(duì)時(shí)間微分，同時(shí)，在非穩(wěn)定滲流過(guò)程中土體單元上并沒(méi)有外荷載作 用，假定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得
(5) _即土-水特征曲線的斜率；
[0153]由（3)、（5)式可得
(:6)
[0155] 其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無(wú)量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測(cè) 點(diǎn)高度，單位為cm; y w為水的重度，單位為N/m3; 4為土-水特征曲線的斜率，單位為無(wú)量 綱;t為時(shí)間，單位為s;
[0156] 依據(jù)方程(6)求得任意時(shí)刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數(shù)k，利用插值法繪制 其分布圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括底部構(gòu)件（I)、連接在底部構(gòu)件（I)上的一個(gè)或 多個(gè)串聯(lián)的±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（4) ^及±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（4)頂部的融雪入滲模擬裝置 (8)； 所述的底部構(gòu)件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水點(diǎn)通過(guò)塑料軟 管（2)接入出滲量量杯（3 )，塑料軟管（2)上設(shè)置有第=流量傳感器(3-1 )，第=流量傳感器 (3-1)接入計(jì)算機(jī)(7);底座（1-1)的上方設(shè)置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部設(shè)置有高 進(jìn)氣值陶±板(1-3)，高進(jìn)氣值陶±板(1-3)的四周邊沿均與底部構(gòu)件（1)管件（1-7)的內(nèi)壁 水平緊貼，高進(jìn)氣值陶±板(1-3)的頂部設(shè)置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上表面與原狀±樣 (12)接觸;管件（1-7)的頂端設(shè)置有外螺紋連接段（1-6)，外螺紋連接段（1-6)通過(guò)法蘭(6) 與±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連接； 所述±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)由兩個(gè)相同的半圓柱體經(jīng)卡髓(4-30)通過(guò)±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu) 件(4)管壁(4-1)的卡髓凹槽(4-3)處連接成一個(gè)圓柱體，±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的管壁(4- 1)上設(shè)置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞巧-7)配合使用；多個(gè)±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu) 件(4)通過(guò)法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進(jìn)行連接;插入件(5)通過(guò)橡膠塞（5-7)插 入原狀±樣（12)內(nèi)，插入件(5)內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，±壤熱傳 導(dǎo)吸力探頭(4-7)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀±樣（12)內(nèi)；±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)內(nèi)傳 感器所采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)上固定有多個(gè)測(cè)壓管 (4-9)，多個(gè)測(cè)壓管(4-9)的每個(gè)入水口經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀±樣（12)內(nèi)；所述的插入 件（5)在±柱上按照同一列布置，±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)在±柱上按照同一列布置，巧U 壓管(4-9)在±柱上按照同一列布置； 所述的融雪入滲模擬裝置(8)包括設(shè)置在±柱外側(cè)的溫度控制器(8-1) W及通過(guò)導(dǎo)線 (9) 與其所連接的調(diào)溫元件(8-3)，所述調(diào)溫元件(8-3)位于頂蓋(8-2)下方，頂蓋(8-2)的頂 部設(shè)置有超聲波測(cè)距傳感器(8-4)，頂蓋(8-2)位于±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)上部的圓柱構(gòu)件 (10) 的上方且緊密接觸，圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)的原狀±樣（12)上表面外側(cè)開(kāi)有出水口（10-1)， 所述出水口（10-1)通過(guò)塑料軟管(2)接入徑流量量杯（13)，塑料軟管(2)上設(shè)置有第二流量 傳感器（13-1)，所述第二流量傳感器（13-1)通過(guò)導(dǎo)線（9)接入計(jì)算機(jī)(7)，原狀±樣（12)上 設(shè)置有待融雪源(11)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的承力柱（1-2)包括承 力柱支座（1-22) W及固定在其上的承力柱主體（1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1- 1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在±柱豎向投影按照"一個(gè)圓屯、+W底座（1-1)半徑1/2為 半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱主體(1-21)長(zhǎng)度不同使得底座(1-1)呈現(xiàn)坡度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的±柱底部構(gòu)件（1)、± 柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)及圓柱構(gòu)件(10)均由耐高溫玻璃鋼制成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的插入件(5)的最前端 設(shè)置有插入針頭(5-6)，插入件巧）內(nèi)部管道的轉(zhuǎn)角處設(shè)置有橡膠墊片(5-1)，內(nèi)部管道中設(shè) 置有彈出件(5-2 )，彈出件(5-2)包括溫濕度傳感器探頭(4-5)或冷熱一體金屬元件(4-6)， 彈出件(5-2)后端與導(dǎo)線(9)進(jìn)行連接，彈出件(5-2)的尾部套設(shè)有輕質(zhì)彈黃(5-4)，輕質(zhì)彈 黃(5-4)的末端設(shè)置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的外側(cè)中段設(shè)置有擋板(5-3)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述圓形小孔(4-4)形狀大 小與橡膠塞（5-7)相一致且結(jié)合緊密，排布方式為：縱向上相隔排列且遵循上密下疏原則， 橫向上繞±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)外圓周長(zhǎng)8等分排布。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的卡髓(4-30)由兩半圓 環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過(guò)一端的馴釘(4-35)馴接，卡髓(4-30)的另一端接頭(4-33)通過(guò)螺 絲桿(4-31)和螺母(4-32)來(lái)調(diào)節(jié)卡髓(4-30)的松緊程度，使標(biāo)準(zhǔn)圓柱構(gòu)件緊密結(jié)合。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的法蘭(6)內(nèi)側(cè)設(shè)有法 蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)把手(6-2)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的計(jì)算機(jī)(7)的信號(hào)端 與微控制器(7-0)的信號(hào)端相連，微控制器(7-0)設(shè)置有溫度探測(cè)輸入端(7-1)、溫濕度探測(cè) 輸出端(7-2)和基質(zhì)吸力探測(cè)輸出端(7-3);溫度探測(cè)輸入端(7-1)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接冷熱一體 金屬元件(4-6)，溫濕度探測(cè)輸出端（7-2)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質(zhì)吸 力探測(cè)輸出端(7-3)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的待融雪源（11)包括四 種形態(tài)，整冰塊型待融雪源、粒徑為〇.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑為小于0.5cm的冰 粉型待融雪源、W及由不同粒徑組合而成的混合型待融雪源;在圓柱構(gòu)件（10)與待融雪源 (11)上表面所處的水平面相交的圓柱構(gòu)件（10)外壁上周向六等分設(shè)置有六個(gè)紅外對(duì)射報(bào) 警找平裝置(J);融雪入滲模擬裝置(8)的一側(cè)設(shè)置有攬碎機(jī)化），攬碎機(jī)化)的出口連通伸 縮式傳送裝置(Q)，伸縮式傳送裝置(Q)的輸送段連通至圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)，在圓柱構(gòu)件（10) 內(nèi)且伸縮式傳送裝置(Q)下方設(shè)置有振動(dòng)篩(R)，振動(dòng)篩(R)的下方通過(guò)風(fēng)扇固定結(jié)構(gòu)B安裝 有由軟質(zhì)塑料制成的S葉風(fēng)扇(C)，振動(dòng)篩(R)為可活動(dòng)的百葉窗形式。10. 基于上述任一權(quán)利要求所述的融雪入滲模擬系統(tǒng)的非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法，其 特征在于，包括W下步驟： 步驟一、組裝±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 分別對(duì)±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進(jìn)行拼接，對(duì)±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu) 件(4)的接縫進(jìn)行密封及防水處理，然后把卡髓(4-30)套在卡髓凹槽(4-3)上，并通過(guò)扳手 上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡髓(4-30)牢固地套在卡髓凹槽(4-3)上，然 后將多個(gè)±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)通過(guò)法蘭(6)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)縱向拼接； 步驟二、安裝原狀±樣 選取預(yù)先準(zhǔn)備好的原狀±樣（12)，將原狀±樣（12)豎立在地面上，將已經(jīng)連接好的多 個(gè)±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)套住原狀±樣(12)，將原狀±樣（12)與±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)之間 的縫隙采用密封及防水處理保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)水不從縫隙直接流下； 步驟=、組裝±柱實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對(duì)應(yīng)的承力柱支 座（1-22)上，將高進(jìn)氣值陶±板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進(jìn)氣值陶 ±板（1-3)上表面鋪設(shè)有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進(jìn)氣值陶±板（1-3)、濾紙 (1-4)均位于管件（1-7)內(nèi)部;在集水處最低位置設(shè)置一個(gè)出水孔外接塑料軟管(2)，將所述 塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第=流量傳感器 (3-1)，所述第=流量傳感器(3-1)通過(guò)導(dǎo)線(9)接入計(jì)算機(jī)(7);然后將法蘭(6)的法蘭螺紋 (6-1)對(duì)準(zhǔn)外螺紋連接段（1-6)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構(gòu)件（1) 上方，然后將拼接組裝而成的±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連同其套住的原狀±樣（12)通過(guò)±柱 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構(gòu)件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺紋 (6-1)進(jìn)行組裝，使拼接組裝而成的±柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連同其套住的原狀±樣（12)位于 底部構(gòu)件(1)濾紙(1-4)的正上方，最后通過(guò)法蘭(6)將圓柱構(gòu)件(10)進(jìn)行連接； 步驟四、測(cè)定原狀±樣的初始狀態(tài) 原狀±樣（12)的初始含水率：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)原狀±樣（12)的濕 度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò) 串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的 濕度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12) 的初始含水率0C; 原狀±樣（12)的初始溫度：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對(duì)原狀±樣（12)的溫度 進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)串 口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的溫 度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的溫度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的 初始溫度Tc; 原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力：多個(gè)±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對(duì)原狀±樣（12)的基 質(zhì)吸力進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào) 通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣 (12)的基質(zhì)吸力信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn) 處原狀±樣（12)的初始基質(zhì)吸力Fac; 原狀±樣（12)的水頭高度：多個(gè)測(cè)壓管(4-9)分別對(duì)原狀±樣（12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān) 測(cè)得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)初始階段對(duì)應(yīng)的水頭高度h。；原狀±樣（12)的飽和含水率:將原狀±樣（12)的取樣地點(diǎn)帶回的其它±樣進(jìn)行飽和含 水率測(cè)定，作為原狀±樣（12)的飽和含水率;取±樣放入稱量盒內(nèi)，為其注水直至水面浸沒(méi) ±樣，浸沒(méi)1〇分鐘之后將多余的水清除，稱質(zhì)量為!!!，之后將±樣和^^胃"^^?<^ A 內(nèi)，進(jìn)行 烘干，之后將其置于天平上進(jìn)行稱重得質(zhì)量為ms，之后利用公式 十算求 得原狀±樣(12)的飽和含水率0sat; 步驟五、模擬融雪入滲邊界條件 (1 )、當(dāng)需要模擬整冰塊型待融雪源的消融入滲模擬過(guò)程時(shí)，只需要將整冰塊型待融雪 源（11)放在原狀±樣（12)上；當(dāng)需要模擬粒徑為0.5cm-5cm的小冰塊型待融雪源、粒徑為小 于0.5cm的冰粉型待融雪源W及由不同粒徑組合而成的混合型待融雪源的消融入滲模擬過(guò) 程時(shí)，啟動(dòng)攬碎機(jī)化），待融雪源（11)在攬碎機(jī)化)中攬碎后通過(guò)伸縮式傳送裝置(Q)輸送到 振動(dòng)篩(R)上，伸縮式傳送裝置(Q)在圓柱構(gòu)件（10)內(nèi)來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)，伴隨著振動(dòng)篩自轉(zhuǎn)，從 而實(shí)現(xiàn)將攬碎的待融雪源（11)均勻地灑落在振動(dòng)篩(R)的上表面，保證攬碎后的待融雪源 (11)不成堆聚集在振動(dòng)篩(R);振動(dòng)篩(R)設(shè)置為可活動(dòng)的百葉窗形式，能夠隨著待融雪源 (11)的粒徑大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)行融雪時(shí)，百葉窗的開(kāi)口設(shè)置為最大，W便調(diào)溫元件 (8-3)更好地進(jìn)行融雪加熱;S葉風(fēng)扇(C)扇葉轉(zhuǎn)速較慢，從而使降下的待融雪源（11)平整； 六個(gè)紅外對(duì)射報(bào)警找平裝置(J)兩兩成對(duì)構(gòu)成一組實(shí)現(xiàn)對(duì)射找平，可全面掃描監(jiān)測(cè)原狀± 樣（12)上的待融雪源（11)上表面是否水平； (2) 、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號(hào)接通溫度控制器(8-1)的供電回路，從而控制調(diào)溫元件(8-3) 加熱到預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Tl,溫度控制器(8-1)對(duì)調(diào)溫元件(8-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)到的信 號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)將其接收到的監(jiān)測(cè)值與調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度 Tl相比對(duì)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Tl時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)向溫度控制器(8-1) 發(fā)出信號(hào)斷開(kāi)調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)停止加熱，當(dāng)監(jiān)測(cè)值低于調(diào)溫元 件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Tl時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度控制器(8-1)發(fā)出信號(hào)接通 調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)開(kāi)始加熱，從而使調(diào)溫元件(8-3)保持為預(yù)設(shè)實(shí) 驗(yàn)溫度Tl;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Tl的范圍為(TC~80°C ; (3) 、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號(hào)經(jīng)微控制器(7-0)從溫度探測(cè)輸入端（7-1)經(jīng)導(dǎo)線（9)到達(dá)冷 熱一體金屬元件(4-6)，控制冷熱一體金屬元件(4-6)開(kāi)始工作，使原狀±樣（12)達(dá)到預(yù)設(shè) 實(shí)驗(yàn)溫度T2;融雪入滲模擬過(guò)程中，埋置于原狀±樣（12)的溫濕度傳感器探頭(4-5)對(duì)附近 ±壤的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線（9)通過(guò)微控制器(7-0)的溫濕度輸出 端(7-2)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)將其接收到的溫度監(jiān)測(cè)值與冷熱一體金屬元件 (4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T2相比對(duì)，當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T2 時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測(cè)輸入端(7-1)發(fā)出信號(hào)控制冷熱一體金屬元件 (4-6)開(kāi)始制冷，當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)值低于冷熱一體金屬元件(4-6)實(shí)驗(yàn)溫度T2時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微 控制器(7-0)向溫度探測(cè)輸入端(7-1)發(fā)出信號(hào)控制冷熱一體金屬元件(4-6)開(kāi)始加熱，從 而使冷熱一體金屬元件(4-6)的溫度保持為預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T2,模擬出了融雪低溫入滲條件； 預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T2的范圍為-20°C~20°C ; (4) 、在模擬融雪入滲的過(guò)程中，未滲入原狀±樣（12)內(nèi)的水從所述出水口（10-1)內(nèi)流 出并經(jīng)過(guò)塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀±樣（12)內(nèi)的水從所述通水孔（1 -5) 內(nèi)流出并經(jīng)過(guò)塑料軟管(2)流入出滲量測(cè)量量杯(3);在融雪入滲過(guò)程中，當(dāng)相鄰的兩個(gè)采 樣時(shí)刻的未滲入原狀±樣（12)內(nèi)的水的量的差值小于等于Icm3時(shí)，說(shuō)明達(dá)到了融雪入滲穩(wěn) 定，停止實(shí)驗(yàn);此時(shí)，查看徑流量測(cè)量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀±樣（12)內(nèi)的水的量，并將該 讀數(shù)記錄為融雪徑流量^;查看出滲量測(cè)量量杯(3)內(nèi)滲出原狀±樣（12)的水的量，并將該 讀數(shù)記錄為融雪出滲量Q。;根據(jù)原狀±樣（12)入滲穩(wěn)定時(shí)上表層處的含水率0，結(jié)合原狀± 樣（12)上表層處的初始含水率目C，從而換算出融雪入滲量Qr;融雪入滲量Qr與融雪徑流量Qj 的和即為總?cè)谘┝縌z;對(duì)于整冰塊型待融雪源總量Q^z,可將其換算為對(duì)應(yīng)的4°C下水的體積 求得;對(duì)于由攬碎機(jī)化)產(chǎn)生的待融雪源總量Q^z,可由投入攬碎機(jī)化)的冰塊所對(duì)應(yīng)的4°C 下水的體積Vi與攬碎機(jī)化)內(nèi)所有的剩余冰塊所對(duì)應(yīng)的4°C下水的體積V2之差來(lái)確定，所述 的冰塊是邊長(zhǎng)為Icm的立方體冰塊； 步驟六、模擬過(guò)程中的各參數(shù)監(jiān)測(cè) 多個(gè)溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對(duì)模擬過(guò)程中的原狀±樣（12)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí) 傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的溫度、濕度信號(hào)，并 將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的溫度、濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度 Ti、含水率01;多個(gè)±壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對(duì)模擬過(guò)程中的原狀±樣（12)的基質(zhì)吸 力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的基質(zhì)吸力信號(hào)傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測(cè)信號(hào)通 過(guò)串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12) 的基質(zhì)吸力信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處原狀±樣（12)的基質(zhì)吸力信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力Fa;多個(gè)測(cè)壓管(4-9)分別對(duì)原狀±樣（12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)得到 各個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)的水頭高度hi; 上述所有的監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)時(shí)間頻率設(shè)置如下：融雪入滲5分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為5秒， 融雪入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為10秒，融雪入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為15秒， 融雪入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為20秒，融雪入滲60分鐘W后記錄時(shí)間間隔為60秒， 直到實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后2-4小時(shí)W上； 步驟屯、模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果分析 對(duì)所記錄的某一時(shí)刻的溫度Ti、基質(zhì)吸力Fa監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí)刻原狀± 樣（12)所對(duì)應(yīng)的溫度云圖和基質(zhì)吸力云圖；同時(shí)對(duì)所記錄的某一時(shí)刻原狀±樣（12)所對(duì)應(yīng) 的含水率01監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí)刻原狀±樣(12)對(duì)應(yīng)的含水率云圖； 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，畫出每個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)前鋒的位置，所述濕潤(rùn)前鋒 的位置指的是濕潤(rùn)帶的邊緣，與下部未濕潤(rùn)帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位置連 線形成濕潤(rùn)前鋒線，從而觀察濕潤(rùn)前鋒位置隨時(shí)間t的變化規(guī)律;根據(jù)含水率云圖，依據(jù)含 水率的大小，找出每個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的飽和含水率0sat的等值線，從而確定完全飽和帶，所述 完全飽和帶定義是±柱上表面W下一定深度內(nèi)出現(xiàn)水分完全飽和的部分；當(dāng)濕潤(rùn)前鋒與完 全飽和帶在同一監(jiān)測(cè)時(shí)刻出現(xiàn)時(shí)，所述濕潤(rùn)前鋒線與飽和含水率0sat等值線之間的區(qū)域被 定義為融雪入滲過(guò)渡帶； 繪制基質(zhì)吸力Fa和含水率01的關(guān)系圖，從而分別得到各±層的的±-水特征曲線； 步驟八、融雪入滲系數(shù)及消融率計(jì)算 根據(jù)公式Qr = Qz-Qj,計(jì)算得到融雪入滲量Qr,單位為cm3;其中Qz為總?cè)谘┝?，單位為cm3; Qj為融雪徑流量，單位為cm3; 根據(jù)公式AS = Qr-Qc,計(jì)算得到融雪入滲的水分虧損量AS,單位為cm3;其中Qr為融雪入 滲量，單位為cm3; Q。為融雪出滲量，單位為cm3; 根據(jù)公式Vr = QrA計(jì)算得到融雪入滲率Vr，單位為cm^s;其中Qr為融雪入滲量，單位為 cm3; t為實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，單位為S; 根據(jù)公式Vc = QcA計(jì)算得到融雪出滲率Vc,單位為cm^s;其中Qc為融雪出滲量，單位為 cm3; t為實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，單位為S; 根據(jù)公式a = Qc/山計(jì)算得到融雪入滲系數(shù)a，單位為無(wú)量綱;其中Qc為融雪出滲量，單位 為cm3; Qz為總?cè)谘┝?，單位為cm3; 根據(jù)公式〇/ =Qz/Q/Z計(jì)算得到消融率〇/，單位為無(wú)量綱;其中Qz為總?cè)谘┝?，單位為cm3; Q/Z為待融雪源總量，單位為cm3; 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計(jì)算： 基于±柱實(shí)驗(yàn)的融雪入滲，可W概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下Cl) 將Dar cy定律代入W上方程（1)得 (2) 對(duì)于非飽巧 ^存在函數(shù)關(guān)系，所W方程(2)可化為下式(3)根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（O-Ua)和基質(zhì)吸力值 的變化將會(huì)引起林口聳^ A-I%濟(jì)=IK目口 (4) 式中：〇--總應(yīng)力； mi"一一與法向應(yīng)力（O-Ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)； 喊一一與基質(zhì)吸力(Ua-Uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；將方程(4)對(duì)時(shí)間微分，同時(shí)，在非穩(wěn)定滲流過(guò)程中±體單元上并沒(méi)有外荷載作用，假 定在非飽和區(qū)氣相諾娃末亦-俱 捉） 其中：即±-水特征曲線的斜率； 由（3)、巧)式可得(6) 其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無(wú)量綱;h為總水頭高度，單位為(3111^為±柱測(cè)點(diǎn)高 度，單位為cm; 丫 W為水的重度，單位為N/m3;喊為±-水特征曲線的斜率，單位為無(wú)量綱;t為 時(shí)間，單位為S; 依據(jù)方程(6)求得任意時(shí)刻±柱任意高度處的非飽和滲透系數(shù)k，利用插值法繪制其分 布圖。
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK105910975SQ201610475322
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月25日
【發(fā)明人】毛正君
【申請(qǐng)人】西安科技大學(xué)