本发明涉及非饱和土渗透系数测量技术领域，具体涉及一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置及测量方法。
背景技术：
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
非饱和土的渗透性关系到土受荷载后固结和变形发展的过程，也关系到土中有效应力和强度大小的变化，对边坡稳定性的研究具有重要意义；渗透系数既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。
发明人发现，降雨是影响边坡稳定性、导致边坡失稳最主要和最普遍的环境因素，降雨入渗使得边坡基质吸力下降产生静水压力和动水压力，使边坡安全系数降低，从而导致滑坡发生；植物根系通过蒸腾作用储存和释放水分来影响斜坡的水文，而且植物根系的加筋作用能够提高边坡的稳定系数，此外植物根系可以提高土体的抗剪强度，从而增加土体稳定性。这两个方面也是影响土壤渗透系数的重要参数。目前，已经存在有土壤渗透系数的室内测量装置及方法，如常水头法、变水头法和一维瞬时剖面法，都没有考虑到降雨入渗以及植被根系两者共同作用对土壤渗透性的影响，与野外土壤的实际情况相差较大。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置及测量方法。
为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：
本发明的一个方面提供了一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，包括：
仪器箱体，其上端开放，内部填充有土壤，其底部设置有底板，底板上设置有透水砖，底板上加工有螺旋凹槽，螺旋凹槽的中部设置出水口；
植被培养箱体，位于仪器箱体的顶部，其底部开放，内部填充土壤，土壤中生长有植物；
体积含水量传感器组件，沿仪器箱体和植被培养箱体的高度方向均布；
张力计组件，沿仪器箱体和植被培养箱体的高度方向均布；
喷头，设置于植被培养箱体的顶部，且与水源连接。
本发明的第二个方面提供一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量方法，包括如下步骤：
将测量装置进行组装；
对喷头进行供水，以模拟不同强度的降雨；
记录不同时间下体积含水量传感器和张力计的读数，将所得数据绘制成含水量和吸力水头折线图，计算特定位置的流速和平均水力梯度，进而计算获得与该时间内的流量相应的渗透系数。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个实施例取得了以下有益效果：
本发明的以上一个或多个实施例提出了一种可考虑降雨及植被影响下土壤渗透试验装置及方法。设置有降雨系统并且测试土样上方培养有护坡植被，通过一维瞬时剖面法，可以测量降雨入渗及植物根系共同影响下土壤渗透系数变化情况，测得的数据更贴合实际情况。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的试验装置剖视图结构示意图：
图2为本发明实施例的试验装置正视图结构示意图；
图3表示本发明实施例的不同的植被培养箱体；
图4为本发明实施例的仪器箱体的各向视图，其中，a1仪器箱体主视图；a2仪器箱体顶面视图；a3仪器箱体底面视图；
图5为本发明实施例的植被培养箱体的各向视图，其中，b1植被培养箱体主视图；b2植被培养箱体可拆卸式钢底板；
图6为本发明实施例的有机玻璃底板的各向视图，其中，c1有机玻璃底板剖视图；c2有机玻璃底板俯视图。
其中，1、降雨系统；2、护坡植被；3、植被培养箱体；4、仪器箱体ⅰ；5、加固螺纹钢；6、外部支架；7、体积含水量传感器；8、张力计；9、仪器箱体ⅱ；10、储水槽；11、角钢；12、透水砖；13、有机玻璃底板；14、密封胶条；15、固定螺栓；16、多向角轮；17、螺纹钢螺栓孔；18、密封胶条凹槽；19、可拆卸式钢底板；20、方螺旋细槽；21、固定螺栓孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，包括：
仪器箱体，其上端开放，内部填充有土壤，其底部设置有底板，底板上设置有透水砖，底板上加工有螺旋凹槽，螺旋凹槽的中部设置出水口；
植被培养箱体，位于仪器箱体的顶部，其底部开放，内部填充土壤，土壤上方生长有植物；
体积含水量传感器组件，沿仪器箱体和植被培养箱体的高度方向均布；
张力计组件，沿仪器箱体和植被培养箱体的高度方向均布；
喷头，设置于植被培养箱体的顶部，且与水源连接。
从培养箱体和植被培养箱体内土壤中下渗的水通过透水砖渗下，被底板上的螺旋凹槽承接，并及时导出，透水砖和螺旋凹槽的设置，可以使土壤中的水分均匀渗出，以保证测量的准确性。
在一些实施例中，喷头在植被培养箱体的顶部均匀分布。用于对植被均匀喷水，保证水在土壤中均匀下渗，以模拟不同强度的降雨。
在一些实施例中，仪器箱体分段设置，相邻段之间密封连接。由于需要向仪器箱体中填入土壤，将仪器箱体分段设置，可以保证将箱体内的土壤均匀填充，以提高测量的准确性。
在一些实施例中，所述底板上设置有水平仪。以保证整个测量装置水平设置。
在一些实施例中，张力计组件分为两列，在箱体侧壁上相对设置。
进一步的，同一列中，相邻两个张力计之间的距离为25-35cm。
在一些实施例中，体积含水量传感器分为两列，在箱体的侧壁上相对设置。
进一步的，同一列中，相邻两个体积含水量传感器的距离为25-35cm。
在一些实施例中，还包括储水槽，储水槽用于与所述出水口连接。
降雨模拟结束后，通过储水槽向箱体内部注水，让土样从下往上浸湿直至完全饱和，可以测量出土壤的吸湿和脱湿过程的土水特征曲线，对土样的持水能力等性质的进一步分析研究提供了保证。螺旋凹槽和透水砖的设置可以保证从下往上饱和时，箱体底部的土层能够被均匀浸润。
本发明的第二个方面提供一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量方法，包括如下步骤：
将测量装置进行组装，填充土壤，并进行压实，使其密实度与野外自然条件下相同；
对喷头进行供水，以模拟不同强度的降雨；
记录不同时间下体积含水量传感器和张力计的读数，将所得数据绘制成含水量和吸力水头折线图，计算特定位置的流速和平均水力梯度，进而计算获得与该时间内的流量相应的渗透系数。
将植物培养至成熟期，根系长度短时间内不会发生明显变化时，可进行试验。植物种类主要使用狗牙根、高羊茅、白三叶这三类护坡植物。
在一些实施例中，流速的计算公式为：
其中，δv表示t1到t2时间段内，通过截面z1的单位体积含水量，即含水量折线图上t1，t2时间内z0与z1所对应含水量所围区域的面积，v0是装置底部出水管的流速。
进一步的，某一位置处的水力梯度为吸力水头折线图上该点的斜率。
进一步的，渗透系数为某以位置处的流速除以该时间段内的平均水力梯度。
在一些实施例中，还包括吸湿脱湿过程土水饱和曲线的绘制步骤，通过箱体底部的出水口向箱体内部的土壤注水，让土样从下往上浸湿直至完全饱和，记录各时刻两传感器读数，所得数据可得到吸湿过程的土水饱和曲线；
而打开底部出水口阀门，让水分靠重力渗出以及自然蒸发，记录各时刻两传感器读数即可得到脱湿过程的土水特征曲线；其中，对于降雨为0的干燥土体进行试验的情况即为初试吸湿曲线，对于完全饱和后土体进行排水测试可得初试脱湿曲线。
具体实施例
如图1和图2所示，一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透试验装置及方法，包括仪器箱体、植被培养箱体3、测量系统、降雨系统1、固定系统和外部支架6。
如图4所示，仪器箱体为60*60cm顶部和底部开口长方体土槽，高75cm，有相同的两个，分别为仪器箱体ⅰ4和仪器箱体ⅱ9，材质为有机玻璃，厚度为2.5cm，每个箱体顶部和底部都固定有角钢，角钢上设有螺栓孔，可通过螺纹钢把上下两仪器箱体固定在一起，两仪器箱体它们相互的接触面上都刻有凹槽，放入密封胶条来起到防止渗水的效果；每个侧面上都设有若干圆孔，呈一列均匀分布，以放置传感器来测量不同高度土层的相关参数；仪器箱体通过钢螺栓固定在底部支架的有机玻璃底板上，其接触面上也有凹槽，用来放入密封胶条。
如图5所示，植被培养箱体3为60*60cm顶部开口长方体土槽，高30cm，材质为有机玻璃，厚度为2.5cm，底部有角钢固定在有机玻璃上，角钢上设有螺栓孔，通过螺纹钢与仪器箱体固定在一起，其中培养有护坡植被；植被培养箱体3与仪器箱体的接触面上都刻有凹槽，放入密封胶条来起到防止渗水的效果；植被培养箱体3底面有一可拆卸式钢底板，可从前面抽取出来；每个侧面都设置一圆孔；植被培养箱设置有多个，培养有不同的护坡植被，可用于对比不同植被对土壤渗透系数的影响，此外多个植被培养箱体同时栽培植物，试验时直接更换植被培养箱体，有效地避免了植物生长周期导致的实验时间延长。
测量系统由体积含水量传感器7和张力计8组成，箱体前后侧面的圆孔内放置体积含水量传感器7，箱体左右侧面的圆孔内放置张力计8，可实时测量土壤的体积含水量和孔隙水压力。
降雨系统设置在外部支架6上，有三排喷头均匀分布在植被上方，保证降雨入渗的均匀性；通过小流量蠕动泵往喷头中加水，从而达到喷头喷洒流量的可控，用于模拟不同强度的降雨。
固定系统由螺纹钢组成，螺纹钢穿过箱体侧面角钢上预留的孔洞，增加箱体的整体性和牢固性。
底部支架材质为钢板，钢板底面有加固钢梁，增加底部支架的承重能力；钢底板上用钢螺栓固定一块有机玻璃底板13，如图6所示，上面刻有方螺旋细槽；钢底板中心有一出水管与螺旋细槽中心连接，并有阀门控制出水管开闭，出水管另一端连接储水槽；有机玻璃底板上方铺60*60cm，厚度5cm的透水砖12；方螺旋细槽和透水砖12的作用是使土壤中的水分均匀渗出，而且用来保证从下往上饱和时底面土层能够被均匀浸润；支架四角安装有多向角轮16，以便于移动，钢底板上设置有气泡水平仪，用以保证土槽的水平。
对土壤渗透系数的测量方法，具体包括如下步骤：
1、拼接箱体、装土。将有机玻璃底板放置在底部支架上，用钢螺栓固定好，在有机玻璃底板上放置好透水砖，放置第一个仪器箱体，通过钢螺栓固定在钢底板上，将土样装入，压实，使其与野外自然条件下的密实度相同，接着放置第二个仪器箱体，再次填土，压实，然后将植被培养箱体放置在第二个仪器箱体顶部，将其可拆卸式钢底板抽出，使上下土层合为一体，最后安装加固螺纹钢，使箱体连为一个整体。
2、安装传感器。在前后两个侧面从上往下依次安装体积含水量传感器，在左右两侧面从上往下依次安装张力计8。安装时，穿过预留圆孔用勺子挖出洞口，将传感器插入其中后，传感器和玻璃板之间的缝隙用热熔玻璃胶密封，防止渗水。
3、模拟降雨。设置好蠕动泵流量，将泵的出水管与喷头相连接，来模拟不同强度的降雨条件。
4、数据统计与计算。记录不同时间下体积含水量传感器和张力计读数，将所得数据绘制成含水量和吸力水头折线图；某一点流速由下式确定:
其中δv表示t1到t2时间段内，通过截面z1的单位体积含水量，即含水量折线图上t1，t2时间内z0与z1所对应含水量所围区域的面积，v0是装置底部出水管的流速；某一点水力梯度为吸力水头折线图上该点的斜率i。由达西定律可知，某一时间段内，将土柱某一处的流速除以该时间段内的平均水力梯度，即可得到与该时间内的流量相应的渗透系数：
5、吸湿脱湿过程土水特征曲线的绘制。停止模拟降雨，通过土槽底板出水口向土槽中注水，让土样从下往上浸湿直至完全饱和，记录各时刻两传感器读数，以上步骤所得数据可得到吸湿过程的土水饱和曲线；而打开底部出水口阀门，让水分靠重力渗出以及自然蒸发，记录各时刻两传感器读数，即可得到脱湿过程的土水特征曲线；其中，对于降雨为0的干燥土体进行试验的情况即为初试吸湿曲线，对于完全饱和后土体进行排水测试可得初试脱湿曲线。
6、更换培育有另一种植物的可移动土槽，重复以上步骤1、2、3、4、5，即可得到不同植物影响下的土壤渗透系数以及吸湿脱湿过程土水特征曲线。
7、改变降雨强度，重复以上步骤4，即可得到不同降雨强度影响下的土壤渗透系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
1.一种可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：包括：
仪器箱体，其上端开放，内部填充有土壤，其底部设置有底板，底板上设置有透水砖，底板上加工有螺旋凹槽，螺旋凹槽的中部设置出水口；
植被培养箱体，位于仪器箱体的顶部，其底部开放，内部填充土壤，土壤上方生长有植物；
体积含水量传感器组件，沿仪器箱体和植被培养箱体的高度方向均布；
张力计组件，沿仪器箱体和植被培养箱体的高度方向均布；
喷头，设置于植被培养箱体的顶部，且与水源连接。
2.根据权利要求1所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：喷头在植被培养箱体的顶部均匀分布。
3.根据权利要求1所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：仪器箱体分段设置，相邻段之间密封连接。
4.根据权利要求1所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：所述底板上设置有水平仪。
5.根据权利要求1所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：张力计组件分为两列，在箱体侧壁上相对设置；
进一步的，同一列中，相邻两个张力计之间的距离为25-35cm。
6.根据权利要求1所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：体积含水量传感器分为两列，在箱体的侧壁上相对设置；
进一步的，同一列中，相邻两个体积含水量传感器的距离为25-35cm。
7.根据权利要求1所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置，其特征在于：还包括储水槽，储水槽用于与所述出水口连接。
8.利用权利要求1-7任一所述的可考虑降雨及植被影响的土壤渗透系数测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
将测量装置进行组装，填充土壤，并进行压实，使其密实度与野外自然条件下相同；
对喷头进行供水，以模拟不同强度的降雨；
记录不同时间下体积含水量传感器和张力计的读数，将所得数据绘制成含水量和吸力水头折线图，计算特定位置的流速和平均水力梯度，进而计算获得与该时间内的流量相应的渗透系数。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：流速的计算公式为：
其中，δv表示t1到t2时间段内，通过截面z1的单位体积含水量，即含水量折线图上t1，t2时间内z0与z1所对应含水量所围区域的面积，v0是装置底部出水管的流速；
进一步的，某一位置处的水力梯度为吸力水头折线图上该点的斜率；
进一步的，渗透系数为某以位置处的流速除以该时间段内的平均水力梯度。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：还包括吸湿脱湿过程土水饱和曲线的绘制步骤，通过箱体底部的出水口向箱体内部的土壤注水，让土样从下往上浸湿直至完全饱和，记录各时刻两传感器读数，所得数据可得到吸湿过程的土水饱和曲线；
而打开底部出水口阀门，让水分靠重力渗出以及自然蒸发，记录各时刻两传感器读数即可得到脱湿过程的土水特征曲线；其中，对于降雨为0的干燥土体进行试验的情况即为初试吸湿曲线，对于完全饱和后土体进行排水测试可得初试脱湿曲线。
技术总结