模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟非饱和带瞬态流‑稳态流转化机理的试验装置及方法，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶以及设置在其上方的供水装置，供水装置底部设置有出口正对玻璃瓶顶部的出水管，出水管上设置流速控制阀门；玻璃瓶底部开设玻璃瓶出水口，玻璃瓶出水口设置有橡皮塞；供水装置底部还设置有一排水管和进水水管，排水管顶端伸入供水装置容腔内，进水管连接在水闸与供水装置之间；将水在非饱和土中的流动概化为在重力作用下水在垂向排列的开孔容器中流动的一维流模型，利用水量平衡原理和伯努利方程，进行水力计算和推导，得到任意时刻任意容器单元的流速和水位关系，并通过试验对该模型进行了验证，结果符合理论设想，也符合非饱和土渗流规律。

Experimental device and method for simulating transient flow steady flow transformation mechanism in unsaturated zone

The invention discloses an experimental device and method for simulating the steady flow conversion mechanism of transient flow of unsaturated zone, including an open glass bottle for simulating the soil and a water supply device above it. The bottom of the water supply device is provided with the outlet pipe on the top of the glass bottle, and the flow rate control valve is set on the outlet pipe. A glass bottle outlet is opened at the bottom of the glass bottle. The glass bottle outlet is set with a rubber plug; the bottom of the water supply device is also provided with a drainage pipe and a water inlet pipe, the top of the drain pipe is inserted into the water supply chamber, and the inlet pipe is connected between the sluice and the water supply device; the flow of water in the unsaturated soil is generalized to be launched under gravity action. A one-dimensional flow model in a vertically arranged open hole container, using the principle of water balance and the Bernoulli equation, is used to calculate and deduce the relationship between the flow velocity and the water level of any container unit at any time, and the model is verified by the test. The result is reasonable and conforms to the percolation rules of unsaturated soil. Law.

【技术实现步骤摘要】
模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及方法
本专利技术涉及水文地质与工程地质
，具体涉及一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及方法。
技术介绍
非饱和带是地下水与大气降水、地表水进行交换的必经通道，是衔接地表水和地下水的纽带，在地下水科学、环境科学、农林水利工程以及地质灾害防治工程中非饱和带起着举足轻重的作用，且在我国西北干旱半干旱地区，荒漠化与水土流失严重，生态环境极其脆弱，因此，进行非饱和带水分运移规律的研究，对该区地下水资源的定量评价、地表植被的生态效应问题以及工程地质问题的研究意义重大。目前常用的模拟非饱和带入渗的方法可以总结为一维土柱瞬态入渗法，其原理是将水在柱状土体中的流动概化为一维流入渗，在上部边界施加一定的补给量，通过观测不同时刻不同深度土体中水份的含量，利用达西定律、能量守恒原理等数学手段，得到重力作用下水份在所研究土体中的迁移规律，从而预测出一定补给条件下不同时刻非饱和土的含水率或不同含水率下土壤的持水能力。其中，构成土柱的方式有直接取原状土柱样、将土夯填在柱状容器中或将环刀样按一定顺序垒成柱状等手段，观测土体含水率的方式有直接称重法、插水分计、电阻法、γ射线法等。经过大量验证，这些方式得到的土水特征曲线是可信的，然而水在非饱和土中的流动是抽象的，无法像地表水一样直观地呈现出来；且一维土柱瞬态入渗法在研究不同渗透特性、不同深度的土的渗透性变化时耗力、耗时难以操作，在实验过程中测含水率的成本也会随测量精度的提高而大大增加。理论推导瞬态流-稳态流转化机理一般借助非饱和土力学的公式，但是计算过程是相对复杂的。因此，为了直观、方便、简单且经济地模拟出水在非饱和带从瞬态到稳态的变化过程，有必要提出一套新的模型以及试验方案来补充现有的室内模拟试验，为研究非饱和带水份的迁移规律提供新的思路。
技术实现思路
为了解决现有理论模型繁琐，室内模拟不直观、难以灵活控制入渗条件等问题，本专利技术提供了一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及模拟方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶以及设置在玻璃瓶上方的供水装置，供水装置的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管，出水管上设置有流速控制阀门；玻璃瓶底部开设有玻璃瓶出水口，还包括用来密封玻璃瓶出水口的橡皮塞；供水装置底部还设置有一排水管和用于给供水装置加水的进水水管，排水管顶端伸入供水装置容腔内，进水管连接在水闸与供水装置之间。玻璃瓶至少为一个，当玻璃瓶数量大于时，玻璃瓶之间同轴竖直设置，供水装置设置在顶级玻璃瓶的正上方。还包括设置在末级玻璃瓶下方用于容纳末级玻璃瓶出水的水槽，水槽上设有刻度。玻璃瓶内径为3.6cm、高19cm、出口孔径小于2mm、最大容积165mL；玻璃瓶上设有刻度；用紧固螺丝将玻璃瓶用金属管卡固定在墙面上，相邻两玻璃瓶之间的间隔为1cm，金属管卡直径75cm。供水装置放置在由固定螺丝固定的面板上，进水管一端与水闸相连，另一端设置在供水装置的上部敞口处。排水管直径为2cm，出水管的直径为0.5cm，进水管直径为1.5cm。本专利技术还提供了一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的方法，包括以下步骤：步骤1，根据所要模拟的土体的渗透速率选择玻璃瓶，将玻璃瓶纵向安装在供水装置的下方，在最下端的玻璃瓶底部放置一个带有刻度的水槽，水槽用来承接由玻璃瓶组成的水流系统中流出的余水；步骤2、用橡皮塞封闭每个玻璃瓶的出水口；步骤3、关闭流速控制阀门，打开水闸，通过进水管为供水装置加水，当水面到达排水管上端口处时，水就会沿排水管流出，供水装置中的水位保持在与排水管上端平齐的恒定水位处，排水管上端可以外接硬管来实现供水装置中不同高度的恒定水位；当进行恒水头试验时，供水装置加水完毕后将流速控制阀门打开，微调整水闸使得供水装置中水位恒定；当进行变水头试验时，供水装置加水完毕后将水闸关闭，打开流速控制阀门，直至供水装置中的水流尽后再打开水闸向供水装置中加水至排水管上端口处后关闭水闸，以此循环至实验结束；步骤4、用温度计测量出供水装置中的水温并进行记录；记录好每个瓶子的初始水位，同时打开流速控制阀门和橡皮塞，并开始计时，试验开启；每隔10秒，对所有玻璃瓶中的水位进行观察并记录，直至最后一个玻璃瓶内的水位不再变化，各个玻璃瓶的供给与排泄达到平衡，系统达到稳定状态试验结束，试验结束时测取供水装置中的的水温；步骤5、将试验数据录入到电脑中生成t-h曲线，计算出设计条件下的系统的稳定时间、稳定水位、影响深度、稳定净补给量。所述步骤中还包括在供水装置的溶液中添加有色溶剂。所述步骤中还包括向玻璃瓶中加入初始水量，初始水量根据玻璃瓶所模拟的土体的含水率进行添加。本专利技术的水力模型建立过程如下，在理论上，水力模型由若干开孔容器上下相接组成，均为敞口容器，可接受上层容器从底部开孔处流下的水份补给。开孔大小代表容器的容水能力，用来模拟土层的渗透系数。试验设计图见说明书附图1，水力计算示意图见图2，得到任意开孔容器的流速和水位的关系如下：其中，vi为第i个开孔容器的流速，g为重力加速度，t为时间，Δt为时间间隔，h为第i个开孔容器内的水位，Q为Δt时间内流入到第i个开孔容器的水量，R为第i个开孔容器的半径，ri为第i个开孔容器底部开孔的半径，ri-1为第i-1个开孔容器即第i个容器上端容器的底部开孔的半径。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果，其中用底部带有出水孔的玻璃瓶组成渗水系统来模拟非饱和土的水份入渗过程简单而直观，且符合非饱和土渗透规律和水力学规律，为研究非饱和带渗透规律提供了新思路，整个试验装置可操作性高，能灵活安装不同个数、不同过水能力以及不同材料的容器单元，可以多角度进行对比研究，供水装置利用较大半径出水管能够将超过出水管的水及时排出，使供水瓶在持续供水中还能保持恒定水位，克服了马氏瓶不能持续供水的缺点和现有恒水头供水装置安装复杂成本高的弊端。附图说明图1是理论模型的理想试验设计图；附图中：1-供水装置，2-固定螺丝，3-面板，4-出水管，5-流速控制阀门，6-进水管，7-排水管，8-金属管卡，9-水闸，10-紧固螺丝，11-玻璃瓶，12-玻璃瓶出水口，13-水池，14-橡皮塞，15-水槽。图2是图1水力计算的示意图；附图中：i-某开孔容器，a-a为上部液面，b-b为下部液面，a’-a’为水位变化后的上部液面，h为初始水位，Δh为水位变化量，Qi为流入开孔容器i内的水量，Qi-1为流出开孔容器i内的水量。图3是理论计算—定水头供给下各水力单元水位随时间的变化。图4是理论计算—变水头供给下各水力单元水位随时间的变化。图5是试验验证—定水头供给下各玻璃瓶内水位随时间的变化。图6是试验验证—变水头供给下各玻璃瓶内水位随时间的变化。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。水在土体中的流动受土壤类型、粒度特征、孔隙大小及其分布等影响，关于这些因素对水流动的影响研究不胜其数，也不能给出一个简单明了的解释。本专利技术认为，不论有多种控制因素，都可以将水在土体中的流动简化为水在可容纳一定量水的容器中的流动的传递，这种传递随着时间的推移从波动传递变成稳定传递本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟非饱和带瞬态流‑稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶(11)以及设置在玻璃瓶(11)上方的供水装置(1)，供水装置(1)的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管(4)，出水管(4)上设置有流速控制阀门(5)；玻璃瓶(11)底部开设有玻璃瓶出水口(12)，还包括用来密封玻璃瓶出水口(12)的橡皮塞(14)；供水装置(1)底部还设置有一排水管(7)和用于给供水装置(1)加水的进水水管(6)，排水管(7)顶端伸入供水装置(7)容腔内，进水管(6)连接在水闸(9)与供水装置(1)之间。

【技术特征摘要】
1.模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶(11)以及设置在玻璃瓶(11)上方的供水装置(1)，供水装置(1)的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管(4)，出水管(4)上设置有流速控制阀门(5)；玻璃瓶(11)底部开设有玻璃瓶出水口(12)，还包括用来密封玻璃瓶出水口(12)的橡皮塞(14)；供水装置(1)底部还设置有一排水管(7)和用于给供水装置(1)加水的进水水管(6)，排水管(7)顶端伸入供水装置(7)容腔内，进水管(6)连接在水闸(9)与供水装置(1)之间。2.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，玻璃瓶(11)至少为一个，当玻璃瓶(11)数量大于(1)时，玻璃瓶(11)之间同轴竖直设置，供水装置(1)设置在顶级玻璃瓶的正上方。3.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，还包括设置在末级玻璃瓶下方用于容纳末级玻璃瓶出水的水槽(15)，水槽(15)上设有刻度。4.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，玻璃瓶(11)内径为3.6cm、高19cm、出口孔径小于2mm、最大容积165mL；玻璃瓶(11)上设有刻度；用紧固螺丝(10)将玻璃瓶(11)用金属管卡(8)固定在墙面上，相邻两玻璃瓶(11)之间的间隔为1cm，金属管卡(8)直径75cm。5.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，供水装置(1)放置在由固定螺丝(2)固定的面板(3)上，进水管(6)一端与水闸(9)相连，另一端设置在供水装置(1)的上部敞口处。6.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，排水管(7)直径为2cm，出水管(4)的直径为0.5cm，进水管(6)直径为1.5cm。7.模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，郭剑，江睿君，张亚国，付昱凯，张辉，范江文，李强，沈月强，乔志甜，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61