煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)及特征參數(shù)測定方法
【專利摘要】煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(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)件頂部的煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置；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)的由煤矸石淋濾液制備的待融源消融入滲特征參數(shù)和水動(dòng)力彌散系數(shù)的測定，測定時(shí)采用大直徑的原狀土柱進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并給出了測試步驟及計(jì)算方法；煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置通過調(diào)溫元件和冷熱一體金屬元件實(shí)現(xiàn)煤矸石淋濾液消融低溫入滲模擬過程；具有實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，便于推廣使用的特點(diǎn)。
【專利說明】
煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)及特征參數(shù)測定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于礦區(qū)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系 統(tǒng)及特征參數(shù)測定方法。
【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] 煤矸石是一種混合物，一般將采煤過程和選煤廠生產(chǎn)過程中排出的碳質(zhì)巖、泥質(zhì) 巖、砂質(zhì)巖、粉砂巖和少量石灰石稱為煤矸石，它是煤炭開采和加工過程中排放的廢棄物。 目前我國煤矸石的處理方式主要是露天堆放，積存量已達(dá)41億噸以上，并且每年仍以億噸 以上的速度遞增。煤矸石在雨水淋濾作用下形成酸性水，使大量的懸浮物、有機(jī)物對周圍水 環(huán)境造成嚴(yán)重污染，是礦區(qū)環(huán)境污染的主要問題之一。淋濾液中的重金屬元素毒性很強(qiáng)、 污染嚴(yán)重，對生物和人類健康均會造成危害，進(jìn)入土壤后可向淺層地下水迀移。煤矸石淋濾 液入滲運(yùn)移過程是一個(gè)多種組分和多相滲流的問題。
[0004] 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。原狀土柱能夠用來測試土體本身的結(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，其不能用來測試土體 本身的結(jié)構(gòu)特性。不管采用哪種土柱進(jìn)行試驗(yàn)，都存在以下問題:①土柱實(shí)驗(yàn)裝土構(gòu)件單節(jié) 長度大，便捷性差，以至于土柱安裝困難，對儀器的清洗造成不便;②監(jiān)測設(shè)備安裝繁瑣，需 要對土柱進(jìn)行鉆孔，破壞其結(jié)構(gòu)性;③監(jiān)測設(shè)備一般為人工觀測，使得實(shí)驗(yàn)精度低、人為性 強(qiáng)。
[0005] 非飽和滲透系數(shù)與水動(dòng)力彌散系數(shù)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，是分析降水條件下土坡穩(wěn)定性、固體廢物填埋場、地下污水的迀移和填土工 程等問題的重要參數(shù)。由于在非飽和土中有基質(zhì)吸力的存在，確定煤矸石淋濾液入滲條件 下的特征參數(shù)具有較大的難度。非飽和滲透系數(shù)和水動(dòng)力彌散系數(shù)的測定既可在實(shí)驗(yàn)室， 也可在現(xiàn)場進(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試原狀試樣和重塑試樣 的特征參數(shù)，同時(shí)與原位實(shí)測相比，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。
[0006] CN103344538A公開了 一種非飽和土多功能滲透儀及其測試方法，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)水瓶內(nèi)的導(dǎo)管，所述 補(bǔ)水瓶的上部側(cè)壁上開有進(jìn)水口，補(bǔ)水瓶的底部側(cè)壁上開有排氣口和供水口，本專利只能 進(jìn)行簡單的降水滲透模擬，對于更為復(fù)雜的煤矸石淋濾液消融入滲模擬該專利不能實(shí)現(xiàn)也 沒有給出這樣的啟示。
[0007] CN105181531A公開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)水水栗和用于對降雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的第一流量傳感 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)，所述降雨槽的頂部內(nèi)壁上設(shè)置有用于對降雨槽的水位進(jìn) 行實(shí)時(shí)檢測的水位傳感器，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，對于煤矸石淋濾液消融入滲的模擬本專利也無法實(shí)現(xiàn)。
[0008] CN103604734A公開了一種雨強(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，對于煤矸石淋濾液消融入滲的模擬本專利也無法實(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煤矸石淋濾液消融入 滲土柱模擬系統(tǒng)及特征參數(shù)測定方法，基于大直徑的原狀土柱進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用煤矸石 淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源、粒徑為 5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合而 成的混合型待融源的消融入滲模擬過程;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)了特征參數(shù)測定，并給出了測試步驟及計(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] 煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(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)頂部的煤矸石淋濾 液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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) ;X射線熒光光譜探頭(4-8)經(jīng)圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內(nèi)，X射線熒光光譜探頭(4-8)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)測壓管(4-9)，多個(gè)測壓管(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，X射線熒光光譜探頭(4-8)在土柱上按照同一列 布置，測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0014]所述的煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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)開有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通過塑料軟管(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)通過導(dǎo)線(9)接入計(jì)算機(jī) (7)，原狀土樣(12)上設(shè)置有由煤矸石淋濾液制備的待融源(11);
[0015]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)長度不同使得底座(1 -1)呈現(xiàn)坡度；
[0016]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；
[0017] 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);
[0018] 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8等分排布；
[0019] 所述的卡箍(4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡 箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調(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；
[0020] 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); [0021]所述的計(jì)算機(jī)(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設(shè)置 有溫度探測輸入端(7-1)、溫濕度探測輸出端(7-2)、基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3)和重金屬離 子濃度監(jiān)測值輸出端(7-4);溫度探測輸入端(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)，重金屬離子濃度監(jiān)測值輸出端(7-4)經(jīng)導(dǎo) 線(9)連接X射線熒光光譜探頭(4-8);
[0022]所述的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)包括四種形態(tài)，整冰塊型待融源、粒徑 為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合 而成的混合型待融源;在圓柱構(gòu)件（10)與由煤矸石淋濾液制備的待融源（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)紅外對射報(bào)警找平裝置(J);煤 矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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]基于煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統(tǒng)的特征參數(shù)測定方法，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 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) 之間密封及防水處理保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)煤矸石淋濾液不從縫隙直接流下；
[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)出液孔外接塑料軟管(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)對準(zhǔn)外螺紋連接段(1-6)，通過轉(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)件連同其套住的原狀土樣（12)通過土柱 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，最后通過法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進(jìn)行連接；
[0030] 步驟四、測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)分別對原狀土樣（12) 的濕度進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號 通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的濕度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個(gè)測試點(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)分別對原狀土樣（12)的 溫度進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通 過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12) 的溫度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個(gè)測試點(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)分別對原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測 信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土 樣（12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個(gè)測試 點(diǎn)處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％;
[0034]原狀土樣（12)的重金屬離子濃度本底值:多個(gè)X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對初 始狀態(tài)的原狀土樣（12)重金屬離子濃度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的重金屬離子濃度信號傳給微 控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原 狀土樣(12)的重金屬離子濃度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)重金屬離子濃度本底值c;
[0035]原狀土樣（12)的水頭高度：多個(gè)測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn) 行監(jiān)測得到各個(gè)測試點(diǎn)初始階段對應(yīng)的水頭高度h。；
[0036]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 浸沒土樣，浸沒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;
[0037] 步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲
[0038] (1 )、當(dāng)需要模擬由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源的消融入滲模擬過程時(shí)， 只需要將整冰塊型待融源（11)放在原狀土樣（12)上；當(dāng)需要模擬由煤矸石淋濾液制備的粒 徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組 合而成的混合型待融源的消融入滲模擬過程時(shí)，啟動(dòng)攪碎機(jī)(H)，由煤矸石淋濾液制備的待 融源（11)在攪碎機(jī)(H)中攪碎后通過伸縮式傳送裝置(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)將攪碎的由煤矸石 淋濾液制備的待融源（11)均勻地灑落在振動(dòng)篩(R)的上表面，保證攪碎后的由煤矸石淋濾 液制備的待融源（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 夠隨著由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)的粒徑大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)行消融時(shí)，百葉 窗的開口設(shè)置為最大，以便調(diào)溫元件(8-3)更好地進(jìn)行消融加熱;三葉風(fēng)扇(C)扇葉轉(zhuǎn)速較 慢，從而使降下的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)平整;六個(gè)紅外對射報(bào)警找平裝置(J) 兩兩成對構(gòu)成一組實(shí)現(xiàn)對射找平，可全面掃描監(jiān)測原狀土樣（12)上的由煤矸石淋濾液制備 的待融源（11)上表面是否水平；
[0039] (2)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號接通溫度控制器(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)對調(diào)溫元件(8-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測 到的信號實(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)測值與調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí) 驗(yàn)溫度Ti相比對，當(dāng)監(jiān)測值達(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)出信號斷開調(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 接通調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)開始加熱，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 ;
[0040] (3)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號經(jīng)微控制器(7-0)從溫度探測輸入端(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)開始工作，使原狀土樣（12)達(dá)到 預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T2;煤矸石淋濾液消融入滲模擬過程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感 器探頭(4-5)對附近土壤的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測到的信號經(jīng)導(dǎo)線（9)通過微控制器 (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，當(dāng)溫度監(jiān)測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)向溫度探測輸入端(7-1)發(fā)出信號控制 冷熱一體金屬元件(4-6)開始制冷，當(dāng)溫度監(jiān)測值低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)向溫度探測輸入端(7-1)發(fā)出信號控制冷熱一體金屬 元件(4-6)開始加熱，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 出了煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度12的范圍為-20°C~20°C;
[0041 ] (4)、在模擬煤矸石淋濾液消融入滲的過程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的煤矸石淋 濾液從所述出液口（10-1)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣 (12)內(nèi)的煤矸石淋濾液從所述通液孔（1-5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量 杯(3);在煤矸石淋濾液消融入滲過程中，當(dāng)相鄰的兩個(gè)采樣時(shí)刻的未滲入原狀土樣（12)內(nèi) 的煤矸石淋濾液的量的差值小于等于lcm 3時(shí)，說明達(dá)到了煤矸石淋濾液消融入滲穩(wěn)定，停 止實(shí)驗(yàn);此時(shí)，查看徑流量測量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣(12)內(nèi)的煤矸石淋濾液的量，并 將該讀數(shù)記錄為煤矸石淋濾液消融徑流量查看出滲量測量量杯（3)內(nèi)滲出原狀土樣 (12)的煤矸石淋濾液的量，并將該讀數(shù)記錄為煤矸石淋濾液消融出滲量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 算出煤矸石淋濾液消融入滲量Q r;煤矸石淋濾液消融入滲量Qr與煤矸石淋濾液消融徑流量 Qj的和即為煤矸石淋濾液總消融量Qz;對于由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源總量Q 、，可將其換算為對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的體積求得;對于由攪碎機(jī)(H)產(chǎn)生的待融源 總量Q'z，可由投入攪碎機(jī)(H)的煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的 體積乂:與攪碎機(jī)(H)內(nèi)所有的剩余由煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾 液的體積V 2之差來確定，所述的冰塊是邊長為lcm的立方體冰塊；
[0042]步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測
[0043]多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的溫濕度進(jìn)行監(jiān) 測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路 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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信 號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(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)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基 質(zhì)吸力進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的基質(zhì)吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信 號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn) 記錄時(shí)刻對應(yīng)的基質(zhì)吸力Fa;多個(gè)X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對模擬過程中的原狀土樣 (12)的重金屬離子濃度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制器(7-0)，微 控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重 金屬離子濃度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的重金屬離子濃度c 1;多個(gè)測壓管(4-9)分別對原狀土樣(12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān)測得到各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的水頭高度h1;
[0044] 上述所有的監(jiān)測，其監(jiān)測時(shí)間頻率設(shè)置如下:煤矸石淋濾液入滲5分鐘內(nèi)，記錄時(shí) 間間隔為5秒，煤矸石淋濾液入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為10秒，煤矸石淋濾液入滲15-30分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為15秒，煤矸石淋濾液入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為20秒，煤 矸石淋濾液入滲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；
[0045] 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析
[0046] 對所記錄的某一時(shí)刻的溫度h、基質(zhì)吸力Fa和重金屬離子濃度(^監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值 處理，得到某一時(shí)刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的溫度云圖、基質(zhì)吸力云圖和重金屬離子濃度云 圖；同時(shí)對所記錄的某一時(shí)刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的含水率0:監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理，得到 某一時(shí)刻原狀土樣(12)對應(yīng)的含水率云圖；
[0047] 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，找出每個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的濕潤前鋒的位置，所述濕潤 前鋒的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時(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)濕潤前鋒 與完全飽和帶在同一監(jiān)測時(shí)刻出現(xiàn)時(shí)，所述濕潤前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區(qū) 域被定義為煤矸石淋濾液入滲過渡帶；
[0048]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土-水特征曲線；
[0049] 步驟八、煤矸石淋濾液消融入滲系數(shù)及消融率計(jì)算
[0050] 根據(jù)公式Qr = Qz_Qj，計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲量Qr，單位為cm3;其中Q z為煤矸石 淋濾液總消融量，單位為cm3; Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3;
[0051 ]根據(jù)公式AS = Qr-Qc，計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量AS，單位為cm3;其中 Qi?為煤矸石淋濾液入滲量，單位為cm3; Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3;
[0052]根據(jù)公式Vr = Qr/t計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲率Vr，單位為cm3/s;其中Qr為煤矸石 淋濾液入滲量，單位為cm3; t為實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，單位為S;
[0053]根據(jù)公式Vc = Qc/t計(jì)算得到煤矸石淋濾液出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為煤矸石 淋濾液出滲量，單位為cm3; t為實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，單位為s;
[0054] 根據(jù)公式a = Qc/Qz計(jì)算得到煤矸石淋濾液消融入滲系數(shù)a，單位為無量綱；其中Qc 為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3; Qz為煤矸石淋濾液總消融量；
[0055] 根據(jù)公式a' =QZ/Q、計(jì)算得到由煤矸石淋濾液制備的待融源消融率a'，單位為無 量綱;其中Qz為由煤矸石淋濾液制備的待融源總消融量，單位為cn^Q、為由煤矸石淋濾液 制備的待融源總量，單位為cm 3;
[0056]步驟九、非飽和滲透系數(shù)計(jì)算
[0057]基于土柱實(shí)驗(yàn)的煤矸石淋濾液入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下
(1)
[0059] 將Darcy定律代入以上方程（1)得
(2)
[0061]對于非飽和土，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)
[0063] 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 力值的變化將會引起體積含水率^的變化，BP
[0064] dBw = j (2^ - (4):
[0065] 式中：〇--總應(yīng)力；
[0066] miw一一與法向應(yīng)力(〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0067] <--與基質(zhì)吸力(ua_uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0068] 將方程(4)對時(shí)間微分，同時(shí)，在非穩(wěn)定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作 用，假定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得
[0071]由（3)、（5)式可得 (5) 即土-水特征曲線的斜率；
(6)
[0073]其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm;y為土柱測 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，單位為無量 綱;t為時(shí)間，單位為s;
[0074]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；
[0075]步驟十、水動(dòng)力彌散系數(shù)計(jì)算
[0076]由水量均衡原理，土柱上任意截面y處的水分通量qy，可表示為
(7) (8)
[0079]式中：qy為任意截面y處的水分通量，cm/d; qo為土柱頂部的進(jìn)水量，cm/d; 9為體積 含水率，cm3/cm3; A t為時(shí)段，A t = t2-ti，d;k為時(shí)段數(shù)；
[0080] 土柱上任意截面y處的溶質(zhì)通量Jy由質(zhì)量守恒原理得 (9； (10)
[0083]式中：Jy為任意截面y處的溶質(zhì)通量，gAcm2 ? d) ; Jo為土柱頂部的溶質(zhì)通量，g/ (〇112.(1);(^為土壤溶液濃度，8/〇1113;9為體積含水率，〇111 3/〇1113;八1：為時(shí)段，八七=七2-1：1，(1;1^ 為時(shí)段數(shù)；
[0084]根據(jù)水動(dòng)力彌散原理，溶質(zhì)通量等于水動(dòng)力彌散通量與對流通量之和，即
[0087]式中:Dsh為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d;其余符號同前。 (11) 02)
(13)
[0089] 將前面計(jì)算出的和jfK代入上式即可計(jì)算水動(dòng)力彌散系數(shù)Dsh，若取一系列y 斷面則可計(jì)算出一系列Dsh，從而將Dsh和對應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)k或孔隙流速v擬合成經(jīng)驗(yàn) 公式。
[0090] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0091] 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。
[0092] 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)測試元件插入時(shí)溢水 及水分虧損的缺陷，具有測試結(jié)果精確、可靠性高、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。
[0093] 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。
[0094] 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。
[0095] 5.本發(fā)明的煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(8)通過調(diào)溫元件(8-3)和冷熱 一體金屬元件(4-6)實(shí)現(xiàn)煤矸石淋濾液消融低溫入滲模擬過程。
[0096] 6、基于煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)的測定，并給出了測試步驟 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)。
[0097] 7、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)。
[0098] 8、本發(fā)明首次提出由煤矸石淋濾液制備的四種形態(tài)下的待融源，即整冰塊型待融 源、粒徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同 粒徑組合而成的混合型待融源，為合理研究煤矸石淋濾液消融入滲提供了可行的途徑。
[0099] 9、本發(fā)明首次提出多種形式下的煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統(tǒng)及特征參數(shù)的 測定，本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎合理，能夠有效模擬煤矸石淋濾液入滲的多種工況，具有準(zhǔn)確度高、 可靠性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0100] 圖1A是本發(fā)明的系統(tǒng)總圖。
[0101] 圖1B是本發(fā)明中煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(8)的示意圖。
[0102] 圖1C是紅外對射報(bào)警找平裝置(J)示意圖。
[0103] 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。
[0104]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。
[0105] 圖4是圖2中A處的放大圖。
[0106] 圖5是底座(1-1)的俯視圖。
[0107]圖6是插入件(5)的示意圖。
[0108]圖7是插入件(5)中橡膠塞(5-7)的示意圖。
[0109 ]圖8是本發(fā)明的卡箍(4-30)的拆分示意圖。
[0110]圖9是法蘭(6)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0111] 下面參照附圖對本發(fā)明做詳細(xì)敘述。
[0112] 參照圖1A，煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(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)頂部的煤 矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(8);
[0113] 參照圖2,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)通過法蘭(6)與土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連接；
[0114] 參照圖3,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 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 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) ;X射線熒光光譜探頭(4-8)經(jīng)圓形 小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內(nèi)，X射線熒光光譜探頭(4-8)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)測壓管(4-9)，多個(gè)測壓管(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，X射線熒光光譜探頭(4-8)在土柱上按 照同一列布置，測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0115] 參照圖1B，所述的煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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)開有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通過塑料軟管(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)通過導(dǎo) 線(9)接入計(jì)算機(jī)(7)，原狀土樣(12)上設(shè)置有由煤矸石淋濾液制備的待融源(11);
[0116] 參照圖4、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)長度不同使得底座(1-1)呈現(xiàn)坡度；
[0117]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；
[0118] 參照圖6、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);
[0119] 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8等分排布；
[0120] 參照圖8,所述的卡箍（4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈（4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調(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；
[0121] 參照圖9,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);
[0122] 所述的計(jì)算機(jī)(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設(shè)置 有溫度探測輸入端(7-1)、溫濕度探測輸出端(7-2)、基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3)和重金屬離 子濃度監(jiān)測值輸出端(7-4);溫度探測輸入端(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)，重金屬離子濃度監(jiān)測值輸出端(7-4)經(jīng)導(dǎo) 線(9)連接X射線熒光光譜探頭(4-8);
[0123] 參照圖1B、圖1C，所述的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)設(shè)定為四種形態(tài)，整冰 塊型待融源、粒徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以 及由不同粒徑組合而成的混合型待融源;在圓柱構(gòu)件（10)與由煤矸石淋濾液制備的待融源 (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)紅外對射報(bào) 警找平裝置(J);煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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。
[0124] 基于煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統(tǒng)的特征參數(shù)測定方法，包括以下步驟：
[0125] 步驟一、組裝土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件
[0126] 分別對土柱實(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 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)通過法蘭(6)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)縱向拼接；
[0127] 步驟二、安裝原狀土樣
[0128] 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) 之間密封及防水處理保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)煤矸石淋濾液不從縫隙直接流下；
[0129] 步驟三、組裝土柱實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備
[0130]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)出液孔外接塑料軟管(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)對準(zhǔn)外螺紋連接段(1-6)，通過轉(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)件連同其套住的原狀土樣（12)通過土柱 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，最后通過法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進(jìn)行連接；
[0131]步驟四、測定原狀土樣的初始狀態(tài)
[0132] 原狀土樣（12)的初始含水率:多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12) 的濕度進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號 通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的濕度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土 樣(12)的初始含水率0。；
[0133] 原狀土樣（12)的初始溫度：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的 溫度進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通 過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12) 的溫度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的初始溫度Tc;
[0134] 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)分別對原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測 信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土 樣（12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個(gè)測試 點(diǎn)處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％;
[0135] 原狀土樣（12)的重金屬離子濃度本底值:多個(gè)X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對初 始狀態(tài)的原狀土樣（12)重金屬離子濃度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的重金屬離子濃度信號傳給微 控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原 狀土樣(12)的重金屬離子濃度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)重金屬離子濃度本底值c;
[0136] 原狀土樣（12)的水頭高度：多個(gè)測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn) 行監(jiān)測得到各個(gè)測試點(diǎn)初始階段對應(yīng)的水頭高度h。；
[0137] 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 浸沒土樣，浸沒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;
[0138] 步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲
[0139] (1)、當(dāng)需要模擬由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源的消融入滲模擬過程時(shí)， 只需要將整冰塊型待融源（11)放在原狀土樣（12)上；當(dāng)需要模擬由煤矸石淋濾液制備的粒 徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組 合而成的混合型待融源的消融入滲模擬過程時(shí)，啟動(dòng)攪碎機(jī)(H)，由煤矸石淋濾液制備的待 融源（11)在攪碎機(jī)(H)中攪碎后通過伸縮式傳送裝置(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)將攪碎的由煤矸石 淋濾液制備的待融源（11)均勻地灑落在振動(dòng)篩(R)的上表面，保證攪碎后的由煤矸石淋濾 液制備的待融源（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 夠隨著由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)的粒徑大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)行消融時(shí)，百葉 窗的開口設(shè)置為最大，以便調(diào)溫元件(8-3)更好地進(jìn)行消融加熱;三葉風(fēng)扇(C)扇葉轉(zhuǎn)速較 慢，從而使降下的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)平整;六個(gè)紅外對射報(bào)警找平裝置(J) 兩兩成對構(gòu)成一組實(shí)現(xiàn)對射找平，可全面掃描監(jiān)測原狀土樣（12)上的由煤矸石淋濾液制備 的待融源（11)上表面是否水平；
[0140] (2)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號接通溫度控制器(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)對調(diào)溫元件(8-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測 到的信號實(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)測值與調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí) 驗(yàn)溫度Ti相比對，當(dāng)監(jiān)測值達(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)出信號斷開調(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 接通調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)開始加熱，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 ;
[0141] (3)、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號經(jīng)微控制器(7-0)從溫度探測輸入端(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)開始工作，使原狀土樣（12)達(dá)到 預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度T 2;煤矸石淋濾液消融入滲模擬過程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感 器探頭(4-5)對附近土壤的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測到的信號經(jīng)導(dǎo)線（9)通過微控制器 (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，當(dāng)溫度監(jiān)測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)向溫度探測輸入端(7-1)發(fā)出信號控制 冷熱一體金屬元件(4-6)開始制冷，當(dāng)溫度監(jiān)測值低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)向溫度探測輸入端(7-1)發(fā)出信號控制冷熱一體金屬 元件(4-6)開始加熱，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 出了煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度12的范圍為-20°C~20°C ;
[0142] (4)、在模擬煤矸石淋濾液消融入滲的過程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的煤矸石淋 濾液從所述出液口（10-1)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣 (12)內(nèi)的煤矸石淋濾液從所述通液孔（1-5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入出滲量測量量 杯(3);在煤矸石淋濾液消融入滲過程中，當(dāng)相鄰的兩個(gè)采樣時(shí)刻的未滲入原狀土樣（12)內(nèi) 的煤矸石淋濾液的量的差值小于等于lcm 3時(shí)，說明達(dá)到了煤矸石淋濾液消融入滲穩(wěn)定，停 止實(shí)驗(yàn);此時(shí)，查看徑流量測量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣(12)內(nèi)的煤矸石淋濾液的量，并 將該讀數(shù)記錄為煤矸石淋濾液消融徑流量查看出滲量測量量杯（3)內(nèi)滲出原狀土樣 (12)的煤矸石淋濾液的量，并將該讀數(shù)記錄為煤矸石淋濾液消融出滲量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 算出煤矸石淋濾液消融入滲量Qr;煤矸石淋濾液消融入滲量Qr與煤矸石淋濾液消融徑流量 Qj的和即為煤矸石淋濾液總消融量Qz;對于由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源總量Q 可將其換算為對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的體積求得;對于由攪碎機(jī)(H)產(chǎn)生的待融源 總量Q'z，可由投入攪碎機(jī)(H)的煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的 體積乂:與攪碎機(jī)(H)內(nèi)所有的剩余由煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾 液的體積V 2之差來確定，所述的冰塊是邊長為lcm的立方體冰塊；
[0143] 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測
[0144] 多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的溫濕度進(jìn)行監(jiān) 測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路 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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信 號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(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)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基 質(zhì)吸力進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的基質(zhì)吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信 號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn) 記錄時(shí)刻對應(yīng)的基質(zhì)吸力Fa;多個(gè)X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對模擬過程中的原狀土樣 (12)的重金屬離子濃度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制器(7-0)，微 控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重 金屬離子濃度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的重金屬離子濃度c 1;多個(gè)測壓管(4-9)分別對原狀土樣(12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān)測得到各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的水頭高度h1;
[0145] 上述所有的監(jiān)測，其監(jiān)測時(shí)間頻率設(shè)置如下:煤矸石淋濾液入滲5分鐘內(nèi)，記錄時(shí) 間間隔為5秒，煤矸石淋濾液入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為10秒，煤矸石淋濾液入滲15- 30分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為15秒，煤矸石淋濾液入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為20秒， 煤矸石淋濾液入滲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；
[0146] 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析
[0147] 對所記錄的某一時(shí)刻的溫度h、基質(zhì)吸力Fa和重金屬離子濃度(^監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值 處理，得到某一時(shí)刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的溫度云圖、基質(zhì)吸力云圖和重金屬離子濃度云 圖；同時(shí)對所記錄的某一時(shí)刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的含水率0:監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理，得到 某一時(shí)刻原狀土樣(12)對應(yīng)的含水率云圖；
[0148] 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，找出每個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的濕潤前鋒的位置，所述濕潤 前鋒的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時(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)濕潤前鋒 與完全飽和帶在同一監(jiān)測時(shí)刻出現(xiàn)時(shí)，所述濕潤前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區(qū) 域被定義為煤矸石淋濾液入滲過渡帶；
[0149] 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土-水特征曲線；
[0150] 步驟八、煤矸石淋濾液消融入滲系數(shù)及消融率計(jì)算
[0151]根據(jù)公式Qr = Qz-Qj，計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為煤矸 石淋濾液總消融量，單位為cm3; Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3;
[0152] 根據(jù)公式AS = Qr-Qc，計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量AS，單位為cm3;其中 Qi?為煤矸石淋濾液入滲量，單位為cm3; Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3;
[0153] 根據(jù)公式Vr = Qr/t計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲率Vr，單位為cm3/s;其中Qr為煤矸石 淋濾液入滲量，單位為cm 3; t為實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，單位為S;
[0154]根據(jù)公式Vc = Qc/t計(jì)算得到煤矸石淋濾液出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為煤矸石 淋濾液出滲量，單位為cm3; t為實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，單位為s;
[0155] 根據(jù)公式a = (k/Qz計(jì)算得到煤矸石淋濾液消融入滲系數(shù)a，單位為無量綱；其中Q。 為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm 3; Qz為煤矸石淋濾液總消融量；
[0156] 根據(jù)公式V =QZ/Q、計(jì)算得到由煤矸石淋濾液制備的待融源消融率V，單位為無 量綱;其中Qz為由煤矸石淋濾液制備的待融源總消融量，單位為cn^Q、為由煤矸石淋濾液 制備的待融源總量，單位為cm 3;
[0157] 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計(jì)算
[0158] 基于土柱實(shí)驗(yàn)的煤矸石淋濾液入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下
(1)
[0160]將Darcy定律代入以上方程（1)得
(2)
[0162]對于非飽和土，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
⑶
[0164] 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 力值的變化將會引起體積含水率^的變化，BP
[0165] = -m,''d(a-ua)- ni) (ua - uu ) (4)
[0166] 式中：〇--總應(yīng)力；
[0167] miw一一與法向應(yīng)力(〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0168] 蜱--與基質(zhì)吸力(ua_uw)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)；
[0169] 將方程(4)對時(shí)間微分，同時(shí)，在非穩(wěn)定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作 用，假定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得
(5) 丨即土 -水特征曲線的斜率；
[0172]由（3)、（5)式可得
(6)
[0174] 其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測 點(diǎn)高度，單位為cm; yw為水的重度，單位為N/m3;?r為土-水特征曲線的斜率，單位為無量 綱;t為時(shí)間，單位為s;
[0175] 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；
[0176]步驟十、水動(dòng)力彌散系數(shù)計(jì)算
[0177]由水量均衡原理，土柱上任意截面y處的水分通量qy，可表示為
(7) (8)
[0180]式中：qy為任意截面y處的水分通量，cm/d; qo為土柱頂部的進(jìn)水量，cm/d; 9為體積 含水率，cm3/cm3; A t為時(shí)段，A t = t2-ti，d;k為時(shí)段數(shù)；
[0181] 土柱上任意截面y處的溶質(zhì)通量Jy由質(zhì)量守恒原理得
(10)
[0184] 式中：Jy為任意截面y處的溶質(zhì)通量，gAcm2 ? d) ; Jo為土柱頂部的溶質(zhì)通量，g/ (〇112.(1);(^為土壤溶液濃度，8/〇111 3;9為體積含水率，〇1113/〇1113;八1：為時(shí)段，八七=七2-1：1，(1 ;1^ 為時(shí)段數(shù)；
[0185] 根據(jù)水動(dòng)力彌散原理，溶質(zhì)通量等于水動(dòng)力彌散通量與對流通量之和，即 (11) (13) 02)
[0188]式中:Dsh為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d;其余符號同前。
[0190]將前面計(jì)算出的和代入上式即可計(jì)算水動(dòng)力彌散系數(shù)Dsh，若取一系列y 斷面則可計(jì)算出一系列Dsh，從而將Dsh和對應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)k或孔隙流速v擬合成經(jīng)驗(yàn) 公式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)，其特征在于，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)頂部的煤 矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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)通過法蘭(6) 與土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)連接； 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) ;X射線熒光光譜探頭(4-8)經(jīng)圓形小孔(4-4)插 入原狀土樣（12)內(nèi)，X射線熒光光譜探頭(4-8)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)測壓管(4-9)，多個(gè)測壓管(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，X射線熒光光譜探頭(4-8)在土柱上按照同一列布置， 測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置； 所述的煤矸石淋濾液消融入滲補(bǔ)給模擬裝置(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) 開有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通過塑料軟管（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)通過導(dǎo)線(9)接入計(jì)算機(jī) (7)，原狀土樣(12)上設(shè)置有由煤矸石淋濾液制備的待融源(11)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的承 力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)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所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)，其特征在于，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。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(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(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)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(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，橫向上繞土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(4)外圓周長8等分排布。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的卡 箍(4-30)由兩半圓環(huán)鋼圈(4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡箍(4-30)的另一端 接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調(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。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(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所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的計(jì) 算機(jī)(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設(shè)置有溫度探測輸入端 (7-1)、溫濕度探測輸出端(7-2)、基質(zhì)吸力探測輸出端(7-3)和重金屬離子濃度監(jiān)測值輸出 端(7-4);溫度探測輸入端(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)，重金屬離子濃度監(jiān)測值輸出端(7-4)經(jīng)導(dǎo)線(9)連接X射線熒 光光譜探頭(4-8)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的由 煤矸石淋濾液制備的待融源（11)包括四種形態(tài)，整冰塊型待融源、粒徑為5cm-10cm的中等 冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合而成的混合型待融 源;在圓柱構(gòu)件（10)與由煤矸石淋濾液制備的待融源（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)紅外對射報(bào)警找平裝置(J);煤矸石淋濾液消融入 滲補(bǔ)給模擬裝置(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。10. 基于上述任一權(quán)利要求書所述的煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統(tǒng)的特征參數(shù)測定 方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、組裝土柱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 分別對土柱實(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)通過法蘭(6)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)縱向拼接； 步驟二、安裝原狀土樣 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 密封及防水處理保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)煤矸石淋濾液不從縫隙直接流下； 步驟三、組裝土柱實(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)出液孔外接塑料軟管(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)對準(zhǔn)外螺紋連接段（1-6)，通過轉(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)件連同其套住的原狀土樣（12)通過土柱實(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，最后通過法蘭(6)將圓柱構(gòu)件（10)進(jìn)行連接； 步驟四、測定原狀土樣的初始狀態(tài) 原狀土樣（12)的初始含水率：多個(gè)溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的濕 度進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過 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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的 濕度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12) 的初始含水率Θ。； 原狀土樣（12)的初始溫度：多個(gè)溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對原狀土樣（12)的溫度 進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串 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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫 度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的 初始溫度T。； 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)分別對原狀土樣（12)的基 質(zhì)吸力進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號 通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣 (12)的基質(zhì)吸力信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn) 處原狀土樣（12)的初始基質(zhì)吸力?％; 原狀土樣（12)的重金屬離子濃度本底值:多個(gè)X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對初始狀 態(tài)的原狀土樣(12)重金屬離子濃度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制 器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土 樣(12)的重金屬離子濃度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)重金屬離子濃度本底值c; 原狀土樣（12)的水頭高度：多個(gè)測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān) 測得到各個(gè)測試點(diǎn)初始階段對應(yīng)的水頭高度h。； 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 土樣，浸沒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; 步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲 (1 )、當(dāng)需要模擬由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源的消融入滲模擬過程時(shí)，只需 要將整冰塊型待融源（11)放在原狀土樣（12)上；當(dāng)需要模擬由煤矸石淋濾液制備的粒徑為 5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合而 成的混合型待融源的消融入滲模擬過程時(shí)，啟動(dòng)攪碎機(jī)(H)，由煤矸石淋濾液制備的待融源 (11)在攪碎機(jī)(H)中攪碎后通過伸縮式傳送裝置(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)將攪碎的由煤矸石淋濾 液制備的待融源（11)均勻地灑落在振動(dòng)篩(R)的上表面，保證攪碎后的由煤矸石淋濾液制 備的待融源（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 著由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)的粒徑大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)行消融時(shí)，百葉窗的 開口設(shè)置為最大，以便調(diào)溫元件(8-3)更好地進(jìn)行消融加熱;三葉風(fēng)扇(C)扇葉轉(zhuǎn)速較慢，從 而使降下的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)平整;六個(gè)紅外對射報(bào)警找平裝置(J)兩兩 成對構(gòu)成一組實(shí)現(xiàn)對射找平，可全面掃描監(jiān)測原狀土樣（12)上的由煤矸石淋濾液制備的待 融源（11)上表面是否水平； (2) 、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號接通溫度控制器(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)對調(diào)溫元件(8-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測到的信 號實(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)測值與調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度 h相比對，當(dāng)監(jiān)測值達(dá)到調(diào)溫元件(8-3)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度1^時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)向溫度控制器(8-1) 發(fā)出信號斷開調(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)出信號接通 調(diào)溫元件(8-3)的供電回路，調(diào)溫元件(8-3)開始加熱，從而使調(diào)溫元件(8-3)保持為預(yù)設(shè)實(shí) 驗(yàn)溫度T!;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度1\的范圍為0°C~80°C ; (3) 、計(jì)算機(jī)(7)發(fā)出信號經(jīng)微控制器(7-0)從溫度探測輸入端(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)開始工作，使原狀土樣（12)達(dá)到預(yù)設(shè) 實(shí)驗(yàn)溫度T 2;煤矸石淋濾液消融入滲模擬過程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感器探 頭(4-5)對附近土壤的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測到的信號經(jīng)導(dǎo)線(9)通過微控制器(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)測值與冷熱 一體金屬元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Τ 2相比對，當(dāng)溫度監(jiān)測值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預(yù) 設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Τ2時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發(fā)出信號控制冷熱 一體金屬元件(4-6)開始制冷，當(dāng)溫度監(jiān)測值低于冷熱一體金屬元件(4-6)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度Τ 2 時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)經(jīng)微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發(fā)出信號控制冷熱一體金屬元件 (4-6)開始加熱，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Τ 2,模擬出了 煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件;預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度^的范圍為-20Γ~20°C ; (4) 、在模擬煤矸石淋濾液消融入滲的過程中，未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的煤矸石淋濾液 從所述出液口（10-1)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣（12) 內(nèi)的煤矸石淋濾液從所述通液孔（1 -5)內(nèi)流出并經(jīng)過塑料軟管（2)流入出滲量測量量杯 (3);在煤矸石淋濾液消融入滲過程中，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 煤矸石淋濾液的量的差值小于等于lcm3時(shí)，說明達(dá)到了煤矸石淋濾液消融入滲穩(wěn)定，停止 實(shí)驗(yàn);此時(shí)，查看徑流量測量量杯（13)內(nèi)未滲入原狀土樣（12)內(nèi)的煤矸石淋濾液的量，并將 該讀數(shù)記錄為煤矸石淋濾液消融徑流量查看出滲量測量量杯(3)內(nèi)滲出原狀土樣（12) 的煤矸石淋濾液的量，并將該讀數(shù)記錄為煤矸石淋濾液消融出滲量Q。;根據(jù)原狀土樣（12) 入滲穩(wěn)定時(shí)上表層處的含水率Θ，結(jié)合原狀土樣（12)上表層處的初始含水率Θ。，從而換算出 煤矸石淋濾液消融入滲量Q r;煤矸石淋濾液消融入滲量Qr與煤矸石淋濾液消融徑流量(^的 和即為煤矸石淋濾液總消融量Q z;對于由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源總量V z，可 將其換算為對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的體積求得;對于由攪碎機(jī)(H)產(chǎn)生的待融源總量 Q、，可由投入攪碎機(jī)(H)的煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的體積％ 與攪碎機(jī)(H)內(nèi)所有的剩余由煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應(yīng)的4°C下煤矸石淋濾液的體 積V 2之差來確定，所述的冰塊是邊長為lcm的立方體冰塊； 步驟六、模擬過程中的各參數(shù)監(jiān)測 多個(gè)溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測， 并將監(jiān)測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號，并 將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的溫度 、含水率θ 1;多個(gè)土壤熱傳導(dǎo)吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基質(zhì)吸 力進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的基質(zhì)吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監(jiān)測信號通 過串口通信電路實(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)測試點(diǎn)處原狀土樣（12) 的基質(zhì)吸力信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的基質(zhì)吸力信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄 時(shí)刻對應(yīng)的基質(zhì)吸力F a;多個(gè)X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對模擬過程中的原狀土樣（12) 的重金屬離子濃度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制器(7-0)，微控制 器(7-0)將監(jiān)測信號通過串口通信電路實(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) 測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個(gè)測試點(diǎn)處原狀土樣（12)的重金屬 離子濃度信號記錄為各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的重金屬離子濃度c 1;多個(gè)測壓管(4-9)分 別對原狀土樣(12)的水頭高度進(jìn)行監(jiān)測得到各個(gè)測試點(diǎn)記錄時(shí)刻對應(yīng)的水頭高度lu; 上述所有的監(jiān)測，其監(jiān)測時(shí)間頻率設(shè)置如下：煤矸石淋濾液入滲5分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間 隔為5秒，煤矸石淋濾液入滲5-15分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為10秒，煤矸石淋濾液入滲15-30分 鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為15秒，煤矸石淋濾液入滲30-60分鐘內(nèi)，記錄時(shí)間間隔為20秒，煤矸石 淋濾液入滲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； 步驟七、模擬過程中監(jiān)測結(jié)果分析 對所記錄的某一時(shí)刻的溫度、基質(zhì)吸力Fa和重金屬離子濃度(^監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理， 得到某一時(shí)刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的溫度云圖、基質(zhì)吸力云圖和重金屬離子濃度云圖；同 時(shí)對所記錄的某一時(shí)刻原狀土樣（12)所對應(yīng)的含水率0 1監(jiān)測數(shù)據(jù)做插值處理，得到某一時(shí) 刻原狀土樣（12)對應(yīng)的含水率云圖； 依據(jù)含水率云圖的變化規(guī)律，找出每個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的濕潤前鋒的位置，所述濕潤前鋒 的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位置連 線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時(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)濕潤前鋒與完 全飽和帶在同一監(jiān)測時(shí)刻出現(xiàn)時(shí)，所述濕潤前鋒線與飽和含水率0 sat等值線之間的區(qū)域被 定義為煤矸石淋濾液入滲過渡帶； 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土-水特征曲線； 步驟八、煤矸石淋濾液消融入滲系數(shù)及消融率計(jì)算 根據(jù)公式Qr = Qz-Qj，計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為煤矸石淋濾 液總消融量，單位為cm3; Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3; 根據(jù)公式AS = Qr-Qc，計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量AS，單位為cm3;其中Q r為煤 矸石淋濾液入滲量，單位為cm3; Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3; 根據(jù)公式Vr = Qr/t計(jì)算得到煤矸石淋濾液入滲率Vr，單位為Cm3/S;其中Qr為煤矸石淋濾 液入滲量，單位為cm3; t為實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，單位為s; 根據(jù)公式Vc = Qc/t計(jì)算得到煤矸石淋濾液出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為煤矸石淋濾 液出滲量，單位為cm3; t為實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，單位為s; 根據(jù)公式a = (k/Qz計(jì)算得到煤矸石淋濾液消融入滲系數(shù)α，單位為無量綱；其中Q。為煤 矸石淋濾液出滲量，單位為cm3; Qz為煤矸石淋濾液總消融量； 根據(jù)公式V =QZ/Q、計(jì)算得到由煤矸石淋濾液制備的待融源消融率Y，單位為無量綱； 其中Qz為由煤矸石淋濾液制備的待融源總消融量，單位為cn^Q、為由煤矸石淋濾液制備的 待融源總量，單位為cm 3; 步驟九、非飽和滲透系數(shù)計(jì)算 基于土柱實(shí)驗(yàn)的煤矸石淋濾液入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數(shù)學(xué)模型如下將Darcy定律代入以上方程(1)得對于非飽和土，滲透系數(shù)k與含水率存在函數(shù)關(guān)系，所以方程(2)可化為下式根據(jù)Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應(yīng)力（〇-ua)和基質(zhì)吸力值 的變化將會引起體積含水率的變化，BP d(K.d(a-uJ-m';[ua-i、、 (4) 式中：σ--總應(yīng)力； miw--與法向應(yīng)力(〇_ua)變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)； 川--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)對時(shí)間微分，同時(shí)，在非穩(wěn)定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作用，假 定在非飽和區(qū)氣相連續(xù)不變，得由（3)、（5)式可得其中：k為非飽和滲透系數(shù)，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測點(diǎn)高 度，單位為cm; γ w為水的重度，單位為N/m3; <為土-水特征曲線的斜率，單位為無量綱;t為 時(shí)間，單位為s; 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； 步驟十、水動(dòng)力彌散系數(shù)計(jì)算 由水量均衡原理，土柱上任意截面y處的水分通量qy，可表示為式中：qy為任意截面y處的水分通量，cm/d; qo為土柱頂部的進(jìn)水量，cm/d; Θ為體積含水 率，cm3/cm3; Δ t為時(shí)段，Δ t = t2_ti，d;k為時(shí)段數(shù)； 土柱上任意截面y處的溶質(zhì)通量Jy由質(zhì)量守恒原理得式中：Jy為任意截面y處的溶質(zhì)通量，g/(cm2 · d);J〇為土柱頂部的溶質(zhì)通量，g/(cm2 · d) ;ci為土壤溶液濃度，g/cm3;9為體積含水率，cm3/ cm3; Δ t為時(shí)段，Δ t = t2_ti，d;k為時(shí)段 數(shù)； 根據(jù)水動(dòng)力彌散原理，溶質(zhì)通量等于水動(dòng)力彌散通量與對流通量之和，即式中:Dsh為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d;其余符號同前；將前面計(jì)算出的和乂#代入上式即可計(jì)算水動(dòng)力彌散系數(shù)Dsh，若取一系列y斷面則 可計(jì)算出一系列Dsh，從而將Dsh和對應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)k或孔隙流速v擬合成經(jīng)驗(yàn)公式。
【文檔編號】G01N15/08GK105929138SQ201610474363
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月25日
【發(fā)明人】毛正君
【申請人】西安科技大學(xué)