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1、垂直土柱的入渗实验操作说明一维垂直非饱和土壤水分运动实验系统操作说明西安理工大学水资源研究所西安碧水环境新技术有限公司1试验原理做一个直径为10cm的垂直土柱，长度为100cm左右，使密度均一，且有均匀的初始含水率。在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水率，并使水分在土柱中作垂直吸渗运动，作为一维垂直流动其微分方程和定解条件为(1)(2)(3)⑷C竺二⑻竺］-&dt6z1，6z」oze=qt=oz>o0=>0z=0j6=4/>0z—>s基本方程(D可改写为以为未知函数的方程一2二2一dt皿V7c0Jd0'J式中，Z坐标向下为正。垂直入渗的解z(e,/)取为级
2、数形式，即1234z(8,r)=7(6)户+%⑻/+%⑻户+小⑻户+…xi=Z7⑻户⑹1-1根据边界条件(3)可知，〃(4)=0i=b2,3,(7)由初始条件(2)可以得到小(g)=s(8)当式(5)中的各项系数以夕)确定后，则可求得任一时刻T不同含水率8在土壤剖面上的位置Z,亦即得到垂直入渗的解。774。)可由待定系数法求得,为此，可以将方程(5)的右端按分式求导展开，整理得,(9)Dd2z^dK(dz^dz.(dzdPdz_G折+茄(而J―米而/—而而一式中，D,K及z分别为D(0),K(0)及z(6U)的简写。对式(6)取(意:分别如下:器=z”+%宜+
3、不宜+琢n+-=Ev144=〃;户+小"户+，炉+户+•••=£7"&(3yG-/=-1f2+—+小井+2%+…=Z卬2or乙)z，r.lz.=("')’+2/小”+2/万;+(齿I,+2(7力：+两;)户+...式中7%4371分别为〃i(e)“(e)%(e)%(。)的简写，将上式代入(9)中，并按t的次方合并同类项，则式(9)可表示为Z匕产=乂户+匕户+八户+匕户+…=o式中前四项的系数为X=。/〃一(；7)〃；)2-。力；行)-西-7血-。力；2714=。殖+24％'-彳％⑺--2fh巾；Fl曲;一彳7匕=。77：+42制+(7)[-2(加)"-3〃
4、"打3-2〃力九一(4')%一，7力打一77m力一。力；式(10)右端恒为零，而t可以取任意数，因此，各项系数必然均为0,即Yi=0(1=1,2,)，由此条件可求得各项系数7(8)。2仪器设备2.1马氏瓶：Hl=70cm,Di=5.0cm；2.2土桶：H2=77cm,D2=8.86cm,为便于观测湿润锋，土桶利用有机玻璃制作;2.3其它：沙网、秒表、尺子，橡胶软管等。2.4马氏瓶原理：如图0—1中的所示,，即在封闭的马氏瓶的管口上部设一进水口，以便容易给马氏瓶装水，下端侧壁上设一进气孔及阀门，以控制马氏瓶内的气压。当马-6-氏瓶中的水与土柱水室中的水连通为一个供
5、水系统时，在系统平衡后各点的压力关系为：〃,+/?!=Pb=Pa式中：Pa一大气压(Pa/cm2)；Pc、Pb-c、b位置高度的大气压值(Pa/cm2)；Pi一封闭容器内上部的空气压力(Pa/cii?)；1】1一马氏瓶容器内b点以上的水柱高(cm).开始工作后，当土桶中的水因入渗而有微小减低时，马氏瓶中的水在势能的作用下流向土桶，使土桶中的水稳定在原来的位置，土桶中的水仍保持原来的水位。由于土桶中水的入渗，马氏瓶中的水补充了土桶中的水，使马氏瓶中的水位下降，即引起了九的减小，P,+%V%，此时马氏瓶内的气压比大气压小，外界空气将通过马氏瓶侧壁上的进气孔进入马氏瓶
6、中使得已增大，以达到新的平衡，当土桶中的水连续向土柱入渗时，平衡过程就是上述的重复，这样可以根据马氏瓶的读数测记出用的值，即是垂直土柱的入渗水量。试验系统的装置示意图见图0—1：-6-图0—1垂直土柱入渗试验装置示意图3试验准备3.1马氏瓶的准备打开马氏瓶的进气孔和进水口，用漏斗向马氏瓶内装水，直至马氏瓶内装满水，此时关闭进水口和进气孔，并且检查它是否漏水，确保马氏瓶不漏水。在调整马氏瓶位置时要使马氏瓶的进气孔与土桶中设计好的的水面相平齐，以保证零水头供水，马氏瓶可以较准确的测出土体的入渗水量。3.2土样的填装为了保证土柱初始含水率均匀和密度均一，扰动土样要经过
7、风干、破碎和过筛（孔径2nlm）。在准备好土样后，要先测定土的初始含水率（若实验要求按一定的含水率装土，则须先对土样进行制备）。然后按照一定的容重和初始含水率分层填装土样（要求按照合理的含水率和容重计算每层所要填装的土量）。开始装土时首先要称取该层所要填土的重量，每层装入土后都要先整平，然后用-6-击石器击实，使得装入的土与该层事先标定好的线相平齐，然后用适当的工具抛毛（以保证土体密度的均一性），然后进行下一层土的填装，装土时须保证层与层之间的良好接触，不能出现明显的分层现象。3.1系统连接土样填装完毕后，在土样的上部放置一石棉网或者定性滤纸，以防止装水时，水冲
8、刷土样表面。然后用橡胶软
