本发明涉及用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置及其应用。
背景技术：
多孔介质(土壤、透水材料、岩石等)的持水特性(饱和度、渗透率、液体压力等)是工程计算中的重要参数；在压浆、混凝土浇筑等过程中石料的迁移问题是判断混凝土强度的重要指标。目前，试验仪器多为多孔介质持水特性或石料迁移装置。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置及其应用解决了现有技术多孔介质持水特性测试设备功能单一的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于：包括多孔介质土柱，连通在多孔介质土柱上端面的进气管道和进水管道，以及连通在多孔介质土柱下端面的出水管道和下部侧壁的出气管道；所述进气管道进气端内置在气箱内，其上顺气流方向顺次设有第一输气泵和第三压力计，所述进水管道的进水端设于水箱内，其上顺水流方向顺次设有第一蠕动泵、第一流量计和第一压力计，所述进水管道上、第一压力计与多孔介质土柱之间设有进水软管，所述出水管道上顺水流方向设有第二压力计、第二流量计、第二蠕动泵和浊度仪，所述出气管道上顺气流方向顺次设有第四压力计和第二输气泵，所述出气管道上、第四压力计和第二输气泵之间设有进气软管。
进一步优选地，所述多孔介质土柱与出气管道连通的出气口上设有半透膜。
进一步地，所述多孔介质土柱内径为60～100mm，高度300～500mm，壁厚8～15mm，材质为玻璃钢。
进一步地，所述进水软管上设有止水夹，所述进气软管上设有止气夹。
更加优选地，所述进气管道、进水管道、出水管道和出气管道与多孔介质土柱均通过管箍与多孔介质土柱连通。
一种利用如去权利要求1所述装置得出多孔介质土水特征曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)多孔介质土柱填充：土柱填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵、第二蠕动泵、第一输气泵和第二输气泵，进水软管和进气软管分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
(b)计算初始孔隙水压力：调节第一蠕动泵和第二蠕动泵至所需相同的转速，待第一压力计和第二压力计稳定后，记录第一流量计、第二流量计、第一压力计和第二压力计的值为vq1,0、vq2,0、p1,0和p2,0，此时多孔介质中水渗流速度恒定，根据式(1)可知孔隙水压力梯度恒定，多孔介质中初始孔隙气压力pg,0＝0pa，
式中，sw为水饱和度；vw为多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量；μw为孔隙水的粘度系数；k为多孔介质的渗透率，与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；krw为孔隙水相对渗透率；
则，得出初始孔隙水压力为pw,0：
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；pw,0为多孔介质中初始孔隙水压力；p1,0为最初记录时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,0为最初记录时刻的压力计-2的孔隙水压力值；
(c)计算多孔介质中孔隙水及孔隙气压力和多孔介质整体的平均饱和度：打开第一输气泵和进气软管，调节第二蠕动泵转速大于第一蠕动泵，同时记录第一流量计、第二流量计随时间的变化vq1,1(t)、vq2,1(t)，开始记录时刻记为t＝0s时刻，待开关进气软管处流体由水变为空气时，启动第二输气泵并关闭进气软管，调整第二输气泵至所需功率；待第一压力计、第二压力计、第三压力计和第四压力计稳定后，记录各压力计的值为p1,1、p2,1、p3,1和p4,1记录所有压力计稳定时的时刻记为t＝t0s时刻，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq，此时多孔介质中孔隙水及孔隙气压力为：
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；pw,1为达到设定饱和度时(即试验中所有压力计稳定，t＝t0时刻)的平均孔隙水压力；pg,1为达到设定饱和度时的平均孔隙气压力；p1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；p3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；p4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；
多孔介质整体的平均饱和度为
式中，vw、v分别为多孔介质中完全饱和时孔隙水体积和多孔介质总体积；t时间变量；vq1,1(t)、vq2,1(t)分别为从时刻开始记录时刻0到试验结束流量计-1和流量计-2随时间的变化函数；t0为所有压力计稳定时的时刻，即达到设定饱和度时的时刻；
由土力学知识可知饱和度、基质吸力及基质吸力水头的关系、式(3)和式(4)可知，稳定状态时不同位置处的基质吸力为
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；p1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；p3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；p4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；
若稳定状态时，若进气口压力p3,1与进水口压力p1,1差值等于出气口压力p4,1与出水口压力p2,1差值，那么不同位置处基质吸力变为
pc,1(z)＝p3,1-p1,1＝p4,1-p2,1(7)
由相对饱和度计算公式与基质吸力水头的关系及式(7)可知，多孔介质中不同位置处饱和度相同；考虑试验过程为一维渗流过程时，将式(3)代入式(1)可知
式中，sd为多孔介质横截面面积；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量和孔隙气平均渗流速度矢量；k为多孔介质的渗透率(m2),与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；l为多孔介质长度；pw为孔隙水压力；vw多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；vq为孔隙水的稳定渗流速度；
(d)计算不同出水、进气及处气速率下相应的饱和度；改变第二蠕动泵的速率，同时调整第一输气泵和第二输气泵的功率，至式(7)中基质吸力为不同值，通过式(1)计算得到相应的饱和度；
(e)得到多孔介质的土水特征曲线：重复步骤(d)，得到不同稳定状态下的饱和度值、基质吸力值和孔隙水渗流速度vq；
根据相对饱和度及基质吸力水头的关系，采用最小二乘法参数拟合的方法可得到相应多孔介质在不同填充粒径、不同孔隙率和不同温度的vg模型中参数tα、tn、tm；
根据孔隙水相对渗透率与饱和度的关系，和式(8)中渗流速度与多孔介质渗透率及孔隙水相对渗透率的关系，通过拟合参数方法可得到多孔介质渗透率k和vg模型中参数l，即得到多孔介质的土水特征曲线。
一种利用如去权利要求1所述装置进行悬浮颗粒穿透实验的方法，其特征在于：所述多孔介质土柱内多孔介质为饱和状态，包括以下步骤：
a、多孔介质土柱填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵、第二蠕动泵、第一输气泵和第二输气泵，进水软管和进气软管分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
b、同时启动第一蠕动泵和第二蠕动泵，调节蠕动泵至所需转速，待第一压力计和第二压力计稳定后，记录第一压力计和第二压力计的值为p1,1和p2,1，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq；得到初始空隙压力pw.1；
c、打开进水软管，利用注射器注入一定浓度的悬浮颗粒溶液同时接取出水口溶液，此时记为t＝0s时刻，利用浊度仪间接计算得到多孔介质底部悬浮颗粒的穿透浓度ci,l(t)；
d、重复步骤a-b，进行不同注入浓度及孔隙水渗流速度的悬浮颗粒穿透试验；
e、利用步骤c得到的ci,l(t)，公式(8)得到的vw,通过利用参数优化方法调整下述公式(9)相关计算参数，采用最小二乘法进行拟合评价，最终找到参数的最优解,从而得到不同注入浓度及孔隙水渗流速度的穿透试验参数值；
式中，knf为吸附解吸过程中的平衡系数；ρb为体积干密度，ρb＝(1-n)ρs；n为土体孔隙率；ci为溶质浓度，表示流体中悬浮颗粒的浓度；<vw>为孔隙水速度张量；sw为水饱和度；t为时间变量；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离。
一种利用如去权利要求1所述装置进行悬浮颗粒穿透实验的方法：所述多孔介质土柱内多孔介质为非饱和状态，包括以下步骤：
a多孔介质土柱填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵、第二蠕动泵、第一输气泵和第二输气泵，进水软管和进气软管分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
b、同时启动第一蠕动泵和第二蠕动泵，调节蠕动泵至所需转速，待第一压力计和第二压力计稳定后，记录第一压力计和第二压力计的值为p1,1和p2,1，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq；得到初始空隙压力pw.1；
c、打开进水软管，利用注射器注入一定浓度的悬浮颗粒溶液同时接取出水口溶液，此时记为t＝0s时刻，利用浊度仪间接计算得到多孔介质底部悬浮颗粒的穿透浓度ci,l(t)；
d、重复步骤a-b，进行不同注入浓度及孔隙水渗流速度的悬浮颗粒穿透试验；
e、利用步骤c得到的ci,l(t)、公式(5)得到的平均饱和度sw,1、公式(8)得到的vw。通过利用参数优化方法调整公式(9)相关计算参数，采用最小二乘法进行拟合评价，最终找到参数的最优解，从而得到不同注入浓度及孔隙水渗流速度的穿透试验参数值；通过数值模拟分析计算，利用式孔隙水、孔隙气的渗流微分方程与式(10)耦合模型及试验拟合得到参数，利用实验数据，可将污染物穿透浓度试验结果与数值分析结果进行比较验证，至此，非饱和情形下悬浮颗粒穿透试验完成；
式中：ρb为体积干密度；n为土体孔隙率；knf为吸附解吸过程中的平衡系数；t为时间变量；sw为水饱和度；ci为溶质浓度，表示流体中悬浮颗粒的浓度；αd为水动力弥散度；<vw>为孔隙水速度张量。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明有效、快捷地得到多孔介质渗透系数，vg模型相关参数以及混凝土中石料的迁移规律，更好的指导施工。本发明结构简单、轻便，造价便宜，实用性强，针对多孔介质的持水特性和穿透试验，能起到普遍推广使用的效果。
本发明轻便、易于拼装、方便移动，并且可同时测得持水特性，包括饱和度、渗透率、液体压力等，可更好的指导施工及满足工程计算需要。
附图说明
图1为用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，如图1所示，包括多孔介质土柱1，连通在多孔介质土柱1上端面的进气管道2和进水管道3，以及连通在多孔介质土柱1下端面的出水管道4和下部侧壁的出气管道5；进气管道2进气端内置在气箱6内，其上顺气流方向顺次设有第一输气泵7和第三压力计8，进水管道3的进水端设于水箱9内，其上顺水流方向顺次设有第一蠕动泵10、第一流量计11和第一压力计12，进水管道3上、第一压力计12与多孔介质土柱1之间设有进水软管19，出水管道4上顺水流方向设有第二压力计15、第二流量计16、第二蠕动泵17和浊度仪18，出气管道5上顺气流方向顺次设有第四压力计13和第二输气泵14，出气管道5上、第四压力计13和第二输气泵14之间设有进气软管20，多孔介质土柱1与出气管道5连通的出气口上设有半透膜，多孔介质土柱1内径为60～100mm，高度300～500mm，壁厚8～15mm，材质为玻璃钢，进水软管19上设有止水夹，进气软管20上设有止气夹，进气管道2、进水管道3、出水管道4和出气管道5与多孔介质土柱1均通过管箍与多孔介质土柱1连通。
一种利用如去权利要求1所述装置得出多孔介质土水特征曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)多孔介质土柱(1)填充：土柱填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵10、第二蠕动泵17、第一输气泵7和第二输气泵8，进水软管19和进气软管20分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
(b)计算初始孔隙水压力：调节第一蠕动泵10和第二蠕动泵17至所需相同的转速，待第一压力计12和第二压力计15稳定后，记录第一流量计11、第二流量计16、第一压力计12和第二压力计15的值为vq1,0、vq2,0、p1,0和p2,0，此时多孔介质中水渗流速度恒定，根据式(1)可知孔隙水压力梯度恒定，多孔介质中初始孔隙气压力pg,0＝0pa，
式中，sw为水饱和度；vw为多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量；μw为孔隙水的粘度系数；k为多孔介质的渗透率，与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；krw为孔隙水相对渗透率；
则，得出初始孔隙水压力为pw,0：
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；pw,0为多孔介质中初始孔隙水压力；p1,0为最初记录时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,0为最初记录时刻的压力计-2的孔隙水压力值；
(c)计算多孔介质中孔隙水及孔隙气压力和多孔介质整体的平均饱和度：打开第一输气泵7和进气软管20，调节第二蠕动泵17转速大于第一蠕动泵10，同时记录第一流量计11、第二流量计16随时间的变化vq1,1(t)、vq2,1(t)，开始记录时刻记为t＝0s时刻，待开关进气软管20处流体由水变为空气时，启动第二输气泵8并关闭进气软管20，调整第二输气泵8至所需功率；待第一压力计12、第二压力计15、第三压力计8和第四压力计13稳定后，记录各压力计的值为p1,1、p2,1、p3,1和p4,1记录所有压力计稳定时的时刻记为t＝t0s时刻，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq，此时多孔介质中孔隙水及孔隙气压力为：
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；pw,1为达到设定饱和度时(即试验中所有压力计稳定，t＝t0时刻)的平均孔隙水压力；pg,1为达到设定饱和度时的平均孔隙气压力；p1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；p3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；p4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；
多孔介质整体的平均饱和度为
式中，vw、v分别为多孔介质中完全饱和时孔隙水体积和多孔介质总体积；t时间变量；vq1,1(t)、vq2,1(t)分别为从时刻开始记录时刻0到试验结束流量计-1和流量计-2随时间的变化函数；t0为所有压力计稳定时的时刻，即达到设定饱和度时的时刻；
由土力学知识可知饱和度、基质吸力及基质吸力水头的关系、式(3)和式(4)可知，稳定状态时不同位置处的基质吸力为
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；p1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；p3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；p4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；
若稳定状态时，若进气口压力p3,1与进水口压力p1,1差值等于出气口压力p4,1与出水口压力p2,1差值，那么不同位置处基质吸力变为
pc,1(z)＝p3,1-p1,1＝p4,1-p2,1(7)
由相对饱和度计算公式与基质吸力水头的关系及式(7)可知，多孔介质中不同位置处饱和度相同；考虑试验过程为一维渗流过程时，将式(3)代入式(1)可知
式中，sd为多孔介质横截面面积；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量和孔隙气平均渗流速度矢量；k为多孔介质的渗透率(m2),与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；l为多孔介质长度；pw为孔隙水压力；vw多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；vq为孔隙水的稳定渗流速度；
(d)计算不同出水、进气及处气速率下相应的饱和度；改变第二蠕动泵17的速率，同时调整第一输气泵7和第二输气泵8的功率，至式(7)中基质吸力为不同值，通过式(1)计算得到相应的饱和度；
(e)得到多孔介质的土水特征曲线：重复步骤(d)，得到不同稳定状态下的饱和度值、基质吸力值和孔隙水渗流速度vq；
根据相对饱和度及基质吸力水头的关系，采用最小二乘法参数拟合的方法可得到相应多孔介质在不同填充粒径、不同孔隙率和不同温度的vg模型中参数tα、tn、tm；
根据孔隙水相对渗透率与饱和度的关系，和式(8)中渗流速度与多孔介质渗透率及孔隙水相对渗透率的关系，通过拟合参数方法可得到多孔介质渗透率k和vg模型中参数l，即得到多孔介质的土水特征曲线。
一种利用如去权利要求1所述装置进行悬浮颗粒穿透实验的方法，其特征在于：所述多孔介质土柱1内多孔介质为饱和状态，包括以下步骤：
a、多孔介质土柱1填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵10、第二蠕动泵17、第一输气泵7和第二输气泵8，进水软管19和进气软管20分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
b、同时启动第一蠕动泵10和第二蠕动泵17，调节蠕动泵至所需转速，待第一压力计12和第二压力计15稳定后，记录第一压力计12和第二压力计15的值为p1,1和p2,1，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq；得到初始空隙压力pw.1；
c、打开进水软管19，利用注射器注入一定浓度的悬浮颗粒溶液同时接取出水口溶液，此时记为t＝0s时刻，利用浊度仪18间接计算得到多孔介质底部悬浮颗粒的穿透浓度ci,l(t)；
d、重复步骤a-b，进行不同注入浓度及孔隙水渗流速度的悬浮颗粒穿透试验；
e、利用步骤c得到的ci,l(t)，公式(8)得到的vw,通过利用参数优化方法调整下述公式(9)相关计算参数，采用最小二乘法进行拟合评价，最终找到参数的最优解,从而得到不同注入浓度及孔隙水渗流速度的穿透试验参数值；
式中，knf为吸附解吸过程中的平衡系数；ρb为体积干密度，ρb＝(1-n)ρs；n为土体孔隙率；ci为溶质浓度，表示流体中悬浮颗粒的浓度；<vw>为孔隙水速度张量；sw为水饱和度；t为时间变量；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离。
一种利用如去权利要求1所述装置进行悬浮颗粒穿透实验的方法，所述多孔介质土柱1内多孔介质为非饱和状态，包括以下步骤：
a多孔介质土柱1填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵10、第二蠕动泵17、第一输气泵7和第二输气泵8，进水软管19和进气软管20分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
b、同时启动第一蠕动泵10和第二蠕动泵17，调节蠕动泵至所需转速，待第一压力计12和第二压力计15稳定后，记录第一压力计12和第二压力计15的值为p1,1和p2,1，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq；得到初始空隙压力pw.1；
c、打开进水软管19，利用注射器注入一定浓度的悬浮颗粒溶液同时接取出水口溶液，此时记为t＝0s时刻，利用浊度仪18间接计算得到多孔介质底部悬浮颗粒的穿透浓度ci,l(t)；
d、重复步骤a-b，进行不同注入浓度及孔隙水渗流速度的悬浮颗粒穿透试验；
e、利用步骤c得到的ci,l(t)、公式(5)得到的平均饱和度sw,1、公式(8)得到的vw。通过利用参数优化方法调整公式(9)相关计算参数，采用最小二乘法进行拟合评价，最终找到参数的最优解，从而得到不同注入浓度及孔隙水渗流速度的穿透试验参数值；通过数值模拟分析计算，利用式孔隙水、孔隙气的渗流微分方程与式(10)耦合模型及试验拟合得到参数，利用实验数据，可将污染物穿透浓度试验结果与数值分析结果进行比较验证，至此，非饱和情形下悬浮颗粒穿透试验完成；
式中：ρb为体积干密度；n为土体孔隙率；knf为吸附解吸过程中的平衡系数；t为时间变量；sw为水饱和度；ci为溶质浓度，表示流体中悬浮颗粒的浓度；αd为水动力弥散度；<vw>为孔隙水速度张量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于：包括多孔介质土柱(1)，连通在多孔介质土柱(1)上端面的进气管道(2)和进水管道(3)，以及连通在多孔介质土柱(1)下端面的出水管道(4)和下部侧壁的出气管道(5)；所述进气管道(2)进气端内置在气箱(6)内，其上顺气流方向顺次设有第一输气泵(7)和第三压力计(8)，所述进水管道(3)的进水端设于水箱(9)内，其上顺水流方向顺次设有第一蠕动泵(10)、第一流量计(11)和第一压力计(12)，所述进水管道(3)上、第一压力计(12)与多孔介质土柱(1)之间设有进水软管(19)，所述出水管道(4)上顺水流方向设有第二压力计(15)、第二流量计(16)、第二蠕动泵(17)和浊度仪(18)，所述出气管道(5)上顺气流方向顺次设有第四压力计(13)和第二输气泵(14)，所述出气管道(5)上、第四压力计(13)和第二输气泵(14)之间设有进气软管(20)。
2.如权利要求1所述的用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于：所述多孔介质土柱(1)与出气管道(5)连通的出气口上设有半透膜。
3.如权利要求1所述的用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于：所述多孔介质土柱(1)内径为60～100mm，高度300～500mm，壁厚8～15mm，材质为玻璃钢。
4.如权利要求1所述的用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于：所述进水软管(19)上设有止水夹，所述进气软管(20)上设有止气夹。
5.如权利要求1所述的用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于：所述进气管道(2)、进水管道(3)、出水管道(4)和出气管道(5)与多孔介质土柱(1)均通过管箍与多孔介质土柱(1)连通。
6.一种利用如去权利要求1所述装置得出多孔介质土水特征曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)多孔介质土柱(1)填充：土柱填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵(10)、第二蠕动泵(17)、第一输气泵(7)和第二输气泵(8)，进水软管(19)和进气软管(20)分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
(b)计算初始孔隙水压力：调节第一蠕动泵(10)和第二蠕动泵(17)至所需相同的转速，待第一压力计(12)和第二压力计(15)稳定后，记录第一流量计(11)、第二流量计(16)、第一压力计(12)和第二压力计(15)的值为vq1,0、vq2,0、p1,0和p2,0，此时多孔介质中水渗流速度恒定，根据式(1)可知孔隙水压力梯度恒定，多孔介质中初始孔隙气压力pg,0＝0pa，
式中，sw为水饱和度；vw为多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量；μw为孔隙水的粘度系数；k为多孔介质的渗透率，与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；krw为孔隙水相对渗透率；
则，得出初始孔隙水压力为pw,0：
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；pw,0为多孔介质中初始孔隙水压力；p1,0为最初记录时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,0为最初记录时刻的压力计-2的孔隙水压力值；
(c)计算多孔介质中孔隙水及孔隙气压力和多孔介质整体的平均饱和度：打开第一输气泵(7)和进气软管(20)，调节第二蠕动泵(17)转速大于第一蠕动泵(10)，同时记录第一流量计(11)、第二流量计(16)随时间的变化vq1,1(t)、vq2,1(t)，开始记录时刻记为t＝0s时刻，待开关进气软管(20)处流体由水变为空气时，启动第二输气泵(8)并关闭进气软管(20)，调整第二输气泵(8)至所需功率；待第一压力计(12)、第二压力计(15)、第三压力计(8)和第四压力计(13)稳定后，记录各压力计的值为p1,1、p2,1、p3,1和p4,1记录所有压力计稳定时的时刻记为t＝t0s时刻，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq，此时多孔介质中孔隙水及孔隙气压力为：
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；pw,1为达到设定饱和度时(即试验中所有压力计稳定，t＝t0时刻)的平均孔隙水压力；pg,1为达到设定饱和度时的平均孔隙气压力；p1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；p3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；p4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；
多孔介质整体的平均饱和度为
式中，vw、v分别为多孔介质中完全饱和时孔隙水体积和多孔介质总体积；t时间变量；vq1,1(t)、vq2,1(t)分别为从时刻开始记录时刻0到试验结束流量计-1和流量计-2随时间的变化函数；t0为所有压力计稳定时的时刻，即达到设定饱和度时的时刻；
由土力学知识可知饱和度、基质吸力及基质吸力水头的关系、式(3)和式(4)可知，稳定状态时不同位置处的基质吸力为
式中，l为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；p1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；p2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；p3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；p4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；
若稳定状态时，若进气口压力p3,1与进水口压力p1,1差值等于出气口压力p4,1与出水口压力p2,1差值，那么不同位置处基质吸力变为
pc,1(z)＝p3,1-p1,1＝p4,1-p2,1(7)
由相对饱和度计算公式与基质吸力水头的关系及式(7)可知，多孔介质中不同位置处饱和度相同；考虑试验过程为一维渗流过程时，将式(3)代入式(1)可知
式中，sd为多孔介质横截面面积；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量和孔隙气平均渗流速度矢量；k为多孔介质的渗透率(m2),与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；l为多孔介质长度；pw为孔隙水压力；vw多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；vq为孔隙水的稳定渗流速度；
(d)计算不同出水、进气及处气速率下相应的饱和度；改变第二蠕动泵(17)的速率，同时调整第一输气泵(7)和第二输气泵(8)的功率，至式(7)中基质吸力为不同值，通过式(1)计算得到相应的饱和度；
(e)得到多孔介质的土水特征曲线：重复步骤(d)，得到不同稳定状态下的饱和度值、基质吸力值和孔隙水渗流速度vq；
根据相对饱和度及基质吸力水头的关系，采用最小二乘法参数拟合的方法可得到相应多孔介质在不同填充粒径、不同孔隙率和不同温度的vg模型中参数tα、tn、tm；
根据孔隙水相对渗透率与饱和度的关系，和式(8)中渗流速度与多孔介质渗透率及孔隙水相对渗透率的关系，通过拟合参数方法可得到多孔介质渗透率k和vg模型中参数l，即得到多孔介质的土水特征曲线。
7.一种利用如去权利要求1所述装置进行悬浮颗粒穿透实验的方法，其特征在于：所述多孔介质土柱(1)内多孔介质为饱和状态，包括以下步骤：
a、多孔介质土柱(1)填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵(10)、第二蠕动泵(17)、第一输气泵(7)和第二输气泵(8)，进水软管(19)和进气软管(20)分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
b、同时启动第一蠕动泵(10)和第二蠕动泵(17)，调节蠕动泵至所需转速，待第一压力计(12)和第二压力计(15)稳定后，记录第一压力计(12)和第二压力计(15)的值为p1,1和p2,1，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq；得到初始空隙压力pw.1；
c、打开进水软管(19)，利用注射器注入一定浓度的悬浮颗粒溶液同时接取出水口溶液，此时记为t＝0s时刻，利用浊度仪(18)间接计算得到多孔介质底部悬浮颗粒的穿透浓度ci,l(t)；
d、重复步骤a-b，进行不同注入浓度及孔隙水渗流速度的悬浮颗粒穿透试验；
e、利用步骤c得到的ci,l(t)，公式(8)得到的vw,通过利用参数优化方法调整下述公式(9)相关计算参数，采用最小二乘法进行拟合评价，最终找到参数的最优解,从而得到不同注入浓度及孔隙水渗流速度的穿透试验参数值；
式中，knf为吸附解吸过程中的平衡系数；ρb为体积干密度，ρb＝(1-n)ρs；n为土体孔隙率；ci为溶质浓度，表示流体中悬浮颗粒的浓度；<vw>为孔隙水速度张量；sw为水饱和度；t为时间变量；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离。
8.一种利用如去权利要求1所述装置进行悬浮颗粒穿透实验的方法：所述多孔介质土柱(1)内多孔介质为非饱和状态，包括以下步骤：
a多孔介质土柱(1)填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵(10)、第二蠕动泵(17)、第一输气泵(7)和第二输气泵(8)，进水软管(19)和进气软管(20)分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；
b、同时启动第一蠕动泵(10)和第二蠕动泵(17)，调节蠕动泵至所需转速，待第一压力计(12)和第二压力计(15)稳定后，记录第一压力计(12)和第二压力计(15)的值为p1,1和p2,1，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq；得到初始空隙压力pw.1；
c、打开进水软管(19)，利用注射器注入一定浓度的悬浮颗粒溶液同时接取出水口溶液，此时记为t＝0s时刻，利用浊度仪(18)间接计算得到多孔介质底部悬浮颗粒的穿透浓度ci,l(t)；
d、重复步骤a-b，进行不同注入浓度及孔隙水渗流速度的悬浮颗粒穿透试验；
e、利用步骤c得到的ci,l(t)、公式(5)得到的平均饱和度sw,1、公式(8)得到的vw。通过利用参数优化方法调整公式(9)相关计算参数，采用最小二乘法进行拟合评价，最终找到参数的最优解，从而得到不同注入浓度及孔隙水渗流速度的穿透试验参数值；通过数值模拟分析计算，利用式孔隙水、孔隙气的渗流微分方程与式(10)耦合模型及试验拟合得到参数，利用实验数据，可将污染物穿透浓度试验结果与数值分析结果进行比较验证，至此，非饱和情形下悬浮颗粒穿透试验完成；
式中：ρb为体积干密度；n为土体孔隙率；knf为吸附解吸过程中的平衡系数；t为时间变量；sw为水饱和度；ci为溶质浓度，表示流体中悬浮颗粒的浓度；αd为水动力弥散度；<vw>为孔隙水速度张量。
技术总结